JPH04293004A - アイソレータ機能を有する光導波路 - 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、光伝送システムや光集
積回路に用いられて反射戻り光を抑制するアイソレータ
機能を有する光導波路に関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】光伝送システム等において反
射戻り光を制御する機能を有する代表的なデバイスとし
て、従来より「アイソレータ」が知られている。

【０００３】アイソレータは偏光子及び旋光子を構成要
素とし、光が旋光子を通過する際に、通過方向に依存し
て偏光方向が例えば常に４５°右回転あるいは左回転す
る、ということを動作原理としている。

【０００４】この動作原理をさらに詳言する。例えば偏
光子の角度を直線偏光の入射光が通過する方向に設定し
、該偏光子を通過した光を右回転４５°の旋光子を通過
させるようにする。もし、旋光子の後方からの反射があ
り、この反射光が再び旋光子を通過すると、その偏光方
向が左回転４５°を受けるため、反射光の偏光方向は入
射光に対して９０°回転することになる。そして、この
ように偏光方向が９０°回転した反射光は入口にある偏
光子を通過できない。したがって、反射光が阻止される
ことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来のアイソ
レータは、構成する上で旋光子が不可欠であり、しかも
前述した動作を実現するためには旋光機能をもつ非相反
材料に磁場を与えることが不可欠となる。したがって、
従来のアイソレータは素子寸法が大きくなり、小形化が
困難であった。また、非相反材料を導波路化することが
難かしいので、導波路デバイスとの相性が悪かった。さ
らに、非相反材料は一般的半導体材料とは異なる材料で
あるので、アイソレータとレーザダイオードのモノシリ
ック集積が長年要望されているにもかかわらず、実現で
きなかった。

【０００６】本発明はこのような事情に鑑み、偏光子，
旋光子などの非相反材料を用いず、反射光を阻止する機
能、すなわちアイソレータ機能を有する新規な光導波路
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係るアイソレータ機能を有する光導波路は、単一モ
ードのみを伝搬可能なストライプ状光導波路から構成さ
れ、一端が出力ポートとなる第一の光導波路に対し、こ
の第一の光導波路と比較して等価屈折率が相対的に小さ
く且つ一端が入力ポートとなる第二の光導波路の他端部
が、上記第一の光導波路の他端側と微小角度傾斜した方
向からＹ字状分岐的に結合し、且つ該結合部において第
一及び第二の光導波路のコア領域同士が互いに接した光
移行領域が形成されていることを特徴とする。

【０００８】

【作用】入力ポート、すなわち第二の光導波路の一端か
ら光を入射すると、該第二の光導波路の第二のコア領域
と第一の光導波路の第一のコア領域とが互いに接した領
域において、光は等価屈折率分布の影響を受けて上記第
二のコア領域から相対的に等価屈折率が高い第一のコア
領域へ移行し、出力ポートである第一の光導波路の一端
から出力される。一方、このように出力された光の反射
光が上記出力ポートから入射してきても、該反射光は上
記光移行領域において等価屈折率の大きいコア領域に導
かれて伝搬するので第一の光導波路のコア領域から第二
の光導波路のコア領域へ移行することなく、該第一の光
導波路の他端から出射することになる。したがって、か
かる光導波路はアイソレータ機能を果たしていることに
なる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１０】図１には一実施例に係る光導波路の基本的
な構成を概念的に示す。図において、１１は等価屈折率
が大きな第一のストライプ状光導波路（以下、光導波路
という）、１２は等価屈折率が小さい第二のストライプ
状光導波路（以下、光導波路という）であり、第二の光
導波路１２は第一の光導波路１１に対して微小角度θで
Ｙ字状分岐的に結合している。また、この結合部分にお
いて、両方の光導波路１１，１２のコア領域の側面同士
が互いに相接した光移行領域１３が形成されており、こ
の光移動領域ではあたかも一つのストライプ状光導波路
を形成しているようになっている。なお、このような光
導波路のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面における等価屈折率
分布を図１（Ｂ），（Ｃ）に示す。

【００１１】ここで、第二の光導波路１２の結合端とは
反射側をポートＡ、第一の光導波路１１の第二の光導波
路１２と微小角度θを成す側の一端をポートＢ、他端を
ポートＣとする。ポートＡから入射した光は、光移行領
域１３において図１（Ｃ）に示す等価屈折率分布の影響
を受け、等価屈折率の小さい第二の光導波路１２から等
価屈折率の大きい第一の光導波路１１へ移り伝搬してポ
ートＣに至る。逆に、ポートＣから入射した光は、光移
行領域１３で等価屈折率の小さい第二の光導波路１２の
コア領域と出会うが、光は等価屈折率の大きなコア領域
に導かれて進むので、光移行領域１３を通過してポート
Ｂに至ることになる。

【００１２】すなわち、図１に示す光導波路では、ポー
トＡから入射した光はポートＣから出射するが、例えば
その反射光がポートＣから入射すると入射端であるポー
トＡには至らずポートＢから出射することになるので、
ポートＡを入射端、ポートＣを出射端とするとアイソレ
ータとして働くことになる。なお、かかる本発明の光導
波路のアイソレータ機能の動作原理は、従来のアイソレ
ータとは全く異なるので、偏光子や旋光子を必要とせず
、非相反材料を用いる必要がない。

【００１３】本発明の光導波路で微小角度θの大きさは
第二の光導波路１２の光が光移行領域１３においてスム
ーズに第一の光導波路に移行する角度であればよく、通
常、１，２°までである。これ以上大きいと損失が大き
くなるからであり、最大１０°程度である。また、第一
の光導波路１１と第二の光導波路１２との屈折率差△ｎ
は、光移行部１３においてポートＡからの光が第二の光
導波路２から第一の光導波路１へ大きな損失なく移行す
るが、ポートＣからの光が第一の光導波路１１から第二
の光導波路１２へは移行しないように設定すればよい。 実際には微小角度θや光移行領域１３の長さ等を考慮し
つつ決定する必要があるが、通常、△ｎにすればよい。 さらに、光移行領域１３の長手方向の長さは原則的には
長いほどよく、光導波路自体の寸法、上述した屈折率差
△ｎ，微小角度θ等を考慮して設定する必要があるが、
通常、２００μｍ以上必要となる。

【００１４】以下、具体的製造例を示しながら本発明の
光導波路をさらに詳細に説明する。

【００１５】図２には、大小の相対関係を有する等価屈
折率のストライプ状光導波路を実現するために、相対的
に大小の膜厚をもつ金属膜を誘電体結晶表面にストライ
プ形状に装荷し、熱拡散する方法を採用した光導波路を
示す。

【００１６】図２において、２０はニオブ酸リチウム単
結晶からなる基板であり、２１，２２はチタン金属を熱
拡散させることによって図１と同様にＹ字状に結合状態
に形成されたストライプ状光導波路であり、その横幅は
約４ミクロンである。ここで、第一の光導波路２１の基
板２０との屈折率差△ｎは２×１０−３程度であり、第
二の光導波路２２の基板２０との屈折率差△ｎは１×１
０−３程度である。すなわち、第二の光導波路２２の等
価屈折率が第一の光導波路２１のそれにより小さいこと
になる。このような光導波路２１，２２は、チタン金属
の厚さを変えてストライプ状に形成された拡散源を、同
時に高温処理することにより簡単に作成できる。なお、
光導波路２１，２２が成す微小角度θは０．５°でり、
素子の全長は約１０ｍｍである。

【００１７】図２（Ｂ）は、光移行領域２３の横断面図
（Ｃ−Ｃ線断面）における屈折率分布を示す。この断面
における屈折率分布は四つの領域に分かれ、両側ａ及び
ｄはコア領域の外側のニオブ酸リチウム基板２１からな
るクラッド領域、領域ｂは等価屈折率の小さい光導波路
２２のコア領域、領域ｃは等価屈折率の大きな光導波路
２１のコア領域である。

【００１８】一般に、高屈折率の物質からなるコア部分
を低屈折率の物質からなるクラッドで囲んだ光導波路に
おいて、光は高屈折率のコア領域を伝搬する特性を有す
る。したがって、図２に示す光導波路は図１に示すもの
と同様なアイソレータ機能を有し、ポートＡから入射し
た光はポートＣから出射し、一方、その反射光がポート
Ｃから入射してもポートＡには戻らずポートＢから出射
することになる。

【００１９】波長１．５μｍのレーザ光を光導波路１２
のポートＡから入射すると、光移行領域２３を通過した
後、光導波路２２のポートＣから大きな損失を受けない
で出射した。一方、ポートＣから同一波長のレーザ光を
入射すると、光移行領域２３で等価屈折率が大きい光導
波路２１のコア領域を伝搬し、最終的にポートＢから出
射し、ポートＡからは光は出射しなかった。正確にポー
トＢとポートＡからの出力光パワーを測定するとその比
はＰＢ　／ＰＡ　＝２０ｄＢ以上であった。すなわち、
図２に示す光導波路のアイソレーション比は２０ｄＢ以
上であった。この値はレーザ光の偏波方向を変えても大
きな変化はなかった。このことは従来のアイソレータで
は、偏光子が不可欠であり、使用可能なレーザ光の偏波
方向が規定されていたという問題があったが、本発明に
よるアイソレータ機能をもつ光導波路では、偏波によら
ず動作するという特徴が生じることを示している。また
、レーザ光の波長は１．５０μｍに変えても、アイソレ
ータ特性に大きな変化はなかった。このことは、本発明
によるアイソレータ機能導波路は、動作波長の依存性が
小さいという特徴を有することを示している。

【００２０】以上説明した実施例では、大小の相対関係
を有する等価屈折率のストライプ状光導波路として、ニ
オブ酸リチウム単結晶にチタンを熱拡散させる場合を例
としたが、石英ガラス導波路や光ガラスファイバなどに
おいて、コア部の材料に用いるドーパントの種類を制御
することによっても、同様にアイソレータが形成可能で
ある。

【００２１】次に、図３を参照しながら他の実施例につ
いて説明する。この実施例は、相対的にコア領域の寸法
に大小を与えることにより、大小の相対関係を有する等
価屈折率のストライプ状光導波路を実現したものである
。

【００２２】図３（Ａ）に示すように、この光導波路は
等価屈折率が大きい第一の光導波路３１と等価屈折率が
小さい第二の光導波路３２とが、図１と同様に微小角度
θをもってＹ字状に結合され、且つその結合部分に光移
行領域３３が形成されたものである。すなわち、この光
導波路は、ＩｎＰ基板３４上に、バンドギャップ波長が
１．３μｍでリブ部を有するＩｎＧａＡｓＰコア３５を
形成し、これをＩｎＰクラッド層３６で覆ったものであ
り、コア３５の高さが大きいリブ部３５ａが第一の光導
波路３１、高さが小さいリブ部３５ｂが第二の光導波路
３２を形成する。なお、このような導波路構造は従来か
らリブ構造として知られているものである。

【００２３】本実施例では、コア３５の厚さＴｃを５０
００オングストローム、高さの大きいリブ部３５ａの高
さｈ１　を５００オングストローム、高さが小さいリブ
部３５ｂの高さｈ２　を２５０オングストローム、各リ
ブ部３５ａ，３５ｂの幅を５μｍとした。

【００２４】本実施例の光導波路において波長１．５μ
ｍのレーザ光を用いて導波路特性を調べた。光導波路３
２のポートＡから光を入射させたときは光は光導波路３
１のポートＣから出射した。一方、光導波路３１のポー
トＣから入射させた光はポートＡから出射し、このとき
のポートＢ，ポートＡでの出力光パワー比ＰＢ　／ＰＡ
　は２０ｄＢ以上であった。また、ニアフィールドパタ
ーンを観察した結果、単一モードで伝搬していることが
確認できた。さらに、波長１．５０μｍの光を用いた場
合でも同様であった。

【００２５】以上の結果より、本実施例の光導波路にお
て良好なアイソレーション機能が動作していることが認
められた。なお、本実施例では二つのストライプ状光導
波路のコア領域の高さ、すなわちリブ高さに差を与えて
等価屈折率に大小の差を与えたが、ストライプ幅に差を
与えても同様に等価屈折率に差を与えることができ、同
様にアイソレーション機能を有する光導波路を形成する
ことができる。

【００２６】次に、図４を参照しながら、他の実施例に
ついて説明する。本実施例では、超格子構造からなるコ
ア領域の一方を混晶化するとにより、大小関係を有する
等価屈折率のストライプ状光導波路を実現したものであ
る。

【００２７】図４（Ａ）は光移行領域での断面図、図４
（Ｂ）は他の領域での断面図である。図中、４１は第一
の光導波路、４２は第二の光導波路であり、両者は図１
と同様にＹ字状に結合されて光移行領域４３が形成され
たものであり、かかる構造についての説明は省略する。

【００２８】ここで、光導波路４１，４２は、ＩｎＰ基
板４４上に形成されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰからなる超
格子４５に加工されたリブ部４５ａ，４５ｂからなるも
のであるが、第一の光導波路４１は混晶化されてもとの
屈折率とは異なっている。すなわち、リブ部３５ａの上
面にはＳｉ３Ｎ４　からなる誘電体薄膜４６が装荷され
ており、この状態で適当な温度で急加熱すると、リブ部
３５ａの超格子構造が破壊されて混晶化が進み、混晶化
領域４７が形成され、これが第一の光導波路４１となっ
ている。

【００２９】混晶領域の屈折率はもとの超格子とは異な
り、大小関係は光の偏光方向に依存する。すなわちＴＥ
モード光に対しては混晶化された領域部の屈折率がもと
の超格子よりも小さく、第一の光導波路４１が第二の光
導波路４２より等価屈折率が小さいことになる。一方、
ＴＭモードの光に対しては上述した関係が逆になり、第
一の光導波路４１が第二の光導波路４２より大きいこと
になる。何れにしても、光導波路４１，４２間に大小関
係が生じるので、上述した実施例と同様なアイソレータ
機能を有する光導波路となる。

【００３０】以上説明した実施例では、主として、半導
体を基板とした導波路における実施例を述べたが、ガラ
ス材料からなる石英光導波路あるいは光ファイバを素材
としても、あるいは他の材料からなる光導波路において
も、本発明と同様の原理を用いることにより、高性能な
アイソレータ機能を容易に実現することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば偏
光子や旋光子などを用いず、半導体のみでアイソレータ
機能を実現することが可能となるから、半導体レーザと
のモノリシック集積が容易になるばかりでなく、光集積
回路のキーデバイスとしての応用が期待される。また、
半導体以外の材料による集積回路に組み込むことも可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係る光導波路の構成を示す概念図で
ある。

【図２】他の実施例に係る光導波路の構成を示す概念図
である。

【図３】他の実施例に係る光導波路の構成を示す概念図
である。

【図４】他の実施例に係る光導波路の構成を示す概念図
である。

【符号の説明】

１１，２１，３１，４１　　第一の光導波路１２，２２
，３２，４２　　第二の光導波路１３，２３，３３，４
３　　光移行領域２０　　ニオブ酸リチウム単結晶 ３４　　ＩｎＰ基板 ３５　　ＩｎＧａＡｓコア ３６　　ＩｎＰクラッド層 ４４　　ＩｎＰ基板 ４５　　ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ超格子 ４６　　誘導体薄膜（Ｓｉ３Ｎ４　）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　単一モードのみを伝搬可能なストライ
   プ状光導波路から構成され、一端が出力ポートとなる第
   一の光導波路に対し、この第一の光導波路と比較して等
   価屈折率が相対的に小さく且つ一端が入力ポートとなる
   第二の光導波路の他端部が、上記第一の光導波路の他端
   側と微小角度傾斜した方向からＹ字状分岐的に結合し、
   且つ該結合部において第一及び第二の光導波路のコア領
   域同士が互いに接した光移行領域が形成されていること
   を特徴とするアイソレータ機能を有する光導波路。