(57)【要約】【課題】構造が簡単で材料が限定されない、広い動作波長帯域を持つ導波路型光アイソレータを提供する。【解決手段】幅方向に屈折率の勾配を有する導波路１０１を備え、導波路１０１を第１の方向に伝搬する光の入射位置と導波路１０１を第１の方向とは反対方向の第２の方向に伝搬する光の出射位置とが重ならないように導波路型光アイソレータを構成する。導波路１０１に入射される光は、該光の前記導波路１０１の幅方向のモード広がりが導波路１０１内を光が伝搬しても入射時以上には広がらない条件で導波路１０１に入射される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幅方向に屈折率の勾配を有する導波路を備え、前記導波路を第１の方向に伝搬する光の入射位置と前記導波路を前記第１の方向とは反対方向の第２の方向に伝搬する光の出射位置とが重ならないように構成した導波路型光アイソレータであって、
前記導波路に入射される光は、該光の前記導波路の幅方向のモード広がりが前記導波路内を該光が伝搬しても入射時以上には広がらない条件で前記導波路に入射される、導波路型光アイソレータ。
【請求項２】
前記導波路の幅方向に温度勾配を設けることにより、前記導波路の幅方向に屈折率の勾配が形成されている、請求項１に記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項３】
前記導波路の高さを幅方向に変化させることにより、前記導波路の幅方向に屈折率の勾配が形成されている、請求項１に記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項４】
入射光の前記導波路の幅方向のモード広がりが２０μｍ以上とされている、請求項１から３のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項５】
スポットサイズ変換導波路をさらに備え、
入射光は該スポットサイズ変換導波路を介して前記導波路に入射される、請求項１から４のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項６】
前記導波路を前記第１の方向に伝搬する光の入射位置と前記導波路を前記第２の方向に伝搬する光の出射位置とが、入射光の前記導波路の幅方向のモード広がり以上に離隔している、請求項１から５のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項７】
前記導波路を前記第１の方向に伝搬する光の入射位置と前記導波路を前記第２の方向に伝搬する光の出射位置とが、２０μｍ以上離隔している、請求項６に記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項８】
前記導波路は、入射光の前記導波路の幅方向のモード広がりの２倍以上の幅を有している、請求項６に記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項９】
前記導波路の幅は４０μｍ以上である、請求項８に記載の導波路型光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、幅方向に屈折率の勾配を有する導波路を備えた導波路を用いた導波路型光アイソレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは光通信システムや光情報処理システム用の光源として用いられている。半導体レーザから出射した光は、他の光学素子を通って伝送される。光が他の光学素子に入射するときに、一部の光は反射がおき、この反射光が戻り光となって、半導体レーザへ再び戻ってくる。半導体レーザはこの戻り光によって動作が不安定になる。戻り光を半導体レーザに入れないようにするために、光アイソレータが用いられている。
【０００３】
光アイソレータは、光を１方向にしか通さないようにする光デバイスである。つまり、光アイソレータの入力ポートから入射した光は出力ポートで出射されるが、出力ポートから入射した光は入力ポートで出射されない。このため、半導体レーザの出射端と光アイソレータの入力ポートとをつなげることにより、半導体レーザの動作を不安定にする戻り光をさえぎり、半導体レーザが安定に動作する。
【０００４】
光アイソレータの構成は、特許文献１（特開２００７−１７１３２６号公報）に示されるように２枚の偏光子の間にファラデー回転子を入れている。この構成の光アイソレータをバルク型光アイソレータという。
【０００５】
ファラデー回転子は磁気光学効果によって直線偏光の偏向角を傾ける素子であり、ファラデー回転子の前方から入射した光と後方から入射した光とは、偏光の傾く方向は反転しない。そのため、このファラデー回転子は非相反素子となる。しかし、バルク型光アイソレータではファラデー回転子を用いるために、磁石が必要であり、光学系が複雑になり、かつ、デバイスサイズが大きくなる。
【０００６】
また、バルク型光アイソレータでは、光の伝搬方向に直交する断面内に光を閉じ込める作用がないため、伝搬損失が大きい。さらに、バルク型光アイソレータは半導体レーザなどの他の素子と一体で集積化することが不可能である。このため、バルク型光アイソレータを他の素子と別々に作製して後で組み合わせることになり、製造プロセスが複雑になる。
【０００７】
これらの課題のうち、伝搬損失の低減と、他の素子との集積化を解決する素子として導波路型光アイソレータが特許文献２により提案されている。
【０００８】
図１８および図１９に特許文献２（特開２００３−３０２６０３号公報）に示されたＴＭモード動作の光アイソレータ３００を示す。図１９に示すように従来の導波路型光アイソレータは、基板３０１の上に、下部クラッド層３０２が成長しており、下部クラッド層３０２の上に入力用の光導波路３０３、出力用の光導波路３０４、光導波路３０５、光導波路３０６が設けられている。
【０００９】
そして、入力用の光導波路３０３の素子外面の端面に入力ポート３０７が設けられ、４本の光導波路３０３，３０４，３０５，３０６は上部クラッド層３０９に覆われている。また、アーム型でほぼ同形状の光導波路３０５と光導波路３０６を対向させてマッハツェンダ干渉計を構成するため、入力ポート３０７側に３分岐光結合器３１０を配置し、出力ポート３０８側に３分岐光結合器３１１を配置する。
【００１０】
そして、３分岐光結合器３１０と３分岐光結合器３１１にはさまれた光導波路３０５と光導波路３０６で干渉系が構成される。なお、入力ポート３０７側から出力ポート３０８側への方向を順方向とし、出力ポート３０８側から入力ポート３０７側への方向を逆方向とする。
【００１１】
干渉系を伝搬する２波に位相差を設けるために、光導波路３０５と光導波路３０６とに非相反移相器３１２を組み込む。非相反移相器３１２では磁性材料である組成式Ｒ３Ｆｅ５Ｏ１２（Ｒは希土類元素を表す）で表される希土類磁性ガーネットが用いられる。非相反移相器３１２に外部磁場３１３を印加すると、非相反移相器３１２を伝搬する光に対して磁気光学効果が得られる。
【００１２】
磁気光学効果は磁性ガーネットへの磁化方向と伝搬する光の磁気成分とが持つベクトルの向きによって作用が異なっている。このため、図１８のように、非相反移相器３１２へ印加する外部磁場３１３の向きを光導波路３０５と光導波路３０６とで逆向きにして、外部磁場３１３の大きさを調節すると、非相反移相器３１２を順方向に伝搬するＴＭモードの２波に対して位相差−９０°、非相反移相器３１２を逆方向に伝搬するＴＭモードの２波に対して位相差９０°をそれぞれ得ることができる。このとき、順方向または逆方向のＴＥモードの２波に対しては位相差が得られない。
【００１３】
さらに干渉系を伝搬する２波に相反な位相差を設けるために、光導波路３０５へ相反移相器３１４を組み込む。この相反移相器３１４はモード複屈折率を有する光導波路からなる。そこで、ＴＭモードに対しては相反移相器長が（（１／４）＋ｍ）×λＴＭ、ＴＥモードに対しては相反移相器長が（（１／２）＋ｍ）×λＴＥという条件をそれぞれ満足するように、相反移相器長を調整する。
【００１４】
すると相反移相器３１４を伝搬するＴＭモードの２波に対して相反な位相差９０°、相反移相器３１４を伝搬するＴＥモードの２波に対して相反な位相差１８０°をそれぞれ得ることができる。
【００１５】
導波路型光アイソレータ３００に入力用の光導波路３０３からＴＭモードの光を入射すると、３分岐光結合器３１０により、同振幅、同位相の２波に分波される。２波は光導波路３０５および、光導波路３０６を伝搬する際に、９０°の相反な位相差と−９０°の非相反な位相差をうけ、３分岐光結合器３１１に入射するときには、同振幅、同位相となっている。
【００１６】
この場合、２波は出力用の光導波路３０４に結合し、出力ポート３０８から出射される。一方、出力用の光導波路３０４から入射するＴＭモードは、３分岐光結合器３１１で同振幅、同位相の２波に分波される。
【００１７】
２波は光導波路３０５および、光導波路３０６を伝搬する際に、９０°の相反な位相差と＋９０°の非相反な位相差を受け、３分岐光結合器３１０に入射するときには、同振幅で逆位相となっている。この場合、入力用の光導波路３０３には結合しないため、入力ポート３０７からは出射されず、光アイソレータとなっている。
【００１８】
また、出力用の光導波路３０４から入射したＴＥモードの光は逆方向に伝搬し、３分岐光結合器３１１により、同振幅、同位相の２波に分波する。そして、２波は干渉系を伝搬する際に、相反移相器３１４の相反な位相差１８０°だけを受ける。
【００１９】
したがって、３分岐光結合器３１０で結合するときには、２波が同振幅、逆位相となっている。このため、２波は入力用の光導波路３０３に結合せず、ＴＥモードは入力ポート３０７から出射されない。
【特許文献１】特開２００７−１７１３２６号公報
【特許文献２】特開２００３−３０２６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、従来の導波路型光アイソレータでは次のような課題があった。
従来の導波路型光アイソレータでもバルク型光アイソレータと同様に磁石は必要であり、素子の構造は複雑で、サイズは大きくなる。また、磁気光学効果を非相反素子の原理として用いるために材料が磁性ガーネットなど高い磁気光学効果を持つ物質に限定される。さらに従来の導波路型光アイソレータは干渉を用いており、干渉を引き起こす位相差は波長によって変わるために、動作波長帯域が狭い。
【００２１】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、構造が簡単で、材料が限定されない、広い動作波長帯域を持つ導波路型光アイソレータ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】
【００２２】
この発明に基づいた導波路型光アイソレータに従えば、幅方向に屈折率の勾配を有する導波路を備え、上記導波路を第１の方向に伝搬する光の入射位置と上記導波路を上記第１の方向とは反対方向の第２の方向に伝搬する光の出射位置とが重ならないように構成した導波路型光アイソレータであって、上記導波路に入射される光は、該光の上記導波路の幅方向のモード広がりが上記導波路内を該光が伝搬しても入射時以上には広がらない条件で上記導波路に入射される。
【００２３】
上記導波路型光アイソレータにおいて好ましくは、上記導波路の幅方向に温度勾配を設けることにより、上記導波路の幅方向に屈折率の勾配が形成されている。
【００２４】
上記導波路型光アイソレータにおいて好ましくは、上記導波路の高さを幅方向に変化させることにより、上記導波路の幅方向に屈折率の勾配が形成されている。
【００２５】
上記導波路型光アイソレータにおいて好ましくは、入射光の上記導波路の幅方向のモード広がりが２０μｍ以上とされている。
【００２６】
上記導波路型光アイソレータにおいて好ましくは、スポットサイズ変換導波路をさらに備え、入射光は該スポットサイズ変換導波路を介して上記導波路に入射される。
【００２７】
上記導波路型光アイソレータにおいて好ましくは、上記導波路を上記第１の方向に伝搬する光の入射位置と上記導波路を上記第２の方向に伝搬する光の出射位置とが、入射光の上記導波路の幅方向のモード広がり以上に離隔している。
【００２８】
上記導波路型光アイソレータにおいてさらに好ましくは、上記導波路を上記第１の方向に伝搬する光の入射位置と上記導波路を上記第２の方向に伝搬する光の出射位置とが、２０μｍ以上離隔している。
【００２９】
上記導波路型光アイソレータにおいてさらに好ましくは、上記導波路は、入射光の上記導波路の幅方向のモード広がりの２倍以上の幅を有している。
【００３０】
上記導波路型光アイソレータにおいてさらに好ましくは、上記導波路の幅は４０μｍ以上である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明による光アイソレータの主要な部品は、導波路の延びる方向に垂直方向の幅が広い導波路だけであるのでその構造が簡単である。
【００３２】
また、本発明に係る導波路型光アイソレータは、動作波長で光が透過する材料なら何で用いることができ、その材料が磁性ガーネットなどの特殊な材料に限定されることがない。
【００３３】
さらに、導波路の延びる方向に垂直方向の幅が広い導波路内を伝搬する光は、波長が変化しても伝搬特性はほとんど変わらないため、広い動作波長帯域を持つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明者らは鋭意研究を行うことで、導波路の延びる方向に垂直方向の幅が広い導波路に屈折率の勾配を設けた素子（屈折率勾配つき幅広導波路）に、導波路の幅方向の入射光のモード広がりが２０μｍ以上の光を入射すると、順方向の伝搬光と逆方向の伝搬光の経路が変わり、屈折率勾配つき幅広導波路が非相反素子になることを見出した。
【００３５】
そして、この非相反素子を用いると、構造が簡単で、材料が限定されない、広い動作波長帯域を持つ導波路型光アイソレータを実現できることを見出した。
【００３６】
以下、この発明に基づいた各実施の形態における導波路型光アイソレータの構造について、図を参照しながら説明する。なお、各実施の形態において、同一または相当箇所については同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さないこととする。
【００３７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いた導波路型光アイソレータ１００の平面図である。図１において１０１は幅広導波路、１０２はＳＳＣ（Spot Size Converter）、１０３はクーラー、１０４はヒーター、１０５は順方向における入射光、１０６は幅広導波路への順方向の入射光、１０７は順方向の伝搬光、１０８は順方向の出射光、１０９は逆方向の入射光、１１０は逆方向の伝搬光、１１１は逆方向の出射光をそれぞれ示す。
【００３８】
クーラー１０３とヒーター１０４は、幅広導波路１０１の屈折率がクーラー１０３からの距離に比例して上昇するように温度が設定されている。この幅広導波路素子の導波路が延びる方向の長さは２０００μｍであり、導波路の延びる方向に垂直方向の幅は６０μｍである。
【００３９】
なお、幅広導波路とは、導波路の延びる方向に垂直方向の幅が広い導波路のことである。また、ＳＳＣとは、入射光の導波路の幅方向、すなわち入射光の導波路の延びる方向と垂直な方向のモード広がりを大きくする素子である。本実施の形態では、入力ポート１１２側から出力ポート１１３側への方向を順方向とし、出力ポート１１３側から入力ポート１１２側への方向を逆方向とする。また、順方向の出射光１０８と逆方向の入射光１０９の導波路の幅方向のモード広がりは同じ大きさとする。
【００４０】
ここでモード広がりとは、光の強度の空間的分布がガウス分布であるとしたときに、強度が中心での強度の１／ｅとなる場所の幅を意味する。
【００４１】
図１に示されるＳＳＣ１０２に入射した順方向の入射光１０５は、ＳＳＣにより導波路の幅方向のモード広がりが大きくなり、幅広導波路への順方向の入射光１０６となる。幅広導波路への順方向の入射光１０６は、幅広導波路１０１内を順方向の伝搬光１０７で示されるように伝搬し、順方向の出射光１０８として出射する。
【００４２】
一方、逆方向の入射光１０９は、幅広導波路１０１内を逆方向の伝搬光１１０で示されるように伝搬し、逆方向の出射光１１１として出射する。
【００４３】
図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視断面図である。図２において、１１４はコア層、１１５はクラッド層、１１６は基板をそれぞれ示す。コア層１１４はＳｉ（シリコン）であり、クラッド層１１５はＳｉＯ２（酸化ケイ素）であり、基板１１６はＳｉである。
【００４４】
基板１１６に対して、クラッド層１１５、コア層１１４の順に積層され、幅広導波路１０１を形成している。それぞれの層の厚さは、あくまでも一例であるが、クラッド層１１５が１．０μｍ、コア層１１４が０．３μｍである。なお、本実施の形態での順方向の入射光１０５の波長は１．５μｍである。
【００４５】
本実施の形態における導波路型光アイソレータ１００では、図１に示すように、幅広導波路１０１の両端にクーラー１０３とヒーター１０４を設置する構成をしている。Ｓｉの場合、屈折率は温度に比例することから、クーラー１０３とヒーター１０４によって形成される温度勾配によって幅広導波路１０１の屈折率に勾配が形成される。
【００４６】
また、本実施の形態における入射光１０６の導波路の幅方向のモード広がりはＳＳＣ１０２によって２０μｍとなっている。
【００４７】
図１７は、入射時のモードの広がりを変化させたときの、入射時のモードの広がりに対する２０００μｍ伝搬時のモードの広がりの比の変化を示す図である。図１７から明らかなように、幅広導波路内を伝搬する光の、導波路の幅方向のモード広がりが、伝搬中に広がらないための条件は、入射光のモード広がりが２０μｍ以上であることである。したがって、モード広がりが２０μｍとした本実施の形態では、モード広がりが広がっていくことなく伝搬する。
【００４８】
さらに、本実施の形態における幅広導波路１０１の幅は６０μｍであり、入射光１０６の導波路の幅方向のモード広がりより２倍以上大きい。また、幅広導波路１０１への順方向の入射光１０６の入射位置と、逆方向の出射光１１１の出射位置は２０μｍ以上離れており、入射光１０６の導波路の幅方向のモード広がり以上に離れている。そのため、順方向の入射光１０６の入射位置と逆方向の出射光１１１の出射位置とは重ならない。
【００４９】
次に、図３から図６を参照して、図１および図２に示す屈折率勾配を有する幅広導波路の製造工程について説明する。
【００５０】
まず、Ｓｉ基板１１６にクラッド層１１５およびコア層１１４がこの順番で積層されたＳＯＩ基板が準備される。次に図３に示すようにコア層１１４の上にフォトリソグラフィー用のレジスト膜１１７を塗布する。
【００５１】
その後、フォトリソグラフィーによりレジスト膜１１７を加工して、ＳＳＣを形成するために、図４に示すレジストパターンを形成する。
【００５２】
前述のレジストパターンをマスクとして、図４に示すように、コア層１１４をエッチングすれば、図５に示すＳＳＣ１０２つき幅広導波路１０１が得られる。
【００５３】
次に、図６に示すように、スパッタリング法または蒸着法を用いて、基板１１６にクーラー１０３としてヒートシンクとなる窒化アルミニウム膜を形成する。さらに、スパッタリング法または蒸着法を用いて、基板１１６にヒーター１０４となる窒化タンタル膜を形成する。
【００５４】
最後に、図１に示すようにヒーター１０４の温度を変化させるために、一の金属線１１８および他の金属線１１８を用いてヒーター１０４に電源装置１１９を電気的に接続することで、図１および図２に示す導波路型光アイソレータ１００が完成する。
【００５５】
次に、作製した屈折率勾配つき幅広導波路が非相反素子となる原理を説明する。
本実施の形態の導波路では、Ｓｉの屈折率が温度に比例して変化することを利用している。すなわち、ヒーター１０４とクーラー１０３を用いて幅広導波路１０１に温度の勾配を形成することで、幅広導波路１０１の屈折率に勾配を設けている。
【００５６】
屈折率が高くなると、光の伝搬する速度は小さくなるため、屈折率が高いほうに光は進んでいく。そのため、ヒーター１０４とクーラー１０３によって屈折率に勾配が設けられている幅広導波路１０１に光を入射すると、光は屈折率が高い方へ順方向の伝搬光１０７のように伝搬し、順方向の出射光１０８として出射する。
【００５７】
幅広導波路１０１に順方向の出射位置と同じ位置から逆方向の入射光１０９を入射した場合、逆方向の伝搬光１１０は、屈折率が低くなる順方向の伝搬光１０７の経路を戻らずに、屈折率が高い方へと進む。そのため、順方向の伝搬光１０７の経路と逆方向の伝搬光１１０の経路とは異なる。その結果、本実施の形態で用いる屈折率勾配つき幅広導波路は非相反素子となる。
【００５８】
なお、幅広導波路１０１への入射光の導波路の幅方向のモード広がりが小さい場合、図７に示すように、光は回折により幅広導波路１０１全体に広がり、非相反素子としての効果がなくなる。図１７に示すように、入射光の導波路の幅方向のモード広がりを２０μｍ以上にすれば、幅広導波路１０１内の回折を抑えることができ、図１に示すように、幅広導波路１０１内で光が広がることはない。
【００５９】
本実施の形態では、ＳＳＣ１０２によって入射光の導波路の幅方向のモード広がりを２０μｍにしている。また、順方向の伝搬光１０７や逆方向の伝搬光１１０は入射光の波長が変わっても、ほぼ同じ経路を描いて幅広導波路１０１内を伝搬する。
【００６０】
次に本実施の形態における導波路型光アイソレータについて説明する。
まず、屈折率勾配つき幅広導波路を導波路型光アイソレータとする条件について説明する。
【００６１】
屈折率勾配つき幅広導波路を導波路型光アイソレータとするには、屈折率勾配つき幅広導波路内を伝搬する光の経路が非相反であることから、順方向の入射光の入射位置と逆方向の出射光の出射位置とが重ならないことが必要である。そのために、順方向の入射光の入射位置と逆方向の出射光の出射位置との距離が、幅広導波路への入射光の導波路の幅方向のモード広がり以上でなければならない。すなわち、幅広導波路の、導波路の延びる方向に垂直方向の幅は、入射光の導波路の幅方向のモード広がりの２倍以上が必要である。
【００６２】
本実施の形態の場合、幅広導波路への順方向の入射光１０６の導波路の幅方向のモード広がりは２０μｍであるため、順方向の入射光１０６の入射位置と逆方向の出射光１１１の出射位置とが２０μｍ以上にならなければならない。すなわち、幅広導波路１０１の導波路の幅方向の幅は４０μｍ以上が必要となっている。
【００６３】
本実施の形態は幅広導波路１０１の層に平行な幅は６０μｍであり、さらに順方向の入射光１０６の入射位置と逆方向の出射光１１１の出射位置とが２０μｍ以上離れているため、本実施の形態は導波路型光アイソレータとなる条件を満たしており、幅広導波路１０１は光アイソレータとなる。
【００６４】
次に、本実施の形態における導波路型光アイソレータの動作原理について説明する。
本実施の形態の導波路型光アイソレータ１００においては、図１および図２に示したように、順方向の光は、幅広導波路への順方向の入射光１０６、順方向の伝搬光１０７、順方向の出射光１０８の順で伝搬する。逆方向の光は、逆方向の入射光１０９、逆方向の伝搬光１１０、逆方向の出射光１１１の順で伝搬する。
【００６５】
このとき、図７のようにＳＳＣがない場合、幅広導波路１０１には入射光の導波路の幅方向のモード広がりが２μｍと小さい順方向の入射光１０５が入射される。順方向の伝搬光の端部１２５は伝搬に伴い、図７のように回折によって光が幅広導波路１０１全体に広がって、順方向の伝搬光の導波路の幅方向のモード広がり１２６となり、順方向の出射光１２７として出射される。
【００６６】
順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり１２９と逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１３０とは同じ大きさなので、逆方向の入射光１２８は幅広導波路１０１全体に広がった光となり、逆方向の伝搬光の端部１３１で示す逆方向の伝搬光および、逆方向の出射光１３２も幅広導波路１０１全体に広がった光となる。
【００６７】
その結果、図７および図８に示すように、逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり１３３は導波路全体に広がっており、逆方向の出射光１３２は順方向の入射光１０５と重なってしまう。そのため、ＳＳＣがない幅広導波路１０１に順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１２０が小さいときには、屈折率勾配つき幅広導波路１０１は光アイソレータとならない。
【００６８】
一方、図１に示した導波路型光アイソレータにおいては、順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１２０がＳＳＣによって２０μｍまで広がる。この光が幅広導波路１０１へ入射されることによって、幅広導波路への順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１２１は、順方向の伝搬光の導波路の幅方向の平行なモード広がりおよび順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり１２２と同じ大きさとなる。
【００６９】
順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり１２２と逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１２３とは同じ大きさである。さらに、逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１２３は、逆方向の伝搬光の導波路の幅方向のモード広がりおよび逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり１２４と同じ大きさである。
【００７０】
そのため、幅広導波路への順方向の入射光１０６の入射位置と逆方向の出射光１１１の出射位置は離れる。さらに、幅広導波路１０１を伝搬する光の導波路の幅方向のモード広がりは広がらないため、幅広導波路への順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり１２１は２０μｍであり、逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり１２４も２０μｍとなる。
【００７１】
その結果、逆方向の出射光１１１は、図２に示すように幅広導波路への順方向の入射光１０６の入射位置にはなく除去される。そのため、屈折率勾配つき幅広導波路１０１は光アイソレータとなる。
【００７２】
以上により、導波路型光アイソレータを屈折率勾配つき幅広導波路という簡単な構造で作製できる。また、温度勾配を設けることができれば、屈折率勾配はどんな材料にでも設けることができるので、動作波長の光が透過する材料ならば、材料はなんでも良い。さらに、幅広導波路内を伝搬する光の経路は波長による変化がないため、本発明における導波路型光アイソレータは広い動作波長帯域を持つ。
【００７３】
なお、本発明で用いた導波路層はＳｉ層であるが、これは、動作波長で透過する材料であれば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの半導体や、ポリマーなどどんな材料でも良い。
【００７４】
本実施の形態では、幅広導波路への入射光の導波路の幅方向のモード広がりは２０μｍとしているが、入射光の導波路の幅方向のモード広がりは２０μｍ以上であればかまわない。
【００７５】
また、本実施の形態では入射光の波長は、例示的に１．５μｍに限定したが、波長による光の経路の変化がないため、入射光の波長は１．５μｍに限らない。
【００７６】
また、ヒーター１０４とクーラー１０３は、幅広導波路１０１に温度の勾配を設けることができるものであれば、ヒーター１０４は窒化タンタルに限定されず、たとえば、ニッケルクロムを用いたヒーターまたはペルチェ素子であっても良い。また、クーラー１０３は窒化アルミニウムを用いたヒートシンクに限定されず、たとえば、銅を用いたヒートシンクまたはペルチェ素子であっても良い。
【００７７】
（実施の形態２）
図９は本発明の実施の形態２に係るＡｌＧａＡｓを用いた導波路型光アイソレータ２００の平面図である。
【００７８】
図９において２０１は幅広導波路、２０２はＳＳＣ（Spot Size Converter）、２０３は順方向の入射光、２０４は幅広導波路への順方向の入射光、２０５は順方向の伝搬光、２０６は順方向の出射光、２０７は逆方向の入射光、２０８は逆方向の伝搬光、２０９は逆方向の出射光をそれぞれ示す。幅広導波路２０１の導波路が延びる方向の長さは２０００μｍであり、導波路の延びる方向に垂直方向の幅は６０μｍである。
【００７９】
なお、本実施の形態では入力ポート２１０側から出力ポート２１１側への方向を順方向とし、出力ポート２１１側から入力ポート２１０側への方向を逆方向とする。また、順方向の出射光２０６と逆方向の入射光２０７との導波路の幅方向のモード広がりは同じとする。
【００８０】
図９に示されるＳＳＣ２０２に入射した順方向の入射光２０３は、ＳＳＣ２０２により導波路の幅方向のモード広がりが大きくなり、幅広導波路への順方向の入射光２０４となる。幅広導波路への順方向の入射光２０４は、幅広導波路２０１内を順方向の伝搬光２０５で示されるように伝搬し、順方向の出射光２０６として出射する。一方、逆方向の入射光２０７は、幅広導波路２０１内を逆方向の伝搬光２０８で示されるように伝搬し、逆方向の出射光２０９として出射する。
【００８１】
図１０は、図９におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。図１０において、２１２は上部クラッド層、２１３はコア層、２１４は下部クラッド層、２１５は基板をそれぞれ示す。上部クラッド層２１２および下部クラッド層２１４は、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓであり、コア層２１３はＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓであり、基板２１５はＧａＡｓである。
【００８２】
基板２１５に対して、下部クラッド層２１４、コア層２１３、上部クラッド層２１２の順に積層され、幅広導波路２０１を形成している。それぞれの層の厚さは、下部クラッド層２１４が４．０μｍ、コア層２１３が１．５μｍ、上部クラッド層２１２が１．５μｍである。なお、本実施の形態での順方向の入射光２０３の波長は１．５μｍである。
【００８３】
実施の形態２はクーラーとヒーターがないことと、上部クラッド層２１２が傾斜している点が実施の形態１と異なっている。実施の形態１と比べ、クーラーとヒーターが不要なため、部品点数が少なくなり、サイズをより小さくできる。また、熱に弱い材料でも屈折率の勾配を設けることができる。
【００８４】
本実施の形態では、実施の形態１のように温度勾配を設けて屈折率勾配を設けるのではなく、上部クラッド層２１２の高さに勾配を設けることによって、実効屈折率に勾配を設け、実施の形態１と同様に幅広導波路２０１が導波路型光アイソレータとして機能することが特徴である。
【００８５】
なお、入射光の条件や、導波路の延びる方向と垂直方向の幅の条件は、実施の形態１と同じであり、本実施の形態の導波路型光アイソレータ２００は、ＳＳＣ２０２により幅広導波路２０１への順方向の入射光２０４の導波路の幅方向のモード広がりは２０μｍである。幅広導波路２０１の導波路の延びる方向と垂直方向の幅は６０μｍである。これにより入射光の条件や導波路の延びる方向と垂直方向の幅の条件を満たしている。
【００８６】
次に、図１１から図１４を用いて、図９および図１０に示す導波路型光アイソレータの製造工程を説明する。
【００８７】
まず、下部クラッド層２１４、コア層２１３、上部クラッド層２１２を基板２１５に順に積層したウェハーを用いる。次に図１１に示すように上部クラッド層２１２の上にフォトリソグラフィー用のレジスト膜２１６を塗布する。
【００８８】
その後、フォトリソグラフィーによりレジスト膜２１６を加工して、ＳＳＣを形成するために、図１２に示すレジストパターンを形成する。
【００８９】
前述のレジストパターンをマスクとして、図１２に示すように、上部クラッド層２１２をエッチングすれば、図１３に示すＳＳＣつき幅広導波路が得られる。
【００９０】
この後、マスク蒸着法もしくは選択成長を用いて、図１４に示すように、幅広導波路２０１部の上にのみ、さらに上部クラッド層２１２を斜めに積層させて、図９および図１０に示す導波路型光アイソレータが完成する。
【００９１】
次に、作製した屈折率勾配つき幅広導波路が非相反素子になる原理を説明する。
本実施の形態における導波路型光アイソレータは、上部クラッド層２１２の層に垂直方向の高さに勾配を設けている。言い換えると、導波路を構成する上部クラッド層２１２の高さが、導波路の幅方向の位置によって異なっている。
【００９２】
上部クラッド層２１２の垂直方向の高さが薄い部分ではコア層２１３に光が多くなるため、順方向の伝搬光２０５や逆方向の伝搬光２０８の屈折率（実効屈折率）は大きくなり、上部クラッド層２１２の層に垂直方向の高さが厚い部分では、クラッド層に光が多くなり、コア層２１３の光が少なくなるため、実効屈折率は小さくなる。
【００９３】
上部クラッド層２１２の垂直方向の高さに応じた実効屈折率の変化を利用して、実効屈折率に勾配を設けている。そのため、実施の形態１と同様に実効屈折率に勾配を設けることができる。
【００９４】
また、実効屈折率が高くなると、光の伝搬する速度は小さくなるため、実効屈折率が高い方に光は進んでいく。そのため、上部クラッド層２１２の垂直方向の高さに勾配を設けて実効屈折率に勾配が形成されている幅広導波路２０１に光を入射すると、光は実施の形態１と同様に実効屈折率が高い方へ順方向の伝搬光２０５のように伝搬し、順方向の出射光２０６として出射する。
【００９５】
幅広導波路２０１に順方向の出射位置と同じ位置から逆方向の入射光２０７を入射した場合、逆方向の伝搬光２０８は、実施の形態１と同様に実効屈折率が低くなる順方向の伝搬光２０５の経路を戻らずに実効屈折率が高い方へと進み、順方向の伝搬光２０５の経路と逆方向の伝搬光２０８の経路が異なる。これにより、本実施の形態で用いる屈折率勾配つき幅広導波路は非相反素子となる。
【００９６】
なお、幅広導波路２０１への入射光の導波路の幅方向のモード広がりが小さい場合、図１５に示すように、光は実施の形態１と同様に回折により幅広導波路２０１に広がり、非相反素子の効果がなくなる。図１７に示すように、幅広導波路２０１への入射光の導波路の幅方向のモード広がりを２０μｍ以上にすれば、この幅広導波路２０１内の回折を抑えることができ、図９に示すように、幅広導波路２０１内で光が広がることはない。
【００９７】
本実施の形態では、ＳＳＣ２０２によって入射光の導波路の幅方向のモード広がりを２０μｍにしている。また、順方向の伝搬光２０５は入射光の波長が変わっても、ほぼ同じ経路を描いて幅広導波路２０１内を伝搬する。
【００９８】
次に、本実施の形態における導波路型光アイソレータの動作原理について説明する。
本実施の形態の導波路型光アイソレータ２００においては、図９および図１０に示したように、順方向には入射光２０４、伝搬光２０５、出射光２０６の順で伝搬する。逆方向には入射光２０７、伝搬光２０８、出射光２０９の順で伝搬する。
【００９９】
このとき、図１５のようにＳＳＣがない場合、幅広導波路２０１には入射光の導波路の幅方向のモード広がりが２μｍと小さい順方向の入射光２０３が入射される。順方向の伝搬光の端部２２２は伝搬に伴い、図１５のように回折によって光が幅広導波路２０１全体に広がって、順方向の伝搬光の導波路の幅方向のモード広がり２２３となり、順方向の出射光２２４として出射される。
【０１００】
順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり２２６と逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり２２７とは同じ大きさなので、逆方向の入射光２２５は幅広導波路２０１全体に広がった光となり、逆方向の伝搬光の端部２２８で示す逆方向の伝搬光および、逆方向の出射光２２９も幅広導波路２０１全体に広がった光となる。その結果、図１５および図１６に示すように、逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり２３０は導波路全体に広がっており、逆方向の出射光２２９は順方向の入射光２０３と重なってしまう。そのため、ＳＳＣが設けられていない幅広導波路２０１に、順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり２１７が小さいときには、屈折率勾配つき幅広導波路２０１は光アイソレータを構成することができない。
【０１０１】
一方、図９に示した導波路型光アイソレータにおいては、順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり２１７がＳＳＣによって２０μｍまで広がる。この光が幅広導波路２０１へ入射されることによって、幅広導波路への順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり２１８は、順方向の伝搬光２０５および、順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり２１９と同じ大きさとなる。
【０１０２】
順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり２１９と逆方向の入射光２０７の導波路の幅方向のモード広がり２２０とは同じ大きさであり、さらに、逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり２２０は、逆方向の伝搬光の導波路の幅方向のモード広がりおよび逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり２２１と同じ大きさである。
【０１０３】
そのため、順方向の入射光２０４の入射位置と逆方向の出射光２０９の出射位置は離れる。また、幅広導波路２０１を伝搬する光の導波路の幅方向のモード広がりは広がらないため、幅広導波路への順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり２１８は２０μｍでとなる。逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり２２１も２０μｍとなる。その結果、実施の形態１と同様に、逆方向の出射光２０９は、図９に示すように順方向の入射光２０４の入射位置にはなく、除去される。そのため、屈折率勾配つき幅広導波路２０１は光アイソレータとなる。
【０１０４】
以上により、この構成によって導波路型光アイソレータを屈折率勾配つき幅広導波路という簡単な構造で作製できる。また、上部クラッド層の層に垂直方向の高さによって実効屈折率に勾配を設けることはどんな材料でもできるので、動作波長の光が透過する材料ならば、材料はなんでも良い。さらに、幅広導波路での光の経路は波長による変化がないため、本発明における導波路型光アイソレータは広い動作波長帯域を持つ。
【０１０５】
なお、本実施の形態では、材料にＡｌＧａＡｓを用いたが、これは、動作波長で透過する材料であれば、Ｓｉ、ＩｎＰなどの半導体や、ポリマーなどどんな材料でも良い。
【０１０６】
また、本実施の形態では入射光の波長は、例示的に１．５μｍとしたが、波長による光の経路の変化がないため、入射光の波長は１．５μｍに限らない。
【０１０７】
本実施の形態では、幅広導波路への入射光の導波路の幅方向のモード広がりは２０μｍとしているが、入射光の導波路の幅方向のモード広がりは２０μｍ以上であればかまわない。
【０１０８】
本実施の形態では、ＡｌＧａＡｓの上部クラッド層の層に垂直方向の高さに勾配を設けたが、層に垂直方向の高さに勾配を設けるのは、上部クラッド層に限らず、たとえば、コア層、下部クラッド層の垂直方向の高さに勾配を設けても良い。
【０１０９】
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】この発明に基づいた実施の形態１における導波路型光アイソレータの構造を示す平面図である。
【図２】この発明に基づいた実施の形態１における導波路型光アイソレータの構造を示す、図１におけるII−II矢視断面図である。
【図３】この発明に基づいた実施の形態１における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図４】この発明に基づいた実施の形態１における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図５】この発明に基づいた実施の形態１における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図６】この発明に基づいた実施の形態１における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図７】比較例の幅広導波路の構造を示す平面図である。
【図８】比較例の幅広導波路の構造を示す、図７におけるVIII−VIII矢視断面図である。
【図９】この発明に基づいた実施の形態２における導波路型光アイソレータの構造を示す平面図である。
【図１０】この発明に基づいた実施の形態２における導波路型光アイソレータの構造を示す、図９におけるＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】この発明に基づいた実施の形態２における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図１２】この発明に基づいた実施の形態２における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図１３】この発明に基づいた実施の形態２における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図１４】この発明に基づいた実施の形態２における導波路型光アイソレータの製造工程を示す断面図である。
【図１５】比較例の幅広導波路の構造を示す平面図である。
【図１６】比較例の幅広導波路の構造を示す、図１５におけるXVI−XVI矢視断面図である。
【図１７】入射時のモードの広がりを変化させたときの、入射時のモードの広がりに対する２０００μｍ伝搬時のモードの広がりの比の変化を示す図である。
【図１８】従来の光アイソレータの構造を示す平面図である。
【図１９】従来の光アイソレータの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１００，２００  導波路型光アイソレータ、１０１，２０１  幅広導波路、１０２，２０２  ＳＳＣ、１０３  クーラー、１０４  ヒーター、１０５，２０３  順方向の入射光、１０６，２０４  幅広導波路への順方向の入射光、１０７，２０５  順方向の伝搬光、１０８，２０６  順方向の出射光、１０９，２０７  逆方向の入射光、１１０，２０８  逆方向の伝搬光、１１１，２０９  逆方向の出射光、１１２，２１０  入力ポート、１１３，２１１  出力ポート、１１４  コア層、１１５  クラッド層、１１６，２１５  基板、１１７，２１６  レジスト膜、１１８  金属線、１１９  電源装置、１２０，２１７  順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり、１２１，２１８  幅広導波路への順方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり、１２２，２１９  順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり、１２３，２２０  逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり、１２４，２２１  逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり、１２５，２２２  順方向の伝搬光の端部、１２６，２２３  順方向の伝搬光の導波路の幅方向のモード広がり、１２７，２２４  順方向の出射光、１２８，２２５  逆方向の入射光、１２９，２２６  順方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり、１３０，２２７  逆方向の入射光の導波路の幅方向のモード広がり、１３１，２２８  逆方向の伝搬光の端部、１３２，２２９  逆方向の出射光、１３３，２３０  逆方向の出射光の導波路の幅方向のモード広がり、２１２  上部クラッド層、２１３  コア層。
【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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