(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波するコアの周囲がクラッドで包囲された構造をなし、前記クラッドが、光軸に垂直な断面内において前記コアに接近して引いた直線を境にして異なる屈折率の第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記コアが、位相回折格子を有する光導波路であって、
前記位相回折格子の波数ベクトルは、前記２つのクラッド部の境界面に直交し且つ前記光軸に沿った面内に在り、
前記光導波路は、前記面内において湾曲した湾曲部を有することを特徴とする導波路型光アイソレータ。
【請求項２】
前記光導波路の湾曲していない部位における前記位相回折格子の波数の大きさは、前記コアに導波される導波光が前記位相回折格子によって回折されて前記第１または第２のクラッド部に放射されて生じる放射光の前記光軸に対する放射角度が、ほぼ９０度となるように設定されていることを特徴とする前記請求項１記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項３】
前記光導波路が、単一モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波長がλ1 からλ2 （λ1 ＜λ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波長は、λ1 であることを特徴とする前記請求項２記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項４】
前記光導波路が、多モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波数がｋ1 からｋ2 （ｋ1 ＞ｋ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波数は、ｋ1 であることを特徴とする前記請求項２記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項５】
前記光導波路が、光ファイバであり、前記湾曲は、前記光ファイバへの応力付与による弾性的な変形によって形成されていることを特徴とする前記請求項２乃至４記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項６】
前記光導波路が、平面基板上に形成された光導波路であり、前記湾曲は、前記光導波路形成時にパターン形成によって無応力状態で付与されていることを特徴とする前記請求項２乃至４記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項７】
光導波するコアの周囲がクラッドで包囲された構造をなし、前記クラッドが、光軸に垂直な断面内において前記コアに接近して引いた直線を境にして異なる屈折率の第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記コアが、位相回折格子を有する光導波路であり、前記位相回折格子の波数ベクトルは、前記２つのクラッド部の境界面に直交し且つ前記光軸に沿った面内に在り、前記光導波路は、前記面内において湾曲した湾曲部を有する導波路型光アイソレータの製造方法であって、
直線の前記光導波路に前記位相回折格子を形成する工程と、前記位相回折格子を備えた前記光導波路に前記湾曲を付与する工程を含むことを特徴とする導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項８】
光導波するコアの周囲がクラッドで包囲された構造をなし、前記クラッドが、光軸に垂直な断面内において前記コアに接近して引いた直線を境にして異なる屈折率の第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記コアが、位相回折格子を有する光導波路であり、前記位相回折格子の波数ベクトルは、前記２つのクラッド部の境界面に直交し且つ前記光軸に沿った面内に在り、前記光導波路は、前記面内において湾曲した湾曲部を有する導波路型光アイソレータの製造方法であって、
前記湾曲を付与した前記光導波路を形成する工程と、前記湾曲した前記光導波路に前記位相回折格子を形成する工程を、含むことを特徴とする導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項９】
前記位相回折格子を形成する工程が、単一周期で空間変調された照射光を前記光導波路に照射する工程を含むことを特徴とする前記請求項７及び８記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項１０】
前記光導波路の湾曲していない部位における前記位相回折格子の波数の大きさは、前記コアに導波される導波光が前記位相回折格子によって回折されて前記第１または第２のクラッド部に放射されて生じる放射光の前記光軸に対する放射角度が、ほぼ９０度となるように設定されていることを特徴とする前記請求項７乃至９記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項１１】
前記光導波路が、単一モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波長がλ1 からλ2 （λ1 ＜λ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波長は、λ1 であることを特徴とする前記請求項１０記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項１２】
前記光導波路が、多モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波数がｋ1 からｋ2 （ｋ1 ＞ｋ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波数は、ｋ1 であることを特徴とする前記請求項１１記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項１３】
前記光導波路が、光ファイバであり、前記湾曲は、前記光ファイバへの応力付与による弾性的な変形によって形成されていることを特徴とする前記請求項７記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項１４】
前記光導波路が、平面基板上に形成された光導波路であり、前記湾曲は、前記光導波路形成時にパターン形成によって無応力状態で付与されていることを特徴とする前記請求項８記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【請求項１５】
前記湾曲の曲線が、２次曲線であることを特徴とする前記請求項１乃至６記載の導波路型光アイソレータ並びに請求項７乃至１４記載の導波路型光アイソレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気光学材料のような特殊な材料を使用することなく、光ファイバを含む光導波路のみによって構成可能な導波路型光アイソレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年におけるインターネットの普及やマルチメディア通信等、社会の通信需要の旺盛な拡大に伴って、光ファイバ増幅器を使った伝送距離一万キロ、伝送容量１０テラビット／毎秒を超えなんとする、超長距離でかつ大容量の高密度波長多重（ＤＷＤＭ）光基幹通信技術の開発や、光ファイバ伝送技術を加入者端まで適用して、広帯域（ブロードバンド）のデジタル情報通信サービスを一般家庭やオフィスビルにまで拡大する光アクセスシステムの検討など、これまで以上に光通信システムの大容量化へ向けた技術の開発が勢力的に行われている。
このようなシステムを実現する上で必須の光部品が、光アイソレータ等の光透過特性に強い方向性のある光素子である。光アイソレータは、例えば、送信光源や光ファイバ増幅器から出射される信号光を光ファイバを通して伝送する場合に、光ファイバ接続点等からの反射戻り光が光源である半導体レーザや光ファイバ増幅器に再入射することによって起こる信号光のＳ／Ｎの低下や不安定動作を防止する部品として用いられる。
近年、光伝送方式は、単一モードファイバ（ＳＭＦ）を使った時間分割多重（ＴＤＭ）伝送方式からＤＷＤＭのように多数の波長の信号光を光直接増幅中継して一括して伝送する波長多重伝送方式へ開発の主体が移ってきている。この波長多重伝送方式では、光アイソレータには波長幅が数ｎｍから十数ｎｍの広い波長幅に亘って高いアイソレーション特性を示すことが要求されている。
さらに、近年多モードプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）が石英単一モードファイバに劣らず広帯域光伝送特性を有し、かつサブｍｍオーダのコア径であるがために、光軸合わせのアライメント精度が緩くコネクタによる接続が容易であることから、安価であることが要求される光アクセスシステム用の用途への利用が注目されている。このような多モードＰＯＦに用いる光アイソレータは、波数が広く分布している多モード光に対しても高いアイソレーション特性で動作することが求められる。
【０００３】
光アイソレータは、順方向透過特性と逆方向透過特性とが非可逆な動作をする素子であって、従来から知られている素子の構成例としては、非相反な偏光回転効果であるファラデー効果を示す磁気光学結晶を４５度偏光回転子とし、この偏光回転子を、透過する偏光面が４５度ずれた偏光子と検光子とで挟む構成があり、多く実用に供されている。そして、上に示したような、広い波長範囲を有する波長多重信号光や、波数が広く分布している多モード光に対しても動作する光アイソレータは、現在のところ、従来から知られている磁気的な部品を用いた素子でしか実現できていない。
【０００４】
しかしながら、このような磁気光学結晶や偏光子で構成される光非可逆素子は、前述のファラデー偏光回転子の他に磁石を含めて多数の部品が必要であり、したがって材料の加工や組立に多数の工数を要し、また、アライメントの経時的な信頼性や安定性が乏しく、さらには高価であるという問題がある。
また、光中継器等に用いる場合のように、必ずしも透過する光の偏光状態が定まっていない光ファイバ途中に挿入して使用する（インライン型）ことを可能とするためには、素子特性が偏光に依存しない構成を築かなければならない。このため、更に多数の部品を必要とし、複雑な光路構成を採らなければならず、安定さを欠く。
【０００５】
構成光部品の数が少なく、インライン型で使用できる光アイソレータを構成する方法として、単一モード光ファイバ素線を用いたファイバ型光アイソレータの発明が特許第３０１１１４０号公報に開示されている。この光アイソレータは、コアの周囲をクラッドで包囲した光ファイバの、光軸に垂直な断面内において、コアに接近して水平に引いた直線を境にして、上部と下部とでは異なる屈折率の誘電体クラッドを有し、前記コアには波数ベクトルがコアの光導波方向と前記屈折率の異なる誘電体の境界面に立てた法線とが作る面内にあって、かつ波数ベクトルの光軸となす角度θが、０°＜θ＜９０°となる屈折率の周期的変化による回折格子を有する構成である。
クラッドの屈折率が非軸対称であり回折格子が光軸に対して斜めに設定されていることにより、光ファイバのコア内で伝送される光が、順方向では格子によって回折されることがなく、逆方向では回折されてクラッドへ放射されることになる。この結果、光ファイバのコアを導波されて伝わる光の順方向伝搬と逆方向伝搬とでは透過率が大幅に異なる高アイソレーション特性を有し、さらに偏光依存性の小さい光アイソレータ特性が得られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来のファイバ型光部品は、波長が揺らぐことなく一定でかつ単一モード光を対象としたものであって、光源波長や波数の変動及びそれらのばらつきや周囲温度の変化等に対して、アイソレーション特性が極めて敏感に変動し不安定である。また、波長多重光や多モード光に適用しにくいという難点がある。この理由は、導波光をクラッドへ放射させるメカニズムが、単一周期格子によるブラッグ回折効果であって、導波光の波数と回折格子の波数とクラッド放射光の波数との３者の間で、位相整合が常に誤差１０-5以下程度に正しくとれていなければならないという厳格な条件を満たす必要があるからである。
本発明は、上記の課題に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、広波長幅や多モードのファイバ光に対しても高い非相反透過特性を有し、かつ安価に生産可能な光アイソレータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わる発明記載の導波路型光アイソレータは、光導波するコアの周囲がクラッドで包囲された構造をなし、前記クラッドが、光軸に垂直な断面内において前記コアに接近して引いた直線を境にして異なる屈折率の第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記コアが、位相回折格子を有する光導波路であって、前記位相回折格子の波数ベクトルは、前記２つのクラッド部の境界面に直交し且つ前記光軸に沿った面内に在り、前記光導波路は、前記面内において湾曲した湾曲部を有することを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係わる発明記載の導波路型光アイソレータは、前記請求項１に係わる発明記載の前記光導波路の湾曲していない部位における前記位相回折格子の波数の大きさは、前記コアに導波される導波光が前記位相回折格子によって回折されて前記第１または第２のクラッド部に放射されて生じる放射光の前記光軸に対する放射角度が、ほぼ９０度となるように設定されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に係わる発明記載の導波路型光アイソレータは、前記請求項２に係わる発明記載の前記光導波路が、単一モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波長がλ1 からλ2 （λ1 ＜λ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波長は、λ1 であることを特徴とする。
また、本発明の請求項４に係わる発明記載の導波路型光アイソレータは、前記請求項２に係わる発明記載の前記光導波路が、多モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波数がｋ1 からｋ2 （ｋ1 ＞ｋ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波数は、ｋ1 であることを特徴とする。
また、本発明の請求項５に係わる発明記載の導波路型光アイソレータは、前記前記請求項２乃至４に係わる発明記載の前記光導波路が、光ファイバであり、前記湾曲は、前記光ファイバへの応力付与による弾性的な変形によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項６に係わる発明記載の導波路型光アイソレータは、前記前記請求項２乃至４に係わる発明記載の前記光導波路が、平面基板上に形成された光導波路であり、前記湾曲は、前記光導波路形成時にパターン形成によって無応力状態で付与されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項７に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、光導波するコアの周囲がクラッドで包囲された構造をなし、前記クラッドが、光軸に垂直な断面内において前記コアに接近して引いた直線を境にして異なる屈折率の第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記コアが、位相回折格子を有する光導波路であり、前記位相回折格子の波数ベクトルは、前記２つのクラッド部の境界面に直交し且つ前記光軸に沿った面内に在り、前記光導波路は、前記面内において湾曲した湾曲部を有する導波路型光アイソレータの製造方法であって、直線の前記光導波路に前記位相回折格子を形成する工程と、前記位相回折格子を備えた前記光導波路に前記湾曲を付与する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の請求項８に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、光導波するコアの周囲がクラッドで包囲された構造をなし、前記クラッドが、光軸に垂直な断面内において前記コアに接近して引いた直線を境にして異なる屈折率の第１のクラッド部及び第２のクラッド部を有し、前記コアが、位相回折格子を有する光導波路であり、前記位相回折格子の波数ベクトルは、前記２つのクラッド部の境界面に直交し且つ前記光軸に沿った面内に在り、前記光導波路は、前記面内において湾曲した湾曲部を有する導波路型光アイソレータの製造方法であって、前記湾曲を付与した前記光導波路を形成する工程と、前記湾曲した前記光導波路に前記位相回折格子を形成する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の請求項９に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項７及び８に係わる発明記載の前記位相回折格子を形成する工程が、単一周期で空間変調された照射光を前記光導波路に照射する工程を含むことを特徴とする。
また、本発明の請求項１０に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項７及び８に係わる発明記載の前記光導波路の湾曲していない部位における前記位相回折格子の波数の大きさは、前記コアに導波される導波光が前記位相回折格子によって回折されて前記第１または第２のクラッド部に放射されて生じる放射光の前記光軸に対する放射角度が、ほぼ９０度となるように設定されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項１１に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項１０に係わる発明記載の前記光導波路が、単一モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波長がλ1 からλ2 （λ1 ＜λ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波長は、λ1 であることを特徴とする。
また、本発明の請求項１２に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項１１に係わる発明記載の前記光導波路が、多モード光導波路であり、前記コアに導波される導波光は、波数がｋ1 からｋ2 （ｋ1 ＞ｋ2 ）まで分布しており、前記第１または第２のクラッド部に放射される放射光の前記光軸に対する放射角度がほぼ９０度となるように設定される導波光の波数は、ｋ1 であることを特徴とする。
また、本発明の請求項１３に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項７に係わる発明記載の前記光導波路が、光ファイバであり、前記湾曲は、前記光ファイバへの応力付与による弾性的な変形によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項１４に係わる発明記載の導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項８に係わる発明記載の前記光導波路が、平面基板上に形成された光導波路であり、前記湾曲は、前記光導波路形成時にパターン形成によって無応力状態で付与されていることを特徴とする。
また、本発明の請求項１５に係わる発明記載の導波路型光アイソレータ並びに導波路型光アイソレータの製造方法は、前記請求項１乃至６及び請求項７乃至１４に係わる発明記載の前記湾曲の曲線が、２次曲線であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の光アイソレータの第１の実施形態の側面断面図、図１（ｂ）は、端面断面図を示している。この光アイソレータの構造をその製造工程順に説明する。例えば、通常の光通信用石英系単一モードの光ファイバ１を用意し、この光ファイバの側面にＫｒＦエキシマレーザ光の紫外光（〜２４０ｎｍ）を２光束干渉させて照射すると、前記光ファイバ１のコア１ａに、当該コア１１に含まれるＧｅに起因する屈折率変化が生じ、干渉縞に応じた位相格子、すなわち回折格子１２が形成される。回折格子１２の形成方法としては、通常のファイバブラッグ回折格子の形成方法を利用する。このとき、回折格子１２の格子周期Λと、回折格子１２の波数ベクトルの方向と光ファイバの光軸との間の角度θは、後に示すような方法によって予め設定する。図１（ａ）の配置では紙面に向かって垂直に紫外光が照射され、それが作る干渉縞によって、紙面内で波数ベクトルが光軸と角度θだけ傾いた回折格子１２が形成される。
回折格子１２を形成した後、図１（ｂ）のように、光ファイバ１のクラッド１ｂの下側の領域を前記回折格子１２の波数ベクトルと光軸とが作る面に直交した面を研磨によって削除し、コア１ａの円筒面近くまで光学研磨する。前記コア１ａ、石英クラッド１ｂ、空気のそれぞれの屈折率をｎcore、ｎclad、ｎair とすると、これらの大小関係は、ｎcore＞ｎclad＞ｎair である。
このように構成された光ファイバ１を、研磨面に立てた法線と光ファイバ１の光軸とが作る面内で湾曲させる。ここでは、Ｓ字形状を描くように曲げてある。曲げの曲率は、光ファイバを透過する導波光が曲げによって放射損失を生じない範囲の曲率である。
【０００９】
次に、この第１の実施形態の光アイソレータの動作を説明する。
光ファイバ１の左端からレーザ光を右進行光１０として入射する。光ファイバのコア中を進行した右進行光１０は、コア中に形成されているチルト回折格子１２に進入する。チルト格子１２は湾曲して変形を受けているため、格子の周期間隔は、光軸に沿って微小ながら変化している。このため右進行光１０が強くブラッグ回折を受ける光軸上の位置は、入射光の波長や使用している光ファイバ１のコア径や屈折率によって微妙に異なり、右進行光１０は、光進行方向においてブラッグ整合条件が満足される適切な曲率の湾曲箇所で、空気中へ放射光３０となってほぼ全エネルギーが回折され、光ファイバ１の右端までは到達しない。
一方、光ファイバ１の右端から右進行光１０と同一波長のレーザ光が左進行光２０として入射すると、光ファイバのコア中を進行した左進行光２０は、コア中に形成されているチルト回折格子１２に進入するが、左進行光２０は、ブラッグ条件が満たされないためチルト回折格子１２によって回折は受けず、ほぼ全エネルギーを光ファイバ１の左端に到達させる。
このようにして、光ファイバ１は、進行方向によって光ファイバを透過する光強度が大幅に異なる光アイソレータ動作を行うが、本発明のファイバ型光アイソレータの特徴は、回折格子１２の格子周期Λと、回折格子１２の波数ベクトルの方向と光ファイバの光軸との間のなす角度θが予め適切に設定されており、加えて光ファイバ１を湾曲させてあるために、入射レーザ光の波長が変動またはばらついても、光進行方向において波長に応じた曲率の湾曲箇所から空気中へ回折光３０となってほぼ全エネルギーが回折させる点にある。
【００１０】
次に、上記のような広い動作波長幅を可能にしている理由を説明する。
まず、光ファイバに湾曲を施さず直線形状であって、入射レーザ波長が一定である場合のファイバ型光アイソレータの非可逆動作の原理について図２を参照して説明する。
図２（Ａ）の構造における波数のダイアグラムは、図２（Ｂ）及び（Ｂ‘）に示すように、ｙ＞０には、ｋclad＝（２π／λ）・ｎcladのみが存在し、ｙ＜０には、ｋair ＝（２π／λ）・ｎair のみが存在する。右進行光１１０が回折格子１３０の形成されたファイバ型光アイソレータ１０１に入射した時（図２（Ａ））、入射光の波数ベクトルｋと、回折格子の波数ベクトルＫと、放射光の波数ベクトルｋair は閉じた三角形を形成してブラッグ条件が成り立ち、入射光は、空気中の放射光１４０へ効率よく回折され、コアを透過する光は消失する。
他方、左進行光１２０が入射した時（図２（Ａ’））、ここで形成されている回折格子の周期Λによる波数Ｋの大きさでは小さすぎるため、入射光の波数ベクトルｋと、回折格子の波数ベクトルＫと、クラッド放射光の波数ベクトルｋcladとは閉じた三角形を形成せずブラッグ条件が成り立たない。このため、入射光はクラッド放射光へ回折されことなく、そのままコア中を透過して出射する。このことによってコア伝搬光に対する強い非可逆透過特性が実現する。
このブラッグベクトル整合条件は、上記３つの波数ベクトルのいずれかが変化する擾乱があるとたちまち崩れ、ブラッグ回折は起こらず、光アイソレータ１０１は、単なる可逆な光ファイバに変ずる。
【００１１】
次に、図１に示した本発明の湾曲した光アイソレータの原理を説明する。
上記の擾乱は、前述のように設計値からの入射波長のずれや変動。温度による屈折率の変化などがある。これらの変動に対して、常にブラッグ回折が起こるようにするためには、光軸に沿った回折格子の何処かで常にブラッグ条件を満たされているように素子の構造に冗長性を持たせるようにすればよい。
図３（Ａ）に示すように、回折格子の波数ベクトルと光軸との成す角をθ、空気中への放射光の光軸との成す角をφとしたとき、図３（Ｂ）に示した、入射光の波数ベクトルｋと、回折格子の波数ベクトルＫと、空気中への放射光の波数ベクトルｋair とが閉じた三角形を形成するブラッグ整合条件は、
｜ｋ｜−｜ｋair ｜ｃｏｓ（φ）＝｜Ｋ｜ｃｏｓ（θ）
｜ｋair ｜ｓｉｎ（φ）＝｜Ｋ｜ｓｉｎ（θ）
の両式を同時に満足することである。
図４は、上式を満たす回折格子波数ベクトルＫ（ベクトルの大きさ｜Ｋ｜と角度θ）の条件を放射光の放射角度φを横軸にとって示したものである。導波モードが存在できる波数ｋの大きさの範囲が、｜ｋclad｜＜｜ｋ｜＜｜ｋcore｜であるため、｜ｋ｜＝｜ｋcore｜の場合を実線で、｜ｋ｜＝｜ｋclad｜の場合を破線でそれぞれ表してある。擾乱によって、入射光の波数ｋは実線と破線の間を単調に変化する。
【００１２】
本発明の光アイソレータにおける、回折格子（｜Ｋ｜、∠θ）の設定方法について説明する。
設定方法は、擾乱によるｋの変動に対して、
１）  Δθ＝０の下に、｜ｋclad｜＜｜ｋ｜＜｜ｋcore｜の範囲で常に整合条件を満たすために、回折格子が分布して保持すべき波数の範囲Δ｜Ｋ｜を求める、
２）  Δ｜Ｋ｜＝０の下に、｜ｋclad｜＜｜ｋ｜＜｜ｋcore｜の範囲で常に整合条件を満たすために、回折格子が分布して保持すべき光軸に対する角度の範囲Δθを求める、
の２つのアプローチに分類できる。図１の第１の実施形態は、上記の１）のアプローチに基づく。第１の実施形態では、光ファイバを弾性変形させれば回折格子の周期は、微小ながら変化させることができるが、格子の波数ベクトルと光軸との角度θは変化させ得ない場合に相当する。
図４において、φ＝π／２では、θが停留している。すなわち、放射光の放射角度φが光軸に垂直となるような条件付近（ステップａ）では、整合条件を満たすθの変化が小さい。回折格子と光軸とのなす角度θを、波数が最大となる波長の入射光（又は多モードファイバであれば最低次のモード、すなわちｋ＝ｋcore）に対して定め（ステップｂ：θ＝θcore）、これに対応するＫcore（すなわち格子の周期Λcore）を決定する（ステップｃ）。θ＝θcore一定下で、入射光の波数ｋが、ｋ＝ｋcoreからｋ＝ｋcladに遷移したとき（ステップｄ）のＫcladを求める（ステップｅ）。
光ファイバが湾曲していない直線状態では、Ｋ＝Ｋcore、θ＝θcoreとなるように格子の周期と光軸に対する角度を定める。光ファイバを部分的に湾曲させて、湾曲させた部位ではＫ＝Ｋcladとなるよう、湾曲していない部位ではＫ＝Ｋcoreにする。このように、波数が最大となる波長の入射光（又は多モードファイバであれば最低次のモード）に対して、回折光の放射方向が光軸に対して垂直になるように回折格子の周期Λと角度θを選び、光ファイバの伸び縮みによる弾性変形等によって回折格子の周期に或る程度光軸に沿って微小な分布（ΔＫ）を持たせることによって、入射光の波長の変動や波数の分散を吸収して広波長幅ないしは広波数幅（多モード）で光アイソレータを動作させることが可能である。
このことは、光導波路の境界条件が軸対称でないため、コア部を伝わるＴＥ波とＴＭ波とで伝搬波数が多少異なっても、回折格子の波数が分散して設けられているため、整合条件の合ったコア部の曲率位置で双方とも回折されるので、偏光無依存の特性が得られることも意味する。
【００１３】
図１の本発明の第１の実施形態では、光ファイバが直線の状態でコア中に単一周期の回折格子を形成し、その後光ファイバを湾曲させている。これは、上で述べた入射光の波長の変動や波数の分散を吸収して広波長幅ないしは広波数幅（多モード）で光アイソレータを動作させる１）のアプローチによる構成方法に基づいている。光ファイバ１を湾曲させることは、平面に研磨した外側面の表面に接しているコアに伸び縮みを起こし、曲げの変曲点を中心にして光軸に沿って回折格子周期に僅かな伸び縮みの変化を与えている。
【００１４】
図５は本発明の導波路型光アイソレータの第２の実施の形態の構成を示す図である。図５（Ａ）は導波路型光アイソレータ１０１の平面図、（Ｂ）、（Ｃ）は側面図である。正方形断面のコア１０５が一側面を空気１０７に露出させ、３側面をクラッド１０６に覆われて、平面内でＳ字形状に湾曲して形成されている。前記コア部、クラッド部、空気のそれぞれの屈折率をｎcore、ｎclad、ｎair とすると、これらの大小関係は、ｎcore＞ｎclad＞ｎair である。この導波路は、通常の誘電体成膜技術、リソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて製作することができる。導波路製作後第１の実施形態と同様、２光束干渉させた紫外光を照射することによって、単一周期の回折格子１１２をコア部のみに作り込んでいる。ここでは、Ｓ字形状を描くように曲げてあるコア部の曲げの曲率は、コア部を透過する導波光が曲げによって放射損失を生じない範囲の曲率である。
【００１５】
次に、この第２の実施形態の光アイソレータの動作を説明する。
光導波路コア部１０５の左端からレーザ光を右進行光１１０として入射する。コア中を進行した右進行光１１０は、コア中に形成されている回折格子１１２に進入する。回折格子１１２は単一周期で、コア部の変曲点における光軸１２１とθ傾いて形成されている。光透過方向に沿って光軸と回折格子１１２とは異なった角度をなしている。このため右進行光１１０が強くブラッグ回折を受ける光軸上の位置は、入射光の波長や使用しているコア部１０５の屈折率や断面サイズによって微妙に異なり、右進行光１１０は、光進行方向においてブラッグ整合条件が満足される適切な曲率の湾曲箇所で、空気中へ回折光１３０となってほぼ全エネルギーが回折され、コア部１０５の右端までは到達しない。
一方、コア部１０５の右端から右進行光１１０と同一波長のレーザ光が左進行光１２０として入射すると、コア部１０５を進行した左進行光１２０は、コア中に形成されている回折格子１１２に進入するが、左進行光１２０は、ブラッグ条件が満たされないため回折格子１１２によって回折は受けず、ほぼ全エネルギーをコア部１０５の左端に到達させる。
このようにして、光ファイバ１は、進行方向によって光導波路を透過する光強度が大幅に異なる光アイソレータ動作を行うが、本発明の導波路型光アイソレータの特徴は、回折格子１１２の格子周期Λと、回折格子１１２の波数ベクトルの方向とコア部の変曲点における光軸との間のなす角度θが予め適切に設定されており、加えてコア部１０５を湾曲させてあるために、入射レーザ光の波長が変動またはばらついても、光進行方向において波長に応じた曲率の湾曲箇所から空気中へ回折光１３０となってほぼ全エネルギーが回折させる点にある。
【００１６】
本発明の光アイソレータの第２の実施形態における、回折格子（｜Ｋ｜、∠θ）の設定方法について説明する。
ここにおける設定方法は、前述の２）の設定方法、すなわちΔ｜Ｋ｜＝０の下で、Δθが最小となる条件を求め方法である。設定の手順を図６に示す。図６は、図４のグラフの見方を変えたものである。
図６において、図４と同様に導波路コア部の変曲点において、放射光の放射角度φが光軸に垂直となるように回折格子の波数Ｋを、波数が最大となる波長の入射光（又は多モード導波路であれば最低次のモード、すなわちｋ＝ｋcore）に対して定め（ステップｇ：Ｋ＝Ｋcore）、これに対応するθcore（すなわち格子と光軸との成す角度）を決定する（ステップｈ）。Ｋ＝Ｋcore一定下で、入射光の波数ｋを、ｋ＝ｋcoreからｋ＝ｋcladに遷移させたとき（ステップｉ）のθcladを求める（ステップｊ）。
コア部が湾曲していない変曲点では、Ｋ＝Ｋcore、θ＝θcoreとなるように格子の周期と光軸に対する角度を定める。コア部が湾曲した部位ではθ＝θcladとなるようにコア部の湾曲を決定する。このように、波数が最大となる波長の入射光（又は多モード導波路あれば最低次のモード）に対して、回折光の放射方向がコア部の変曲点における光軸に対して垂直になるように回折格子の周期Λと角度θを選び、回折格子とコア部光軸との間の角度を或る程度光軸に沿って微小な分布（Δθ）を持たせるように、コア部を湾曲させて製作することによって、入射光の波長の変動や波数の分散を吸収して広波長幅ないしは広波数幅（多モード）で光アイソレータを動作させることが可能である。
このことは、光導波路の境界条件が軸対称でないため、コア部を伝わるＴＥ波とＴＭ波とで伝搬波数が多少異なっても、光軸と回折格子との成す角が分散して設けられているため、整合条件のあったコア部の曲率位置で双方とも回折されるので、偏光無依存の特性が得られることを意味する。
【００１７】
本第２の実施形態は、用いる材料を光半導体とすることもでき、この場合には、結晶成長技術に公知の選択成長法を用いることによって、半導体レーザとモノリシック集積された光アイソレータを実現することができる。
【００１８】
尚、上記の２つの実施形態では、回折の整合条件は、実施例では屈折率が低いクラッド部へ放射するような条件で説明しているが、屈折率が高い方のクラッドへ回折光を放射する条件に選んでもよい。
【００１９】
また、上記の説明では、屈折率の異なる２つのクラッドの一方を空気としたが、
他方のクラッドより屈折率が小さければよい。例えば他方のクラッドが石英であれば、それより屈折率の小さいフッ素化樹脂等を用いて覆ってもよい。
【００２０】
また、コア部の光伝搬方向への形状をＳ字形状に設定してあるが、入射光の進行方向と出射光の進行方向を同一にし、素子の組立実装を容易化するためであって。設計原理で示したとおり、単なる円弧や楕円弧等の２次曲線の一部があればよく、必ずしもＳ字である必要はない。
【００２１】
また、用いる導波路材は、石英系やガラス系の材料だけではなく、樹脂等のプラスティック系の材料でも良く、この場合、回折格子の形成には紫外線照射によるカラーセンターの発生のみならず、さらに短波長のシンクロトロン放射光の照射による高分子の主鎖の切断を利用して形成する方法も用いることができる。
や高分子
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の導波路型光アイソレータは、波数が最大となる波長の入射光（又は多モード導波路であれば最低次のモード）に対して、回折光の放射方向が光軸に対して垂直になるように回折格子の周期Λと角度θを選び、光導波路の湾曲による弾性変形によって回折格子の周期に或る程度光軸に沿って微小な分布（ΔＫ）を持たせることによって、入射光の波長の変動や波数の分散を吸収して広波長幅ないしは広波数幅（多モード）で光アイソレータを動作させることができる。
また、波数が最大となる波長の入射光（又は多モード導波路あれば最低次のモード）に対して、導波路のコア部の光伝搬方向の或る特定の点において、回折光の放射方向が光軸に対して垂直になるように回折格子の周期Λと角度θを選び、回折格子とコア部光軸との間の角度を或る程度光軸に沿って微小な分布（Δθ）を持たせるように、コア部を湾曲させて製作することによって、入射光の波長の変動や波数の分散を吸収して広波長幅ないしは広波数幅（多モード）で光アイソレータを動作させることができる。
これにより、従来の磁気光学効果等の非相反光効果を有する材料や磁石等を特に用いることなく構成簡便で生産性に優れ、伝送通信用単一モード光ファイバのみならず高出力レーザ光伝送用光ファイバや各種の多モード光ファイバに適用できる優れた光アイソレータが実現できる。
また、磁気光学結晶を用いていないため、紫外光から赤外光まで広いスペクトル範囲の光アイソレータを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導波路型光アイソレータの第１の実施形態の構成を説明する図である。
【図２】本発明の導波路型光アイソレータの非可逆光透過特性を説明する図である。
【図３】本発明の導波路型光アイソレータの第１の実施形態の動作を説明するためのパラメータの構成を示す図である。
【図４】本発明の導波路型光アイソレータの第１の実施形態の動作を説明するための図である。
【図５】本発明の導波路型光アイソレータの第２の実施形態の構成を説明する図である。
【図６】本発明の導波路型光アイソレータの第２の実施形態の動作を説明するための図である。
【符号の説明】
１    光ファイバ
１ａ    コア
１ｂ    クラッド
１０    右進行光
１２    回折格子
２０    左進行光
３０    放射光
１０１    導波路型光アイソレータ
１０５    コア
１０６    クラッド
１０７    空気
１１０    右進行光
１１２    回折格子
１２０    左進行光
１３０    回折格子
１４０    放射光
【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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