JPH11248952A - 導波路型光アイソレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分岐接続する導波路の本数を増加させても挿
入損失の増加割合が小さな導波路型光アイソレータを提
供する。 【解決手段】 光源から出射した後、伝送路のコネクタ
や光部品等で反射されて戻る光は、曲線導波路を逆方向
に伝搬する間に、モード分布が曲線の半径方向外側へ徐
々に移動する。曲線導波路３の途中から接線方向に分岐
する直線導波路２−３で光は曲線の半径方向外側にある
直線導波路２−３へ伝搬する。このとき、分岐接続側の
直線導波路２−２の幅が広くなっているため、光は低損
失で直線導波路２−３へ移行して伝搬する。これに対し
て、曲線導波路３内を順方向へ伝搬する光源からの出射
光は、分岐部で曲線導波路３の幅が狭くなっているた
め、モードの広がり幅も狭くなり、放射による損失をほ
とんど受けずに通過できる。したがって、分岐接続する
導波路の本数を増加させても挿入損失の増加割合が大き
くなることがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光源への反
射戻り光を遮蔽することができる一方向性の導波路型光
アイソレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】通信、計測、情報処理の分野において、
光をより高度に利用するため、種々の機能を有する光集
積回路の研究が活発に行われている。このような光集積
回路を構成する基本要素の一つとして光アイソレータが
ある。レーザを光源とする光信号処理系ではレーザから
の光が反射によって再びレーザに戻されると発振に不安
定が生じたり、雑音が生じたりするため、順方向（光源
光伝搬方向）へは光を良く通し、逆方向（反射方向）へ
は光の透過を阻止する機能を有する光アイソレータが一
般に使用される。

【０００３】図３は光アイソレータの従来例である。

【０００４】同図において、左側から入射する垂直偏波
を有する入射波は、光路上に配置された偏光子９をその
まま通過して、鉛ガラス、ＹＩＧ等からなるファラデー
回転子１０に入射する。このファラデー回転子１０には
磁界が矢印１１の方向に形成されているので、偏波面は
４５°だけ回転する。出射側には偏波面が４５°だけ傾
斜するように検光子１２が配置されているが、透過光は
そのまま検光子１２を通過する。

【０００５】これに対して、逆方向から偏波面が４５°
の傾斜を有する光が反射してくる場合には、反射光は検
光子１２をそのまま通過するが、ファラデー回転子１０
によって偏波面が４５°だけ偏光子９と垂直方向（図中
で水平）になるような方向に回転され、偏光子９によっ
て遮断されるので反射光が入射側に戻ることはない。す
なわち、ファラデー回転子１０は、伝搬光に対して非可
逆的伝達媒体として機能するのである。

【０００６】図４は光アイソレータの他の従来例である
（特公平７−１１１４８７号）。図４（ａ）は光源から
出射した光が光回路中を順方向に伝搬する場合を示し、
図４（ｂ）は伝送路から反射して戻ってきた光が光回路
中を逆方向に伝搬する場合を示している。

【０００７】図４（ａ）に示す光アイソレータは、平面
光導波回路中に円弧状の曲線導波路２１を設け、この曲
線導波路２１の中間に、この中間よりも出力側に位置す
る導波路の光軸を入力側導波路の光軸に対して、曲率半
径方向外側寄りに偏位させて構成したものである。同図
において、１は基板、２０はこの基板１中に形成した他
の部分よりも屈折率の高い領域からなる単一モード導波
路、３０は単一モード導波路２０内のモード分布であ
る。レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）等からなる光源（図示せず）から出射した光は、導
波路２０内を矢印Ａ方向へ伝搬する。導波路２０の中間
には曲線導波路２１が設けられており、この曲線導波路
２１は、０点を曲率中心とする一定角度θにわたる円弧
状を成している。曲線導波路２１のほぼ中間には導波路
オフセット部２２が設けられ、このオフセット部２２を
境として入力側導波路２３及び出力側導波路２４の両光
軸が曲率半径方向に一定間隔ｄだけ偏位されている。

【０００８】図４（ｂ）に示すように光源から出射した
後、反射されて矢印Ｂ方向へ戻る光は、曲線導波路２１
を逆方向に伝搬する間にモード分布３０が曲線半径方向
外側へ移動する。ところが、曲線導波路の中間から導波
路の光軸が上記モード分布３０の移動方向とは反対方向
に偏位した導波路２０に接続されているため、戻り伝搬
光はその接続部で導波路２１の外へ放射され、光源まで
到達しない。

【０００９】一方、順方向光は、図４（ａ）に示すよう
に曲線導波路におけるモード分布３０の移動方向と、導
波路途中からの光軸の偏位方向とが一致するため、曲り
に伴う放射損失はほとんど生じない。

【００１０】しかしながら、図３に示した従来の光アイ
ソレータは優れたアイソレーション特性が得られるもの
の、作製時にそれぞれの構成部品を高精度に配列し、調
整する必要があり、実装に要するコストが高くなってし
まう。また、性能が入力光の偏波方向に強く依存し、所
望の性能を発揮させるためには、レーザ光の偏波光軸に
対し、正しく配列されていなければならず、安定した性
能のものを量産するのが困難である。

【００１１】さらに、図４に示した従来の光アイソレー
タは、光源から出射した光は、その光のモード分布が曲
線の半径方向外側へ移動しながら曲線導波路を順方向に
伝搬する。曲線導波路は途中から導波路の光軸が上記モ
ード分布の移動方向と同方向に偏位した導波路に接続さ
れているので、光源からの光も導波路に沿って伝搬す
る。

【００１２】しかし、実際には曲線導波路中を伝搬する
順方向光のモード分布は、曲線導波路中で完全に曲線の
半径方向外側に移動しているわけではない。したがっ
て、接続部分の光の進行方向と垂直な不連続面におい
て、外側の曲線導波路に移行しきれない光成分は光源方
向への反射戻り光となる。さらに、逆方向光は曲線導波
路におけるモード分布の移動方向と、導波路途中からの
光軸の偏位方向とが一致するため、順方向側への反射が
極端に大きくなるおそれがある。

【００１３】そこで、本発明者らは、これらの課題を解
決するため、図５に示すように平面基板上に形成された
光導波回路に、曲線導波路を設けると共に、この曲線導
波路の接続方向に分岐する少なくとも１本の直線導波路
を設けた構造の、小形で廉価な導波路型光アイソレータ
を提案した。

【００１４】図５は本発明の前提となった導波路型光ア
イソレータの概念図である。

【００１５】図５（ａ）は伝送路から反射して戻ってき
た光が光回路中を逆方向に伝搬する場合を示し、図５
（ｂ）は光源から出射した光が光回路中を順方向に伝搬
する場合の状態を示している。この導波路型光アイソレ
ータの機能を説明すると、伝送路から反射して戻ってき
た光回路を逆方向に伝搬する光は、直線導波路２−１を
通って曲線導波路３内を伝搬する。曲線導波路３内に伝
搬した光のモード分布７−１は、曲線の半径方向の外側
へ徐々に移動し、モード分布７−２となる。次いで、こ
のモード分布７−２を有する光が滑らかに接続された分
岐直線導波路２−３内を伝搬する。この時、モード分布
７−２は分岐直線導波路２−３方向に大きく偏っている
ため、スムーズに分岐直線導波路２−３へと伝搬する。
このため、図４に示した従来の光アイソレータのような
反射も存在せず、効率良く光源への戻り光が阻止され
る。

【００１６】これに対して光回路中を順方向に伝搬する
光は直線導波路２−２を通って曲線導波路３に伝搬す
る。このとき、直線導波路２−２内の光のモード分布は
８−１のように伝搬方向に対して左右対称（図では上下
対称）になっている。また、曲線導波路３内に伝搬した
光のモード分布は、図５（ａ）の場合と同様、曲線の半
径方向外側へ徐々に移動し、モード分布８−２となる。
次いで、このモード分布を有する光が直線導波路との分
岐部を通過する。このとき、順方向に伝搬する光のモー
ド分布８−２は分岐部で広がるものの低損失で分岐部を
通過し、モード分布８−３となる。さらにモード分布８
−３は曲線導波路３内を伝搬し、直線導波路２−１でも
との左右対称のモード分布８−５となって導波路端から
出射される（図５（ｂ））。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、図５に
示す導波路型光アイソレータを試作したところ、分岐導
波路が１本の時、挿入損失０．８ｄＢ、逆方向遮断率２
７ｄＢの特性が得られた。また、逆方向遮断率を大きく
するため、分岐導波路の本数を増加させた構造の素子を
試作した。

【００１８】しかしながら、分岐導波路の本数を増加す
ると、順方向の分岐部での放射損失が増加し、結果とし
て、遮断率は大きくとれるものの挿入損失が大きくなっ
てしまうという問題があった。

【００１９】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、分岐接続する導波路の本数を増加させても挿入損失
の増加割合が小さな導波路型光アイソレータを提供する
ことにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、基板上に形成され光源からの光が伝搬する
単一モード曲線導波路と、曲線導波路に該曲線導波路の
中心線の接線方向に滑らかに分岐接続され反射戻り光を
伝搬させるための単一モード直線導波路とを備えた導波
路型光アイソレータであって、分岐側の曲線導波路が、
曲線導波路の中心線から外側の幅が曲線導波路の中心線
から内側の幅よりも狭められた逆テーパ導波路と、逆テ
ーパ導波路に滑らかに接続されると共に光源からの光が
入射される入射側導波路とで構成されると共に、分岐側
の直線導波路が、直線導波路の中心線から内側の幅が直
線導波路の中心線から外側の幅よりも広められた逆テー
パ導波路と、逆テーパ導波路に滑らかに接続され反射戻
り光が伝搬する反射側導波路とで構成されたものであ
る。

【００２１】上記構成に加え本発明は、分岐側の曲線導
波路に、曲線導波路の接線方向に逆テーパ導波路と同様
の逆テーパ導波路を介して他の導波路が接続されてもよ
い。

【００２２】上記構成によって、光源から出射した後、
伝送路のコネクタや光部品等で反射されて戻る光は、曲
線導波路を逆方向に伝搬する間に、モード分布が曲線の
半径方向外側へ徐々に移動する。曲線導波路の途中から
接線方向に分岐する直線導波路部で光は曲線の半径方向
外側にある直線導波路へ伝搬する。このとき、分岐接続
側の直線導波路の幅が広くなっているため、光は低損失
で直線導波路へ移行し、伝搬する。これに対して、曲線
導波路内を順方向へ伝搬する光源からの出射光は、分岐
部で曲線導波路が狭くなっているため、モードの広がり
幅も狭くなり、放射による損失をほとんど受けずに通過
できる。したがって、分岐接続する導波路の本数を増加
させても挿入損失の増加割合が大きくなることがない。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２４】図１は本発明の導波路型光アイソレータの
一実施の形態を示す平面図である。図１（ａ）は伝送路
から反射して戻ってきた光が光回路中を逆方向に伝搬す
る場合を示し、図１（ｂ）は光源から出射した光が光回
路中を順方向に伝搬する場合を示している。

【００２５】平面状の基板１上の一方の側（図の上側）
に一端が基板１の一方の側面（左側面）に露出するよう
に単一モード直線導波路（反射側導波路）２−１が形成
されている。基板１には一端が直線導波路２−１の他端
に接続するように円弧状の単一モード曲線導波路３が形
成されている。この曲線導波路３の途中から基板１の他
方の側（図の下側）にわたって、曲線導波路３の中心線
の接線方向に滑らかに接続するように単一モード直線導
波路２−３が形成されている。曲線導波路３の他端は、
一端が基板１の一方の側面（左側面）に露出するように
形成された単一モード直線導波路（入射側導波路）２−
２の他端に接続されている。

【００２６】ここで、４−１は分岐側の曲線導波路を、
曲線導波路３の中心から円周方向外側の幅を曲線導波路
３の中心線から円周方向内側の幅よりも狭くした逆テー
パ導波路である。４−２は分岐側の直線導波路２−３
を、直線導波路２−３の中心線から外側の幅よりも直線
導波路２−３の中心線より内側の幅を広くした逆テーパ
導波路である。すなわち、直線導波路２−２と曲線導波
路３は逆テーパ導波路４−１を介して滑らかに接続さ
れ、直線導波路２−３と曲線導波路３は逆テーパ導波路
４−２を介して滑らかに接続されている。

【００２７】次に、５−１は反射により戻ってきた逆方
向の光の直線導波路２−２内のモード分布、５−２は曲
線導波路３中を伝搬する逆方向のモード分布、５−３は
分岐部を逆方向に通過する光のモード分布、５−４は分
岐直線導波路２−３中を伝搬する光のモード分布、６−
１はＬＤやＬＥＤ等の光源から導波回路内に入射する順
方向の光のモード分布、６−２は逆テーパ導波路４−１
中を伝搬する順方向の光のモード分布、６−３は分岐部
を通過した後の曲線導波路３を伝搬する順方向の光のモ
ード分布、６−４は曲線導波路３中を伝搬する順方向の
光のモード分布、６−５は直線導波路２−１を伝搬する
順方向の光のモード分布を示している。

【００２８】ここで、導波路２−１〜２−３、３、４−
１〜４−２は屈折率の高いコアと、これらのコアを覆う
屈折率の低いクラッド層とで構成されており、伝搬する
光が単一モードとなるようにそれぞれの屈折率及びサイ
ズが設計されている。

【００２９】次に図１（ａ）を参照して、伝送路中で反
射した戻り光が導波路型光アイソレータの光回路中を逆
方向に伝搬する場合について説明する。

【００３０】伝搬光は直線導波路２−１を通って曲線導
波路３内を伝搬する。このとき、直線導波路２−１内の
光のモード分布は５−１のように伝搬方向に対して左右
対称（図では上下対称）になっている。曲線導波路３内
を伝搬した光のモード分布は、半径方向の光の速度差に
よって、曲線の半径方向の外側へ徐々に移動し、モード
分布５−２となる。続いて、このモード分布５−２を有
する光が滑らかに接続された逆テーパ導波路４−２内に
伝搬する。このとき、モード分布５−２は逆テーパ導波
路４−２方向に大きく偏っていると共に、テーパにより
導波路幅が広がっているため、スムーズに直線導波路２
−３へと伝搬し、光源への戻り光が阻止される。

【００３１】次に図１（ｂ）を参照して、光源から出射
した光が導波路型光アイソレータの光回路中を順方向に
伝搬する場合について説明する。

【００３２】伝搬光は直線導波路２−２から逆テーパ導
波路４−１を通って曲線導波路３内を伝搬する。このと
き、直線光導波路２−２内の光のモード分布は６−１の
ように伝搬方向に対して左右対称となっている。また、
曲線導波路３内に伝搬した光のモード分布は、図１
（ａ）の場合と同様、曲線の半径方向の外側へ徐々に移
動し、モード分布６−２となる。次いで、このモード分
布６−２を有する光が直線導波路２−２との分岐部を通
過する。このとき、順方向に伝搬する光のモード分布６
−２は分岐部で広がるものの損失を受けることなく分岐
部を通過し、モード分布６ー３となる。さらにモード分
布６−３は曲線導波路３を伝搬し、直線導波路２−１で
もとの左右対称のモード分布６ー５となって導波路端か
ら出射される。

【００３３】以上のように、順方向の光に対しては低損
失通過が可能で、逆方向の光を効率良く阻止できる光ア
イソレータが実現する。

【００３４】

【実施例】次に導波路型光アイソレータについて数値を
挙げて説明するが、これに限定されるものではない。

【００３５】基板１として石英ガラス基板（屈折率１．
４５７５ａｔ６３３ｎｍ）を用い、この基板１の上にス
パッタリング法によりＳｉＯ₂ −ＧｅＯ₂ 組成のコア膜
（屈折率１．４６９７ａｔ６３３ｎｍ）を厚さ６μｍ形
成し、この基板をフォトリソグラフィ及び反応性イオン
エッチング法により高さ６μｍの矩形状コアに加工し
た。最後に矩形状コアを覆うように火炎堆積法を利用し
てクラッド層（屈折率１．４５７５ａｔ６３３ｎｍ）を
形成して１５×１５×１ｍｍのサイズの導波路型光アイ
ソレータを作製した。

【００３６】ここで、使用する光の波長は１５５０ｎｍ
とし、コア及びクラッドの屈折率並びにサイズは、この
波長で単一モード条件を満たすように設計した。また、
曲線導波路の曲率半径Ｒは５ｍｍとした。

【００３７】試作した導波路型光アイソレータを評価し
た結果、順方向光の挿入損失は０．６ｄＢと低損失であ
り、逆方向遮断率も３２ｄＢと高い値が得られた。

【００３８】図２は図１に示した導波路型光アイソレー
タの変形例を示す概念図である。

【００３９】本導波路型光アイソレータは、図１に示し
た導波路型光アイソレータの曲線導波路３の接線方向に
さらに２本（本数は限定されるものではない）、合計３
本の分岐直線導波路２−３〜２−５を接続したものであ
る。分岐直線導波路の本数を増加したことで反射戻り光
量をさらに低減できる構成とした。１５×１５×１ｍｍ
のサイズの回路を試作し、評価した結果、順方向光の挿
入損失は０．８ｄＢと低損失であり、逆方向遮断率も３
８ｄＢと前述した実施例よりもさらに高い値が得られ
た。よって、分岐直線導波路の本数を増加させることに
よって、低挿入損失でさらに高い逆方向遮断率の素子を
作製することができることが分かった。

【００４０】なお、上述の基板材料、コア材料、クラッ
ド材料及び各膜の形成方法は上述した実施例に限定され
るものではない。

【００４１】以上において、 (1) 分岐接続する導波路の本数を増加させても挿入損失
の増加割合が小さな導波路型光アイソレータが得られ
る。

【００４２】(2) 低挿入損失と高い逆方向遮断率の導波
路型光アイソレータが得られる。

【００４３】(3) 活性な非可逆媒体を必要とせず、構成
部品を高精度に配列、調整を必要としないため、実装工
程数が減少し素子全体の価格を大幅に抑えることができ
る。

【００４４】(4) 本発明の導波路型光アイソレータは、
その性能が入力光の偏波方向に依存しないため、所望の
性能を発揮しやすく安定した性能のものを量産すること
が容易である。

【００４５】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００４６】分岐接続する導波路の本数を増加させても
挿入損失の増加割合が小さな導波路型光アイソレータの
提供を実現することができる。

【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一実施の形
態を示す平面図である。

【図２】図１に示した導波路型光アイソレータの変形例
を示す概念図である。

【図３】光アイソレータの従来例である。

【図４】光アイソレータの他の従来例である。

【図５】本発明の前提となった導波路型光アイソレータ
の概念図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２−１、２−２、２−３ 直線導波路 ３ 曲線導波路 ４−１、４−２ 逆テーパ導波路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成され光源からの光が伝搬す
   る単一モード曲線導波路と、該曲線導波路に該曲線導波
   路の中心線の接線方向に滑らかに分岐接続され反射戻り
   光を伝搬させるための単一モード直線導波路とを備えた
   導波路型光アイソレータであって、分岐側の曲線導波路
   が、該曲線導波路の中心線から外側の幅が該曲線導波路
   の中心線から内側の幅よりも狭められた逆テーパ導波路
   と、該逆テーパ導波路に滑らかに接続されると共に光源
   からの光が入射される入射側導波路とで構成されると共
   に、分岐側の直線導波路が、該直線導波路の中心線から
   内側の幅が該直線導波路の中心線から外側の幅よりも広
   められた逆テーパ導波路と、該逆テーパ導波路に滑らか
   に接続され反射戻り光が伝搬する反射側導波路とで構成
   されたことを特徴とする導波路型光アイソレータ。
2. 【請求項２】 上記分岐側の曲線導波路に、上記曲線導
   波路の接線方向に上記逆テーパ導波路と同様の逆テーパ
   導波路を介して他の導波路が接続された請求項１に記載
   の導波路型光アイソレータ。