JPH04230730A - 光学装置、少なくとも２つの光学システムを製造する方法、および光学システムを使用する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、薄膜偏光面回
転子を備えた光ファイバ通信システムおよび大容量の光
学的記憶装置などの光学システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】光学システムにおいて、例えば反射光が
レーザに再入射するのを防ぐために、直線偏光を回転さ
せるファラデー効果を用いる光アイソレータが、都合よ
く利用される。特に、小型化された集積光学素子への統
合が予想される場合、薄膜導波路光回転素子が、好都合
である。

【０００３】プレーナ磁化を利用する薄膜導波素子が、
実際に作られている。このような素子には、例えば、（
緊密に格子整合した）ガドリニゥム・ガリウム・ガーネ
ット（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２，ＧＧＧと称する）の基板上
にエピタキシャル成長させたＹＩＧの磁化層を備えてい
る。これらの素子の可能性は魅力的であるが、直線複屈
折の影響を受けやすく、その影響を受けると、反射光は
完全には阻止されなくなる。従って、薄膜磁化導波素子
における直線複屈折の影響は、それらの使用に対する重
大な障害となる。

【０００４】例えば、ＹＩＧの薄膜において見られる直
線複屈折を引き起こす要因が発見された。注意深く設計
することによって、種々の複屈折源を用いて互いに相殺
させ、実質的に直線複屈折がゼロとなるようにすること
ができる。

【０００５】例えば、応用物理学ジャーナル（Ｊ．Ａｐ
ｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ．）（１９８８年）の第６３巻、
ｐ．３０９９〜ｐ．３１０３のアール・ウルフ（Ｒ．Ｗ
ｏｌｆｅ）他による「磁気光学導波素子のための直線複
屈折がゼロの薄膜ガーネット材料（Ｔｈｉｎ−Ｆｉｌｍ
　Ｇａｒｎｅｔ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈ　Ｚｅｒ
ｏ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ　ｆｏ
ｒ　Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
　Ｄｅｖｉｃｅ　（Ｉｎｖｉｔｅｄ））」には、本質的
にゼロの最終的な直線複屈折を実現する、つまり約０．
１に等しいか、それ以上の無次元のＢ／Ｆ比を達成する
薄膜の導波性の偏光回転子を作る方法が説明されている
。Ｂ／Ｆ比は、ファラデー回転に対する複屈折の割合を
表す。Δβ＝２πΔｎ／λで、ΔβがＴＥおよびＴＭ成
分からみた屈折率の差を示し、λが光の波長を示す場合
、ＢはΔβ／２に等しい。物理的には、Δβは、（最終
的な複屈折によってもたらされる）膜の単位長さ当たり
のＴＥ成分とＴＭ成分との間の位相差であり、例えば、
センチメートル当たりのラジアンの次元を有する。Ｆは
、膜の単位長さ当たりのファラデー回転を表す。Ｆは、
例えばラジアン／ｃｍのようにΔβと同じ単位で表され
る。

【０００６】ウルフらの方法によって、所与の温度およ
び所与の波長における直線複屈折を薄膜磁性導波路から
本質的に除去することができる。さらに、導波路が、非
相互的な材料から構成されている場合、アイソレータな
どの有用な非相互的光学素子が容易に作られる。（光学
要素が、反対方向に伝播する光束を、同じ方向ではある
が必ずしも等しくない量だけ回転させるばあい、その素
子は非相互的（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）である
と言う。）しかし、実際には、導波路を波長および温度
のある範囲で動作させる必要があるので、導波路におけ
る小さいが無視できない量の直線複屈折は許容する必要
がある。

【０００７】応用物理学便り５６（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ
．Ｌｅｔｔ．５６）、１３０２（１９９０年）のエィチ
・ダマン（Ｈ．Ｄａｍｍａｎｎ）による「位相不整合を
有する４５゜導波路アイソレータ（４５°Ｗａｖｅｇｕ
ｉｄｅ−Ｉｓｏｌａｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　Ｐｈａｓｅ　
Ｍｉｓｍａｔｃｈ）」には、直線複屈折のみならず磁気
循環複屈折が存在する状況下で有用な光アイソレーショ
ンを達成する薄膜光アイソレータを使用する方法が説明
されている。直線複屈折が存在しても、そのような導波
路に直線偏光状態で入った光は、導波路の中間点におい
て偏光楕円の主軸が導波路の主表面に平行か垂直である
限り、常に直線偏光状態にあることにダマンらは気付い
た。（ここでは、この条件をダマン条件と称する。）直
線複屈折を有する磁性材料は、非相互的ではあっても、
一般に、反相互的ではない点に意味がある。結論として
、順方向に伝播する光に対してダマン条件を満たす非相
互的な導波路を容易に与えることはできるが、一方に進
む光束とその反射（逆方向に伝播する）光束は、一般に
、ダマン条件を同時には満足しない。

【０００８】従って、例えば、ダマンの原理を用いる光
アイソレータは、光学的に４５°回転する非相互的な導
波路を与えることによって都合良く作られる。説明のた
めに、直線偏光が、（０°に相当すると考えられる）Ｔ
Ｅモードの方位から６７．５°傾いた入力偏光子を通し
て前記のような導波路に入り、２２．５°に傾いた出力
偏光子を通して出るものと仮定する。実際のアイソレー
タでは、仮に順方向に損失を受ける犠牲を払っても、逆
方向に逃げる反射光の量を最小にすることが一般に重要
である。反射光が（ＴＥ軸に対して６７．５°の傾きを
有する）入力偏光子によって最大限に阻止されることを
保証するために、順方向に伝播する光ではなく、その反
射光の方がダマン条件を満たすように、導波路が設計さ
れる。

【０００９】つまり、一般に、順方向に伝播する光は、
楕円偏光状態で出力偏光子に達する。この光の一部は、
出力偏光子によって分解されて送られる。逆方向に伝播
する光（即ち、光路における不連続によって反射された
光）は、出力偏光子を通り抜け、２２．５°の直線偏光
として出る。この光がダマン条件を満たす。つまり、導
波路の中間点において、偏光楕円が０°の主軸を有し、
その光は、ほぼ−２２．５°偏光されて入り口の偏光子
に達する。この光は、入力偏光子によって完全に阻止さ
れ、逆方向は本質的に完全に消滅する。

【００１０】導波路における直線複屈折の量が比較的少
なければ、出力偏光子に入射する順方向に伝播する光は
、その出力偏光子によって伝播可能な成分を比較的多く
持つことになるので、その導波路は、実用的な光学的ア
イソレータとして有用である。しかし、直線複屈折が多
くなるほど、出力偏光子における損失も、大きくなるよ
うである。

【００１１】直線複屈折が波長および温度に影響されや
すいことは周知であるため、これまでダマンらの方法は
、注意深く制御された狭い温度範囲と本質的に単一の光
学波長とにおける動作に対してのみ有効であると信じら
れてきた。

【００１２】磁性薄膜光アイソレータ上の温度の影響が
、例えば、電子工学便り（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌ
ｅｔｔ．）（１９８９年）第２５巻、ｐ．２９７のジェ
ィ・ピー・カステラ（Ｊ．Ｐ．Ｃａｓｔｅｒａ）他によ
る「導波路温度の制御による磁気光学ＹＩＧ薄膜におけ
る位相整合（Ｐｈａｓｅ　Ｍａｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　Ｍ
ａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃ　ＹＩＧ　Ｆｉｌｍｓ　ｂｙ
　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｔｅｍｐｅｒｔｕｒｅ　Ｃｏｎ
ｔｒｏｌ）」に説明されている。直線複屈折の応力によ
って誘導される成分を変えるために温度を用いることに
よって本質的にゼロの直線複屈折に調節することができ
導波路アイソレータの構成がカステラによって報告され
ている。複屈折が温度の影響を受け易いことから、前記
のように調節された素子は温度の安定が必要となること
がカステラの報告にあるが、これは重要なことである。 例えば、３０ｄＢの安定なアイソレーションを達成する
には、温度を２℃の範囲内に維持しなければならない。

【００１３】前記のようなアイソレータの波長感度につ
いては、例えば、応用物理学便り（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ
．Ｌｅｔｔ．）（１９９０年）第５６巻、ｐ．４２７の
アール・ウルフ（Ｒ．Ｗｏｌｆｅ）他による「Ｅｔｃｈ
−Ｔｕｎｅｄ　Ｒｉｄｇｅｄ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｍ
ａｇｎｅｔｏ−ＯｐｔｉｃＩｓｏｌａｔｏｒ（エッチン
グを調節して畝（リッジ（ｒｉｄｇｅ））付けした導波
路磁気光学アイソレータ）」によって説明されている。 エッチング調節をした導波路アイソレータに純粋なＴＥ
光を注入すると、アイソレーション比が、１．５４５μ
ｍの調整波長において−３５ｄＢという理想的な値から
、１．４５μｍで−１６ｄＢというはるかに望ましくな
い値へと変化したとウルフは報じている。このように、
複屈折が波長に敏感であるため、０．１μｍ足らずの波
長範囲でアイソレーション比が大きさで１９ｄＢだけ下
がった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、光学システムにおいて広範囲の波長および温度にわ
たって優れた逆光の分離と穏当な順方向の損失とを得る
ことである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記の課題は、薄膜磁気
光学アイソレータをダマンの方法によって動作させるこ
とにより実現できることを発見した。

【００１６】従って、１つの実施例においては、本発明
によって、ＴＥまたはＴＭ方向に対し約６７．５°傾い
た入力偏光子と約２２．５°傾いた出力偏光子とを有す
る薄膜磁気光学アイソレータを用意し、そのアイソレー
タを少なくとも約０．０５μｍは隔てた少なくとも２つ
の波長で用いる。最低０．０５μｍの波長範囲は、波長
分割多重光信号の通信との関連において役立つため、こ
の点は有意義である。

【００１７】もう１つの実施例では、約２０゜Ｃ以上に
及ぶ温度動作範囲の低い方の温度端の近くで第１の波長
において本質的にゼロの直線複屈折を有するようにさら
に調節されたアイソレータを使用する。

【００１８】

【実施例】図１に示したポアンカレ球として周知の視覚
表現を参照して、次の説明を簡単にする。ポアンカレ球
は、光波の偏光状態を球の表面に写像したものである。 光波が、例えば非吸収性で複屈折性の導波路を伝播する
時の偏光状態の変化が、ポアンカレ球の表面の軌跡によ
って都合良く表される。

【００１９】ポアンカレ球の表面において、赤道上の点
は直線偏光状態を表し、０°（純粋なＴＥ）を表す点が
９０°（純粋なＴＭ）を表す点に対し直径にそった正反
対の位置にある。極は円偏光を表し、その他の点はすべ
て楕円偏光状態に対応する。磁化が光の伝播の順方向に
平行な場合、点Ｍ＋は、２つの導波路固有モードのうち
の速い方に対応する。逆に、点Ｍーは、磁化が伝播の順
方向と逆平行（正反対）の場合に、速い方の固有モード
に対応する。（このように、材料が有限のファラデイ回
転によって特徴付けられても、ゼロの直線複屈折ならば
、Ｍ＋は北極にあることになる。）（損失のない導波路
における）偏光状態の進展（変化）を表す軌跡は、何れ
も、Ｍ＋またはＭーを中心とした時計回りの回転の球の
表面上の弧である。

【００２０】このように、前記の典型的な光アイソレー
タにおいて、点Ａは、順方向に伝播する光の入力偏光を
表す。経路ＡＢは、入力偏光子から出力偏光子までの光
の進展を表す。弧ＢＣの長さは、順方向の過剰な損失（
即ち、その導波路における固有の損失には起因しない偏
光の影響による順方向の損失）を示す。経路ＣＤは、逆
方向に伝播する光を表す。経路ＣＤの中間点が０°の子
午線上にあり、従ってダマン条件が満たされていること
に特に注意を要する。結果として、逆方向に伝播する光
は、入力偏光子によって完全に阻止される純粋な直線偏
光の状態で点Ｄに到達する。この例では、経路ＡＢおよ
び経路ＣＤは、ともに点Ｍ＋の回りの時計回りの回転の
上にある。

【００２１】光アイソレータの他の特性もポアンカレ球
を参照することにより明確になる。例えば、図２におい
て、出力偏光子の２２．５°の傾き（点Ｃ）は、最適で
はあるが、唯一ではない。つまり、２２．５°から数度
離れた別の傾きを選ぶことも可能である。このような傾
きは、例えば、点Ｃ´によって表すことができる。この
ような場合、ダマン条件は依然として満たされており、
本質的に完全な逆光分離が依然として達成されており、
逆方向に伝播する光が入力偏光子に達したときのその偏
光状態を表す所与の点Ｄは、点Ｄ´へと対象的な変位を
経る。入力偏光子は点Ｄ´によって表される偏光に直角
でなければならないので、対応して点Ａを点Ａ´へと転
換させる必要がある。その結果、示したような例におい
ては、入力の偏光角は６７．５°より幾分大きく、アイ
ソレータにおける総体的な回転は４５°より幾分小さい
。入力状態も回転も共に変わるので、点Ｂ（順方向に伝
播する光が完全に回転した状態を表す）の点Ｂ´への転
換は、ここで説明した他方の対応する転換の２倍の角度
の大きさを有する。ＢＣに対して増加した弧の長さＢ´
Ｃ´は、これらの転換によって引き起こされた順方向の
増加した過剰の損失を表す。点Ｃの時計回りの転換また
は反時計回りの転換の何れかによって、順方向の過剰な
損失が増加することは同図より容易に明らかである。 この意味において、２２．５°の選択が最適である。 （正または負の何れかの方向に）約５°までの変化を、
抑制力のある順方向の過剰な損失を受けることなく、実
施することができる。

【００２２】経路ＣＤに対応する完全な４５°の回転に
必要な導波路の全長は、ここではＬ４５で示し、理論的
に次式によって与えられる。

【数１】 前記のように、Ｂ＝Δβ／２である。

【００２３】図３について説明する。本発明の好ましい
実施例は、例えば、応用物理学ジャーナル（Ｊ．Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓ．）（１９８８年）の第６３巻、ｐ
．３０９９におけるアール・ウルフ（Ｒ．Ｗｏｌｆｅ）
他、および他応用物理学便り（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．）（１９９０年）第５６巻のｐ．４２７におけ
るアール・ウルフ（Ｒ．Ｗｏｌｆｅ）他によって説明さ
れているようなエッチングによって調節したリッジ導波
路アイソレータを含む。この導波路は、単一ＴＥモード
および単一ＴＭモードを使用できるように設計された調
整されたビスマス＝イットリウム・イオン・ガーネット
（Ｂｉ−ＹＩＧ）の３層膜である。これらの層は、例え
ば、（１１１）方向のＧＧＧ基板上に液相エピタキシー
という従来の方法によって成長させる。最下層２０をモ
ード除去層として作用させる（即ち、最低次のＴＥモー
ドとＴＭモード以外のモードをすべて吸収させる）ため
に、最下層２０には高い光学損失を与える。具体的には
、最下層にコバルトを添加し、例えば、約１．５μｍの
選択された動作波長に近い吸収ピークを有する３つの希
土類元素でイットリウムを置換する。それらの希土類元
素は、プラセオジム、サマリウム、およびエルビウムで
ある。この層の公称組成は、（Ｂｉ０．５Ｅｒ１．４Ｓ
ｍ０．７Ｐｒ０．４）（Ｆｅ４．０Ｃｏ０．２Ａｌ０．
８）Ｏ１２である。

【００２４】中間の層３０および最上層４０は、公称組
成（Ｂｉ０．５Ｙ２．５）（Ｆｅ３．７Ｇａ１．３）Ｏ
１２を有する低損失層である。これらの層には、酸素の
空格子点によって部分的に補償されたカルシウムが添加
されるため、それらの成長過程で引き起こされる単軸異
方性は、適度の温度（例えば、１０５０°）でアニーリ
ング（焼なまし）することによって解消できる。最上層
におけるビスマスの濃度は、中間層における濃度より高
いため、最上層の屈折率は中間層より約０．５％だけ増
加することになる。最上層および中間層はそれぞれ約３
．４μｍの厚さである。

【００２５】最上層の表面をリン酸中でエッチングする
ことにより、導波路における複屈折は約１．５μｍの波
長でゼロにまで減少する。導波チャネルを与えるために
導波路の表面に少なくとも１つの畝（リッジ）５０をエ
ッチングにより形成する。つまり、フォトレジスト・パ
タンによって導波路にシリコン・イオンを植え付ける。 フォトレジストが取り除かれ、導波路がリン酸中でエッ
チングされる。植え付けられた領域のエッチング速度は
、植え付けしていない領域に比べて１０００倍ほど速く
なる。リン酸のエッチングにより、例えば、幅８μｍで
高さ０．５μｍのリッジが少なくとも１つは残される。 １本または複数のリッジが、＜１１２＞の方向に沿って
配列される。＜１１２＞は、薄膜の（１１１）平面にお
いて最も磁化され易い方向の１つである。リッジの形成
後、導波路の最上部表面に厚さ７００オングストローム
のＳｉ３Ｎ４層を堆積させることによって、導波路は１
．５４５μｍにおいてゼロ直線複屈折に再調節される。

【００２６】例として前記のように作られた導波路にお
いて観察されるファラデー回転は、約１３３°／ｃｍで
ある。４５°回転子を作るために、導波路を３．４ｍｍ
の長さに切断し、角６０および７０には、仕上げを行い
、反射防止コーティングを施す。

【００２７】有用な光は、ＴＥまたはＴＭの方向から約
２２．５°回転した主軸を有する偏光面保持光ファイバ
によって与えられる。その偏光は、ファイバから導波路
へと端面放射結合される。または、このようにする代わ
りに、ファイバ自体を、ＴＥまたはＴＭの方向から２２
．５°傾いた偏光ファイバとすることも可能である。

【００２８】同様に、入力ファイバの主軸から（光回転
方向に）４５°回転した主軸を有する偏光面保持光ファ
イバ（図示せず）によっても有用な光が与えられる。 （入力ファイバの主軸がＴＥ方向から２２．５°傾いて
いる場合、出力ファイバの主軸はＴＭ方向から２２．５
°傾き、逆の場合も有り得ることに意味がある。）例え
ば、光は、リッジ導波路からファイバに直接結合され、
そのファイバの遠端に出力偏光子が置かれる。このよう
にする代わりに、偏光ファイバを使用することも可能で
ある。

【００２９】導波路を磁気的に飽和させるに十分な強度
を有し伝播方向に平行な磁界を、例えば永久棒磁石また
は電磁気コイルを用いて印加する。一般に、３０Ｏｅの
磁界強度が使用される。

【００３０】本明細書では逆光分離率（ＲＩＲ）と称す
る導波路に対する評価に役立つ数、によって、光アイソ
レータとしての効率が記述される。つまり、入力偏光子
によって送られる逆方向に伝播する光の強度をＩｏｕｔ
ｒｅｖによって表すとする。この場合、ＲＩＲは、逆光
の減衰であり、反射またはその他の原因によってアイソ
レータに入って送られる逆方向に伝播する光の関数とし
て表されるＩｏｕｔｒｅｖに等しい。つまり、ＲＩＲ＝
Ｉｏｕｔｒｅｖ／Ｉｉｎｒｅｖただし、Ｉｉｎｒｅｖは
、アイソレータに逆方向に入る光の強度を表す。理想的
な場合には、逆方向に伝播する光は全く送られない。こ
れに相当するＲＩＲの値はゼロ、または「負の無限大」
デシベル（ｄＢ）である。実験的に測定しｄＢで表した
値は、負であり、役に立つ導波路に対しては、約−１０
ｄＢ以下（即ち、さらに負）であることが望ましく、約
−２０ｄＢ以下であればより好ましい。

【００３１】導波路の評価に役立つ第２の数は、本明細
書において順方向消滅率（ＦＥＲ　＝ｆｏｒｗａｒｄ　
ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ）と称して、順方向
の過剰損失の尺度として使用する。つまり、導波路にお
いて、例えば散乱および吸収のために固有の損失を受け
て導波路を順方向に出るが順方向の過剰な損失は受けて
いない光束の強度をＩｉｎｈと表すことにする。同じ光
束が、さらに順方向の過剰損失を受けている場合、相当
する強度をＩｆｗｄと表す。すると、ＦＥＲは、順方向
の過剰損失であり、Ｉｉｎｈの分数として表される。つ
まり、 ＦＥＲ＝（Ｉｉｎｈ−Ｉｆｗｄ）／Ｉｉｎｈである。順
方向に伝播する光束には固有損失のみが存在し、結果的
にＦＥＲがゼロに等しい（または「負の無限大」ｄＢ）
ことが理想である。可能な最悪の場合は、順方向の伝送
が全く無く、ＦＥＲが１（または０ｄＢ）である。有用
な導波路に対しては、ＦＥＲは、高くても−１ｄＢ程度
が望ましく、−３ｄＢ程度以下が好ましい。

【００３２】前記の評価の数値は、共に次に説明する方
法によって容易に測定される。

【００３３】従来の技術の一般的理解に反して分かった
ことであるが、前記のように作られた光アイソレータは
、一般に約１．４３０μｍ（即ち、Ｂ＝０に対する典型
的な調整波長より０．１１５μｍ低い値）から約１．５
８０μｍ（即ち、典型的な調整波長より約０．０３５μ
ｍ高い値）にまで及ぶ少なくとも０．１５μｍ程度のス
ペクトル範囲にわたって−３０ｄＢを下回るＲＩＲ値お
よび−１０ｄＢを下回るＦＥＲ値を示すことが可能であ
る。同じアイソレータに対する役に立つ範囲は、少なく
とも０．２５μｍの大きさがあり、１．３μｍと１．５
５μｍの両方を含むことができるが、これらは、光通信
にとって現在最も重要な２つの波長である。有用な範囲
を予測するための理論的根拠は、例えば、応用物理学便
り（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）（１９９０年）
第５６巻のｐ．４２７においてアール・ウルフ他によっ
て説明されている。

【００３４】Ｌ４５は、波長の変化と共に変化し、調整
波長のみにおいて導波路の長さに等しいので、各波長に
おいてＲＩＲの最良の値を得るために、波長が変更され
る度に出力偏光子をさせる方が一般に望ましい。出力偏
光子を回転させない場合、一般に、（恐らくは許容可能
ではあっても）あまり好ましくないＲＩＲ値が得られる
。

【００３５】何れの波長においてもＢ＝０となるように
調整されていない導波路アイソレータの少なくともいく
つかに対してさえも、同様に広い有用なスペクトル範囲
が期待されることに注意を要する。つまり、次の条件さ
え満たされれば、中心波長の回りに少なくとも０．２μ
ｍ程度の有用な範囲が期待される。条件は、１）導波路
がＴＥまたはＴＭ方向に対し約２２．５°の入力偏光を
有すること、２）導波路が中心波長において逆方向に伝
播する光に対しダマン条件を満たすこと、および３）（
ダマン条件が確実に満たされる）中心波長において、Ｂ
／Ｆ比が約１以下であることである。

【００３６】Ｌ４５の波長への依存関係が、互いに部分
的に補償し合う傾向にある少なくとも２つの別個の影響
を受け易いために、出力偏光子を回転させなくても導波
路アイソレータを使用できるような波長範囲が存在する
。 第１に、ファラデー計数Ｆは、波長の増加と共に減少す
る傾向がある。この影響の結果のみであれば、波長が増
すとＬ４５が増大することになる。第２に、Ｆが一定の
値であれば、直線複屈折率Ｂが大きくなると、Ｌ４５は
小さくなる傾向がある。固定長の導波路において、例え
ば、波長範囲のうちの最低の波長というような、波長範
囲の波長の短い方の端へと導波路をエッチング調整する
ことによって、前記の影響をある波長範囲にわたって少
なくとも部分的に相殺させることが可能である。波長が
増大するにつれて、Ｆが減少し、Ｂが増大するため、Ｌ
４５は導波路の固定された長さに近いままである。この
ように、同一のアイソレータを異なる波長において別々
に使用できるだけでなく、単一の信号や多数の波長から
なる信号の組み合わせを同時に有効に送ることも可能で
ある。前記のように、そのような伝送に有効な波長の範
囲は、最低０．０５μｍ程度である。そのような多重波
長伝送は、波長分割多重化信号伝送との関連において特
に有用である。

【００３７】さらに、複屈折率は、波長のみならず温度
と共に変化する。例えば、ここで説明したものと類似の
導波路アイソレータが、Ｂ＝０となるように調整された
温度が３０℃であるが、この導波路アイソレータが３０
℃以上に熱するか、または３０℃以下に冷やすかされる
と、例のアイソレータにおけるＢは、（調整波長におけ
る）０から約９０°／ｃｍまで増大し、順方向の過剰損
失は１ｄＢとなる。（例えば、電子工学便り（Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔ．）（１９８９年）第２５巻
、ｐ．２９７のジェィ・ピー・カステラ（Ｊ．Ｐ．Ｃａ
ｓｔｅｒａ）他による「導波路温度の制御による磁気光
学ＹＩＧ薄膜における位相整合（Ｐｈａｓｅ　Ｍａｔｃ
ｈｉｎｇ　ｉｎ　Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃ　ＹＩＧ
　Ｆｉｌｍｓ　ｂｙ　Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｔｅｍｐｅ
ｒｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）」を参照のこと。）１ｄ
Ｂは一般に許容できる損失なので、この導波路アイソレ
ータの有効温度範囲は、少なくとも６０℃の広さとなり
得る。

【００３８】Ｆの温度依存関係を利用することによって
、さらに広い温度範囲にわたって良好な逆光分離を達成
することができる。つまり、温度が上昇すると、Ｆは一
般に減少する。従って、導波路をそれが使用されるべき
温度範囲の下端に調節した場合、その範囲内の他の何れ
の温度も、Ｆのより小さい値およびＢのより大きい値に
対応する。前記の波長補償の説明と同様に、これらの温
度の影響は、ある温度範囲にわたってＬ４５の値を導波
路の固定された長さに近付けておくように、少なくとも
部分的に補償し合う。ここで述べる導波路においては、
そのような温度範囲は、６０℃以上もある。温度の安定
性がない場合、光アイソレータの温度は一般に２０℃以
上変動する。従って、特に、有用な温度補償アイソレー
タを作るためには、２０℃以上に及ぶ温度動作範囲を予
め決定し、さらにその範囲の下限近くの温度、例えば、
その温度範囲の最低温度からその範囲の約１０％未満だ
け異なる温度において導波路を調整するようにする。

【００３９】さらに、この温度補償効果により、穏当な
温度範囲にわたり逆光分離を伴った動作が出力偏光子を
回転させること無く可能となる。

【００４０】要約すれば、（ＴＥまたはＴＭに対し）２
２．５°の入力偏光子を有する調整済みの導波路アイソ
レータは、直線複屈折をゼロに完全に調節しなくても役
に立つと言うことである。結論として、単一基板（例え
ば、ＧＧＧのウェファー）を用いて、例えば、１．３μ
ｍと１．５５μｍの両方を含むかなりの範囲にわたって
異なる波長で動作が可能なアイソレータを作ることがで
きる。そして、その基板は、（例えば、少なくとも２つ
の本質的に同じ導波路部分に）分割し、さらに入力およ
び出力の偏光子を追加して、少なくとも２つのアイソレ
ータを形成することができる。それらの２つのアイソレ
ータは、それぞれ別個の光源を備えることができ、それ
らの光源は、少なくとも０．０５μｍは異なる波長（例
えば、前記のような１．３μｍと１．５５μｍの波長）
をそれぞれ与える。必須ではないが、入力および出力の
偏光子の相対的な向きを調節して、それぞれの波長にお
いて最良の逆光分離を与えるように調節することが可能
である。このような素子は、それそれ、波長および温度
の実用的な動作範囲にわたって良好な逆光分離と適度の
順方向過剰損失とを持つことができる。さらに、波長お
よび温度の動作範囲は、波長および温度の補償現象を利
用するように導波路を設計することにより、さらに広く
拡張することが可能である。

【００４１】実　　例 エッチング調整によるリッジ導波路アイソレータを前記
のとおりに作製した。１．４３μｍから１．５８μｍま
で調節可能なカラー・センタ・レーザからの光を偏光面
保持ファイバを通して前記の導波路に端面放射結合した
。 ファイバの主軸を導波路の平面から２２．５°だけ回転
させ、レーザからの直線偏光が図１のポアンカレ球上の
点Ｃに対応する状態で導波路に入るようにした。実験的
に証明するために、光は、導波路中を逆方向のみに伝播
させた。順方向の伝播をシミュレートするために、印加
磁界を周期的に逆にした。つまり、伝播方向に平行な磁
界によって、偏光状態がポアンカレ球の経路ＣＤをたど
った。逆方向の磁界では、偏光状態が経路ＣＥをたどっ
た。

【００４２】経路ＣＥは、点Ｍ−の回りの時計方向の回
転である。要約の考察から明らかなように、経路ＣＥは
、経路ＡＢと合同であり、経路ＡＢも点Ｍ−の回りの時
計方向の回転である。従って、弧ＢＣは、弧ＥＡに等し
く、かつ対応する順方向の過剰損失も等しい。

【００４３】グラン＝トムソン・プリズムからなる出力
分析器を備えた。この出力分析器は、特に、−２２．５
°を含む範囲および６７．５°を含む範囲に方向を定め
ることができた。

【００４４】出力分析器を６７．５°に設定することに
よってＲＩＲを測定した。伝播方向に対し平行な磁界と
逆平行（正反対の）な磁界とについて、それぞれ伝送さ
れた光の強度を測定した。逆平行の磁界強度（ポアンカ
レ球上の点Ｅに相当）に対する平行磁界の強度（点Ｄに
相当）の割合としてＲＩＲをとった。

【００４５】ＦＥＲは、出力分析器を−２２．５°に設
定して測定した。やはり、伝播方向に対し平行な磁界と
逆平行（正反対の）な磁界とについて、それぞれ伝送さ
れた光の強度を測定した。平行磁界の強度（ポアンカレ
球上の点Ｄに相当）に対する逆平行の磁界強度（点Ｅに
相当）の割合としてＦＥＲをとった。

【００４６】図４において、中黒の四角は、レーザの調
節可能な範囲にわたって波長の関数として測定されたＲ
ＩＲを表し、中白の四角は、同じ範囲にわたって測定さ
れたＦＥＲを表す。直線複屈折がゼロとなる波長の付近
では、ＲＩＲの測定値は、約−３７ｄＢであり、ＦＥＲ
の測定値は、約−３２ｄＢであったことに注目される。 各波長において、ＲＩＲを最適化するために出力偏光子
を回転させた。測定されたＲＩＲは、利用可能な波長範
囲にわたって、−３２ｄＢか、またはそれより良好であ
った。これらの測定は、実験における散乱光によって制
限されたが、導波路アイソレータの固有の特性によって
は制限されなかった。

【００４７】注目すべき点は、ファイバの予期されない
捻れのためにファイバに固有の直線複屈折に円複屈折の
成分が加わるので、入力ファイバを伝播する光が、直線
偏光と言うよりは楕円偏光だったことである。結果とし
て、導波路アイソレータに入る光の偏光状態は、波長と
共に周期的に変化した。導波路アイソレータに入る光は
、図４においてデータ点によって表された波長において
は直線偏光であったが、それらの点の間では、光は楕円
偏光の状態で導波路に入射した。

【００４８】同図から明らかなように、導波路の直線複
屈折の強度が調整された波長の何れかの側で増加すると
、ＦＥＲは低下した。しかし、検査した最も短い波長に
おいて、−１０ｄＢのＦＥＲは、僅か１０％の順方向の
最大過剰損失に相当する。

【００４９】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考えられるが、それらはいずれも本発明の技
術的範囲に包含される。

【００５０】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、光
学システムにおいて広範囲の波長および温度にわたって
優れた逆光の分離と穏当な順方向の損失とを得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏光状態とその進展（変化）を図式的に表す装
置であるポアンカレ球の透視図であり、ダマンの方法な
どを用いた光アイソレータにおける光の偏光状態の軌跡
を表す。

【図２】図１のポアンカレ球を表し、さらに出力偏光を
２２．５°から逸らした場合の影響を示す。

【図３】光導波路アイソレータの略斜視図である。

【図４】例としてのアイソレータによって達成される分
離率を温度の関数として測定したもののグラフである。 ２つの異なる分離率を示したが、中黒の四角は、逆光分
離率（ＲＩＲ　＝　ｒｅｖｅｒｓｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏ
ｎ　ｒａｔｉｏ）を表し、中白の四角は、順方向消滅率
（ＦＥＲ　＝　ｆｏｒｗａｒｄ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ
　ｒａｔｉｏ）を表す。

【符号の説明】

１０　　基板 ２０　　最下層（モード除去層） ３０　　中間層 ４０　　最上層 ５０　　畝（リッジ）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　（ａ）磁界を印加する印加手段と、前
   記印加手段によって磁界が印加され、入力端、出力端、
   ＴＭ方向、およびＴＥ方向を有し、さらに前記出力端か
   ら前記入力端へと伝播する第１の波長の直線偏光の偏光
   面が、前記出力端において、前記のＴＭ方向またはＴＥ
   方向に対し２２．５°に本質的に等しい角度に方位が設
   定されている場合、第１の温度において前記第１の波長
   の前記偏光を本質的に４５°光回転させるようになって
   いる薄膜光導波手段と、（ｂ）前記導波手段の前記出力
   端に関係付けられていて、前記のＴＭ方向またはＴＥ方
   向に対し本質的に２２．５°で偏光面を生成するように
   設定された光を直線偏光にするための出力偏光手段と、
   前記導波手段の前記入力端に関係付けられていて、前記
   出力偏光手段の偏光面から本質的に４５°の偏光面を生
   成するように設定された光を直線偏光にするための入力
   偏光手段と、（ｃ）前記（ａ）および（ｂ）の結合体に
   光学的に接続された光源とを備え、以上の構成において
   、（ｄ）前記光源からの光に対し前記第１の温度におい
   て、前記（ａ）および（ｂ）の結合体に順方向消滅率（
   ＦＥＲ　＝　ｆｏｒｗａｒｄ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　
   ｒａｔｉｏ）および逆光分離率（ＲＩＲ　＝　ｒｅｖｅ
   ｒｓｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏ）が関係付けら
   れ、前記ＦＥＲが高々−１ｄＢ程度であり、前記ＲＩＲ
   が−２０ｄＢ程度以下であり、さらに（ｅ）前記光源が
   、第２の波長の光を放射し、前記第１の波長が、前記第
   ２の波長と少なくとも約０．０５μｍは異なることを特
   徴とする光学装置。
2. 【請求項２】　　前記入力偏光手段および（または）前
   記出力偏光手段によって生成された偏光面を、前記第２
   の波長において前記ＲＩＲの大きさを最大にすることが
   できるように、回転させる回転手段をさらに備えたこと
   を特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 【請求項３】　　前記導波手段が、前記第１の波長およ
   び前記第１の温度において、本質的にゼロの直線複屈折
   を有するように調整されることを特徴とする請求項１記
   載の光学装置。
4. 【請求項４】　　約０．０５μｍより大きい波長動作範
   囲が予め決定され、前記第１の波長が、前記の波長動作
   範囲の中の最低の波長であることを特徴とする請求項３
   記載の光学装置。
5. 【請求項５】　　（ａ）磁界を印加する印加手段と、前
   記印加手段によって磁界が印加され、入力端、出力端、
   ＴＭ方向、およびＴＥ方向を有し、さらに前記出力端か
   ら前記入力端へと伝播する第１の波長の直線偏光の偏光
   面が、前記出力端において、前記のＴＭ方向またはＴＥ
   方向に対し２２．５°に本質的に等しい角度に方位が設
   定されている場合、第１の温度において前記第１の波長
   の前記偏光を本質的に４５°光回転させるようになって
   いる薄膜光導波手段と、（ｂ）前記導波手段の前記出力
   端に関係付けられていて、前記のＴＭ方向またはＴＥ方
   向に対し本質的に２２．５°で偏光面を生成するように
   設定された光を直線偏光にするための出力偏光手段と、
   前記導波手段の前記入力端に関係付けられていて、前記
   出力偏光手段の偏光面から本質的に４５°の偏光面を生
   成するように設定された光を直線偏光にするための入力
   偏光手段と、（ｃ）前記（ａ）および（ｂ）の結合体に
   光学的に接続された光源とを備え、以上の構成において
   、（ｄ）前記光源からの光に対し前記第１の温度におい
   て、前記（ａ）および（ｂ）の結合体に順方向消滅率（
   ＦＥＲ　＝　ｆｏｒｗａｒｄ　ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　
   ｒａｔｉｏ）および逆光分離率（ＲＩＲ　＝　ｒｅｖｅ
   ｒｓｅ　ｉｓｏｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏ）が関係付けら
   れ、前記ＦＥＲが高々−１ｄＢ程度であり、前記ＲＩＲ
   が−２０ｄＢ程度以下であり、さらに約２０゜Ｃ以上の
   温度動作範囲が予め決定され、前記第１の温度が、前記
   温度動作範囲の中の最低温度とは前記温度動作範囲の約
   １０％より小さい温度だけ異なり、前記導波手段が、前
   記第１の波長および前記第１の温度において本質的にゼ
   ロの直線複屈折を有するように、調整されることを特徴
   とする光学装置。
6. 【請求項６】　　少なくとも２つの光学システムを製造
   する方法において、基板を与えるステップと、前記基板
   上に、磁性薄膜光導波構造を少なくとも１つは形成する
   ステップと、結果的に少なくとも第１および第２の本質
   的に同じ導波路が形成されるように、各部分が、２つの
   端を有し、かつ前記２つの端の間に、前記の一方の端か
   ら他方の端へと伝播する光を約４５°光回転するように
   した導波構造の部分を備えるように前記基板を少なくと
   も２つの部分に分割するステップと、前記第１の導波路
   と前記第２の導波路とに本質的に単色の光をそれぞれ送
   るようにした少なくとも第１と第２の光源を与えるステ
   ップとを備え、さらに前記第１の光源が第１の波長の光
   を発し、前記第２の光源が第２の波長の光を発し、かつ
   前記第２の波長が、前記第１の波長より、少なくとも０
   ．０５は大きいか、または小さいことを特徴とする少な
   くとも２つの光学システムを製造する方法。
7. 【請求項７】　　偏光軸をそれぞれ有し、前記第１およ
   び第２の導波路にそれぞれ入る光を直線偏光にする少な
   くとも第１および第２の入力偏光手段を与えるステップ
   と、偏光軸をそれぞれ有し、前記第１および第２の導波
   路からそれぞれ出る光を直線偏光にする少なくとも第１
   および第２の出力偏光手段を与えるステップと、前記第
   １の入力偏光手段の前記偏光軸を前記第１の出力偏光手
   段の前記偏光軸に対し第１の角度に方位を設定して、前
   記第１の角度が、前記第１の導波路を前記第１の波長で
   逆方向に伝播することにより受ける光回転に±９０°を
   加えた角度に本質的に等しくなるようにするステップと
   、前記第２の入力偏光手段の前記偏光軸を前記第２の出
   力偏光手段の前記偏光軸に対し第２の角度に方位を設定
   して、前記第２の角度が、前記第２の導波路を前記第２
   の波長で逆方向に伝播することにより受ける光回転に±
   ９０°を加えた角度に本質的に等しくなるようにするス
   テップとをさらに備えたことを特徴とする請求項６記載
   の方法。
8. 【請求項８】　　（ａ）磁界を印加する印加手段と、前
   記印加手段によって磁界が印加され、入力端、出力端、
   ＴＭ方向、およびＴＥ方向を有し、さらに前記出力端か
   ら前記入力端へと伝播する第１の波長の直線偏光の偏光
   面が、前記出力端において、前記のＴＭ方向またはＴＥ
   方向に対し２２．５°に本質的に等しい角度に方位が設
   定されている場合、第１の温度において前記第１の波長
   の前記偏光を本質的に４５°光回転させるようになって
   いる薄膜光導波手段と、（ｂ）前記導波手段の前記出力
   端に関係付けられていて、前記のＴＭ方向またはＴＥ方
   向に対し本質的に２２．５°で偏光面を生成するように
   設定された光を直線偏光にするための出力偏光手段と、
   前記導波手段の前記入力端に関係付けられていて、前記
   出力偏光手段の偏光面から本質的に４５°の偏光面を生
   成するように設定された光を直線偏光にするための入力
   偏光手段とを備えた光学システムにおいて、（ｃ）前記
   （ａ）および（ｂ）の結合体に光を伝送して、その伝送
   された光が、前記の（ａ）および（ｂ）の結合体に関し
   て、高々−１ｄＢ程度の順方向消滅率と−２０ｄＢ程度
   以下の逆光分離率とを経るようにする伝送ステップと、
   （ｄ）前記伝送ステップが、少なくとも１つは前記第１
   の波長より少なくとも０．０５μｍは大きいか、または
   小さいような少なくとも２つの伝送波長の光を同時に伝
   送することを含むことを特徴とする光学システムを使用
   する方法。
9. 【請求項９】　　前記光学システムが、光ファイバ波長
   分割多重通信システムを備えたことを特徴とする請求項
   ８記載の方法。