(57)【要約】【課題】光アイソレータまたは光サーキュレータとして用いられ得る光部品であって小型化可能で製造容易な光部品を提供する。【解決手段】光部品１は、(1) 上クラッド１４と下クラッド１１とに挟まれた環状コア１２，１３を含み、上クラッド１４，下クラッド１１および環状コア１２，１３のうち何れかが磁気光学材料からなる環状光導波路１０と、(2) 環状光導波路１０との間で光結合し得る光導波路１８，１９と、(3) 電磁石として作用して磁場を発生させ磁気光学材料を磁化させる導線１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上クラッドと下クラッドとに挟まれた環状コアを含み、前記上クラッド，前記下クラッドおよび前記環状コアのうち何れかが磁気光学材料からなる環状光導波路と、
前記環状光導波路との間で光結合し得る第１光導波路と、
電磁石として作用して磁場を発生させ前記磁気光学材料を磁化させる導線と、
を備えることを特徴とする光部品。
【請求項２】
前記環状光導波路との間で光結合し得る第２光導波路を更に備える
ことを特徴とする請求項１記載の光部品。
【請求項３】
前記導線が前記環状コアの形状に合わせて環状とされている、
ことを特徴とする請求項１記載の光部品。
【請求項４】
複数の前記環状光導波路を備え、
これら複数の環状光導波路が前記第１光導波路と光結合し得る、
ことを特徴とする請求項１記載の光部品。
【請求項５】
複数の前記環状光導波路を備え、
これら複数の環状光導波路が前記第１光導波路および前記第２光導波路と光結合し得る、
ことを特徴とする請求項２記載の光部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システム等において光アイソレータや光サーキュレータ等の光部品が用いられる。このような光アイソレータまたは光サーキュレータとして用いられる光部品は、例えば特許文献１や非特許文献１，２に記載されている。これらの文献に記載されている光部品は、光導波路を利用していて小型化可能なものである。
【０００３】
特に、非特許文献２に記載されている光部品は、環状コアを含む環状光導波路と、この環状光導波路との間で光結合し得る光導波路とを含み、環状コアで囲まれる内側領域に磁気バブルが形成された磁性膜を有するものであって、数十μｍのサイズまで小型化が可能であるとされている。
【特許文献１】特開２００１−３５００３９号公報
【非特許文献１】M. Wallenhorst, et al., “Enhancement ofthe nonreciprocal magneto-optic effect of TM modes using iron garnet doublelayers with opposite Faraday rotation”, J. Appt. Phys. Vol.77, No.7, pp.2902-2905(1995).
【非特許文献２】Naoya Kono, et al., “Nonreciprocalmicroresonators for the miniaturization of optical waveguide isolators”, OPTICSEXPRESS, Vol.15, No.12, pp.7737-7751 (2007).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献２に記載されている光部品は、小型化可能であるものの、内半径が数μｍの環状コアで囲まれる内側領域に磁気バブルが形成されることが必要である。ところが、磁気バブルは充分に広い磁性膜上に形成されるのが一般的であり、微細な磁気光学材料上に磁気バブルを形成する技術は知られていない。また、磁気バブルの位置および半径の双方を設計どおりに形成することは非常に困難である。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光アイソレータまたは光サーキュレータとして用いられ得る光部品であって小型化可能で製造容易な光部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光部品は、(1) 上クラッドと下クラッドとに挟まれた環状コアを含み、上クラッド，下クラッドおよび環状コアのうち何れかが磁気光学材料からなる環状光導波路と、(2) 環状光導波路との間で光結合し得る第１光導波路と、(3) 電磁石として作用して磁場を発生させ磁気光学材料を磁化させる導線と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る光部品は、環状光導波路との間で光結合し得る第２光導波路を更に備えるのが好適である。本発明に係る光部品は、導線が環状コアの形状に合わせて環状とされているのが好適である。本発明に係る光部品は、複数の環状光導波路を備え、これら複数の環状光導波路が第１光導波路と光結合し得るのが好適であり、また、これら複数の環状光導波路が第２光導波路とも光結合し得るのが好適である。
【０００８】
導線は、磁気光学材料に充分に近い位置にあるのが好ましく、磁気光学材料との距離が１００μｍ以下であるのが好ましい。環状コアの半径は５０μｍ以下であるのが好ましい。環状光導波路と第１光導波路との光結合、および、環状光導波路と第２光導波路との光結合は、いかなる態様のものであってもよく、方向性結合器，マルチモード干渉計型結合器（ＭＭＩ結合器）および面外結合の何れでもよい。複数の環状光導波路を備える場合には、光結合は、並列結合，直列結合およびマトリクス結合の何れでもよい。
【０００９】
上クラッドおよび下クラッドの材料として低誘電率材料を用いるのが好ましい。例えば、半導体酸化物（ＳｉＯ２など）や有機物（ＢＣＢなど）が好適に用いられる。上クラッドの材料としては空気でもよい。つまり，半導体や磁性ガーネットの成長に用いられるガドリニウムガリウムガーネット（ＧＧＧ）など、比較的屈折率が高い材料をクラッドに用いない。
【００１０】
また、本発明に係る光部品と他の光部品とが共通の基板上に形成されて光回路が構成されるのも好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光部品は、光アイソレータまたは光サーキュレータとして用いられ得る光部品であって、小型化可能であり製造容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
（第１実施形態）
【００１４】
図１は、第１実施形態に係る光部品１の斜視図である。図２は、第１実施形態に係る光部品１の平面図である。また、図３は、第１実施形態に係る光部品１の断面図である。
【００１５】
これらの図に示される光部品１は、上クラッド１４と下クラッド１１とに挟まれた環状コア１２，１３を含む環状光導波路１０を備える。環状コア１２，１３は、磁気光学材料（例えば磁性ガーネット）からなる。環状コア１２と環状コア１３とは磁化の向きが互いに１８０度異なり、この境界面は電磁界強度が高い位置にあることが望ましいが、必ずしもこのような位置にある必要はない。また、効率が落ちるものの、磁化の方向が一方向の単層膜コアを用いてもよい。本実施形態では、厚さが互いに等しい２層の環状コア１２，１３が設けられるものとする。
【００１６】
下クラッド１１および上クラッド１４それぞれの屈折率は、環状コア１２，１３の屈折率より低い。環状光導波路１０の曲げ損の低減および導線１５による光吸収損失の低減を考慮すると、クラッド１１，１４の屈折率と環状コア１２，１３の屈折率との差は大きい方が望ましい。
【００１７】
また、この光部品１は、電磁石として作用して磁場を発生させて磁気光学材料からなる環状コア１２，１３を磁化させる導線１５を更に備える。この導線１５は、環状コア１２，１３の形状に合わせて環状とされている。さらに、この光部品１は、環状光導波路１０との間で光結合し得る直線状の光導波路１８，１９を更に備える。光導波路１８，１９は磁気光学材料からなる必要はない。
【００１８】
具体的な構成例は以下のとおりである。環状コア１２，１３は、屈折率２.３のＲ３Ｆｅ５Ｏ１２（Ｒは希土類元素）からなり、ファラデー回転角が３０００°である。クラッド１１，１４は、屈折率１.４５のＳｉＯ２からなる。環状コア１２，１３およびクラッド１１，１４の周囲は、屈折率１の空気である。環状コア１２，１３，上クラッド１４および導線１５それぞれの幅は０.８μｍである。環状コア１２，１３の厚さは０.３μｍであり、上クラッド１４の厚さは０.７μｍであり、導線１５の厚さは０.８μｍである。下クラッド１１は、特性に影響を与えないほど十分に厚い。導線１５には、環状コア１２，１３のファラデー回転角が上記のように３０００°となるように電流を流す。
【００１９】
ＳｉＯ２からなる下クラッド１１上に磁性ガーネットからなる環状コア１２を形成する手法としては、エピタキシャル・リフトオフ、ウェハー接合、熱処理を伴う膜成長などが適用できる。このように磁気光学材料からなる環状コア１２，１３を積層構造として作製することができるので、容易に作製することができる。
【００２０】
上クラッド１４の上に設けられた環状の導線１５は、電磁石として作用するものであり、例えばＡｕからなる。導線１５として光吸収係数が大きい材料を用いる場合、環状光導波路１０における光の損失が十分小さくなるように、環状コア１２，１３と導線１５とを互いに十分離す必要がある。例えば、環状コア１２，１３の一周の損失は１０−４ｄＢ以下が望ましい。
【００２１】
一方，磁気光学材料である環状コア１２，１３における磁界の大きさは、導線１５の幅に依存し、また、環状コア１２，１３と導線１５との間の距離に依存する。すなわち、導線１５の幅が小さいほど、また、環状コア１２，１３と導線１５との間の距離が短いほど、環状コア１２，１３における磁界の大きさは大きくなる。
【００２２】
したがって、環状コア１２，１３と導線１５との間の距離に関しては、環状コア１２，１３を伝わる光の損失と、環状コア１２，１３における磁界の大きさとの間で、トレードオフの関係がある。それ故、環状光導波路１０を伝搬する光の損失が十分小さい範囲で、環状コア１２，１３と導線１５とを近接して設けることが望ましい。前述した寸法例は、このようなことを考慮して上での値である。
【００２３】
なお、実際に使用の際には、導線１５に流す電流の値が高すぎると熱による問題が生じると予想される。電流値を抑えるためには、緩和磁場を低減した磁性ガーネット膜を環状コア１２，１３に用いることが有効である。また、パルス電流により環状コア１２，１３を一度磁化し、動作させる際には電流を流さないことでも、発熱の問題を解決することができる。
【００２４】
本実施形態の特徴は、環状の導線１５により磁気光学材料の環状コア１２，１３に対し中心から放射状に磁界を印加することである（図３参照）。この放射状の磁界と、磁化の向きが反転している環状コア１２，１３とにより、環状コア１２，１３内の準ＴＭモードに非相反効果が発現する。このような電磁石により磁界を印加する理由は、ここでの環状コア１２，１３の半径が好ましくは１０μｍ以下であり、このような環状コア１２，１３の内部に収まる永久磁石を作製することが非常に困難であるからである。この非相反効果は、時計回りのモードと反時計回りのモードとに対し伝搬定数が異なる非相反位相シフトである。伝搬定数が異なるので、時計回りのモードおよび反時計回りのモードに対し互いに共振周波数も異なる。
【００２５】
環状コア１２，１３の半径に関しては、曲げ損失と非相反周波数シフト量との間でトレードオフの関係がある。環状コア１２，１３の半径が小さいほど、曲率が大きくなるので、曲げ損失は大きくなる。一方で、時計回りと反時計回り方向とでの共振波長の差である非相反波長シフト量は共振モード次数に反比例するので、環状コア１２，１３の半径が小さいほど、また、共振モード次数が小さいほど、非相反波長シフト量は大きくなる。具体的には、曲げ損失が十分に小さい範囲で、環状コア１２，１３の半径をなるべく小さくすることが有効である。本実施形態では環状コア１２，１３の半径を３μｍとする。
【００２６】
次に、図２を用いて、本実施形態に係る光部品１の動作について説明する。ここで、光導波路１８の一端をポートＰ１とし他端をポートＰ２とする。また、光導波路１９の一端をポートＰ３とし他端をポートＰ４とする。光導波路１８の一端のポートＰ１に入力された光のうち共振周波数付近の光は、環状光導波路１０に光結合され、さらに、この環状光導波路１０から光導波路１９に光結合されて、光導波路１９の一端のポートＰ３から出力される。したがって、光導波路１８の一端のポートＰ１に入力された光のうち共振周波数付近の光は、他端のポートＰ２への透過率が小さい。しかし、光導波路１８の一端のポートＰ１に入力された光のうち共振周波数付近とは異なる波長の光は、環状光導波路１０に光結合されることなく、他端のポートＰ２への透過率が大きい。この原理により、本実施形態に係る光部品１は、共振周波数付近の帯域において、入力ポートＰ１および出力ポートＰ２を有する光アイソレータとして機能する。また、ポートＰ１，Ｐ２に加えてポートＰ３，Ｐ４においても光入出力がある場合には、この光部品１は光サーキュレータとして機能する。
【００２７】
この光部品１の出力特性は、共振周波数付近で大きな波長依存性を示す。この特性を生かし、光部品１のポートＰ１にレーザ光源を接続した場合、この光部品１は、レーザ光源への戻り光を抑制する光アイソレータとしての動作だけでなく、出射光のサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ: Side Mode Suppression Ratio）を改善するという付加的な効果もある。また、この光部品１は、光サーキュレータとして動作することも可能であり、また、波長フィルタとしても動作し得る。
【００２８】
ただし、光部品１は、一般的なレーザ光源に比べて波長依存性が大きく動作周波数帯域が狭いので、実用上問題となる可能性がある。この問題を解決するためには、図４に示されるように、複数の環状光導波路を光導波路１８，１９に光結合させることが有効である。
【００２９】
図４は、第１実施形態の変形例の光部品１Ａの平面図である。この図に示される光部品１Ａでは、３つの環状光導波路１０１〜１０３それぞれが光導波路１８，１９と光結合し得る。３つの環状光導波路１０１〜１０３は、下クラッド１１を共通に有しており、環状コア１２，１３、上クラッド１４および導線１５については前述の環状光導波路１０と同様の構成を有している。環状光導波路１０１〜１０３と光導波路１８，１９との光結合の効率や、光導波路１８，１９における環状光導波路１０１〜１０３との光結合位置の間隔を調整することで、光部品１Ａの全体の特性を所望のものとすることができる。また、光部品１Ａの１ｄＢ透過帯域が重要なパラメータであるが、ここでは１ｄＢ透過帯域を１５０ＧＨｚとした。光部品１Ａの大きさは３０μｍ×１０μｍ以下であった。
【００３０】
図５は、第１実施形態の変形例の光部品１Ａの透過特性を示す図である。この図は、波長１.３μｍ付近での光部品１Ａの透過特性を計算した結果を示すものである。この図において、Ｔ１２は、ポートＰ１からポートＰ２への光の透過特性を示す。Ｔ２１は、ポートＰ２からポートＰ１への光の透過特性を示す。また、Ｔ２３は、ポートＰ２からポートＰ３への光の透過特性を示す。
【００３１】
この図において、領域Ｐの波長範囲は、光部品１Ａが光アイソレータまたは光サーキュレータとして動作し得る動作帯域に対応する。すなわち、領域Ｐの波長範囲において、ポートＰ１からポートＰ２への光の透過率Ｔ１２は略１００％であり、ポートＰ２からポートＰ３への光の透過率Ｔ２３は−１ｄＢ以上であるが、ポートＰ２からポートＰ１への光の透過率Ｔ２１は−２０ｄＢ以下である。このように、領域Ｐの波長範囲において光部品１Ａは光アイソレータまたは光サーキュレータとして動作し得る。
【００３２】
（第２実施形態）
【００３３】
図６は、第２実施形態に係る光部品２の斜視図である。図７は、第２実施形態に係る光部品２の平面図である。また、図８は、第２実施形態に係る光部品２の断面図である。
【００３４】
これらの図に示される光部品２は、上クラッド２４と下クラッド２１とに挟まれた環状コア２２を含む環状光導波路２０を備える。上クラッド２４は、磁気光学材料（例えば磁性ガーネット）からなる。
【００３５】
下クラッド２１および上クラッド２４それぞれの屈折率は、環状コア２２の屈折率より低い。環状光導波路２０の曲げ損の低減および導線２５による光吸収損失の低減を考慮すると、クラッド２１，２４の屈折率と環状コア２２の屈折率との差は大きい方が望ましい。また、構造の非対称が大きければ磁気光学効果が増強されるので、この点でも上記屈折率差は大きい方が望ましい。
【００３６】
また、この光部品２は、電磁石として作用して磁場を発生させて磁気光学材料からなる上クラッド２４を磁化させる導線２５を更に備える。この導線２５は、環状コア２２の形状に合わせて環状とされている。さらに、この光部品２は、環状光導波路２０との間で光結合し得る直線状の光導波路２８，２９を更に備える。光導波路２８，２９は磁気光学材料からなる必要はない。
【００３７】
前述した第１実施形態に係る光部品１では、環状コアに磁気光学材料を用いていた。しかし、このような構造であると、比較的大きな磁気光学効果が得られるものの、他の半導体をコアとするような光素子と一体集積するのは難しい。何故なら、コア屈折率差が大きいことに加え、異種結晶コアの光軸を精密に位置合わせする際に、リソグラフィなどの方法を用いて半導体導波路と環状コアとを一括してパターン形成することができないからである。これは、精密な位置合わせ精度が必要とされる光集積回路を製作する際に大きな問題となる。
【００３８】
そこで、このような問題を解決するために、第２実施形態に係る光部品２では、上クラッド２４に磁気光学材料を用いる一方で、環状コア２２に半導体材料（例えばＳｉ）を用いる。環状コア２２を半導体とすることで、光部品２と他の半導体光素子の導波路とを同種の半導体材料で同時に結晶成長することができ、厚さ方向の光軸合わせが自動的に達成される。さらに、リソグラフィ工程で両者の導波路パターンを同一のマスクパターンによって一括して露光および描画することができるので、横方向の光軸合わせについても問題なくなる。また、コアの屈折率が変わることもなくなることから、実効屈折率の不一致による反射も低減される。
【００３９】
具体的な構成例は以下のとおりである。環状コア２２は、屈折率３.４５のＳｉからなる。下クラッド２１は、屈折率１.４５のＳｉＯ２からなる。上クラッド２４は、屈折率２.３のＲ３Ｆｅ５Ｏ１２（Ｒは希土類元素）からなり、ファラデー回転角が３０００°である。上クラッド２４の上に設けられ電磁石として作用する環状の導線１５は例えばＡｕからなる。
【００４０】
このような構成の光部品２は、ＳＯＩ基板に作製されたＳｉ細線導波路にダイレクト接合法により磁性ガーネット膜を接合することで形成される。なお、磁性ガーネット膜を導波路幅と同じ幅にエッチングしてもよいし、膜のままであってもよい。
【００４１】
以上のように、第２実施形態に係る光部品２は、環状光導波路２０の環状コア２２に半導体材料を用いることで、他の半導体に基づく光素子との集積を容易にしたことが、第１実施形態に係る光部品１にはない新しい特徴である。また、第２実施形態に係る光部品２は、環状コア２２を高い屈折率の半導体材料で構成することで、上クラッド２４として磁性ガーネットを用いた場合でも、環状光導波路２０の半径を２μｍ以下にまで小さくすることができて、共振モード次数に反比例する非相反周波数シフト量を高めることができるという特徴がある。後者の特徴によれば、第１実施形態に係る光部品１と比較して、第２実施形態に係る光部品２は、比較的低い単位長あたりの非相反位相シフトを全体の特性として或る程度補うことが可能である。なお、第２実施形態に係る光部品２では、環状光導波路２０の半径を１.５μｍとすることができる。
【００４２】
第２実施形態に係る光部品２も、第１実施形態に係る光部品１と同様に動作することができ、光アイソレータや光サーキュレータとして機能し得る。また、第２実施形態に係る光部品２も、図４に示されたような変形例の構成とすることが可能である。ここで、第２実施形態の変形例の光部品として、図４に示された構成と同様に、３つの環状光導波路２０それぞれが光導波路２８，２９と光結合している構成のものを考える。また、１ｄＢ透過帯域を１０ＧＨｚとする。変形例の光部品の大きさは１５μｍ×１０μｍ以下と非常に小型である。
【００４３】
図９は、第２実施形態の変形例の光部品の透過特性を示す図である。この図において、領域Ｑの波長範囲は、変形例の光部品が光アイソレータまたは光サーキュレータとして動作し得る動作帯域に対応する。すなわち、領域Ｑの波長範囲において、ポートＰ１からポートＰ２への光の透過率Ｔ１２は略１００％であり、ポートＰ２からポートＰ３への光の透過率Ｔ２３も略１００％であるが、ポートＰ２からポートＰ１への光の透過率Ｔ２１は−２０ｄＢ以下である。このように、領域Ｑの波長範囲において変形例の光部品は光アイソレータまたは光サーキュレータとして動作し得る。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態に係る光部品１の斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る光部品１の平面図である。
【図３】第１実施形態に係る光部品１の断面図である。
【図４】第１実施形態の変形例の光部品１Ａの平面図である。
【図５】第１実施形態の変形例の光部品１Ａの透過特性を示す図である。
【図６】第２実施形態に係る光部品２の斜視図である。
【図７】第２実施形態に係る光部品２の平面図である。
【図８】第２実施形態に係る光部品２の断面図である。
【図９】第２実施形態の変形例の光部品の透過特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，１Ａ，２…光部品、１０，１０１〜１０３…環状光導波路、１１…下クラッド、１２，１３…環状コア、１４…上クラッド、１５…導線、１８，１９…光導波路、２０…環状光導波路、２１…下クラッド、２２…環状コア、２４…上クラッド、２５…導線、２８，２９…光導波路。
【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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