專利名稱：波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器，尤其是關(guān)于使波導(dǎo)型光隔離器滿足所 期望的特性并工作的波長范圍顯著地?cái)U(kuò)展、且在用于長距離光纖通信的
1.31jim段和1.55pm段兩個(gè)波段中也能工作的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器。
背景技術(shù)：
光隔離器是只在一方向上使光透過并阻止要向與其相反方向傳播的光的 元件。例如，通過將光隔離器配置在半導(dǎo)體激光器的發(fā)射端，從激光器射出的 光透過光隔離器，能夠?qū)⑵渥鳛楣饫w通信用的光源使用。相反地，通過光隔離 器要入射到半導(dǎo)體激光器的光被光隔離器阻止，而不能入射到半導(dǎo)體激光器。 不將光隔離器設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的發(fā)射端時(shí)，反射返回光入射到半導(dǎo)體激光 器，這會(huì)使半導(dǎo)體激光器的振蕩特性劣化。即，光隔離器阻擋要入射到半導(dǎo)體 激光器的光，而不使半導(dǎo)體激光器的特性劣化地保持穩(wěn)定的振蕩。
不限于上述半導(dǎo)體激光器，在光增幅器等光有源元件中，光無意識(shí)地反向 入射，使元件的工作特性劣化，會(huì)無意識(shí)地工作。由于光隔離器只允許光在一 個(gè)方向上透過，所以能夠防止光無意識(shí)地反向入射到光有源元件25。
作為與半導(dǎo)體激光器的集成化相適應(yīng)的光隔離器，以往提出了圖1所示的
干涉型光隔離器(波導(dǎo)型光隔離器)。該以往的光隔離器101中，在化合物半 導(dǎo)體基板102上具有使用了半導(dǎo)體材料的導(dǎo)波層103，在導(dǎo)波層103上具有波 導(dǎo)104、錐形分路結(jié)合器105，而且在導(dǎo)波層103上形成由磁光學(xué)材料構(gòu)成的 金屬包層106，在金屬包層106上設(shè)置用于向規(guī)定方向?qū)Υ殴鈱W(xué)材料磁化的磁 場(chǎng)施加機(jī)構(gòu)107。
該光隔離器(以下，稱為"波導(dǎo)型光隔離器，，)101利用因構(gòu)成光干涉計(jì)的 2條光波導(dǎo)中發(fā)生的傳播方向而使大小不同的相位變化(以下，稱為"非互易 移相效果")，被設(shè)定成在2條光波導(dǎo)中傳播的光波相對(duì)于正方向傳播波成為
同相位，相對(duì)于向反方向傳播的反方向傳播波成為反相位。
波導(dǎo)型光隔離器101的工作原理如圖2 (a) ~ (c)所示。2個(gè)光波成為 同相位的情況下，從構(gòu)造的對(duì)稱性出發(fā)設(shè)置在輸出側(cè)的錐形分路結(jié)合器105 中，光波從中央的輸出端111被輸出(圖2 (b))。另一方面，成為反相位的 情況下，左側(cè)(對(duì)于波導(dǎo)型光隔離器101來說是成為輸入端的一側(cè))的錐形分 路結(jié)合器105中，由于形成反對(duì)稱的分布，所以不從對(duì)稱構(gòu)造的結(jié)合器105 的中央輸出端(輸入端)110輸出，而從設(shè)置在兩側(cè)下部的多余光輸出端112 輸出(圖2 (c))。即，從左側(cè)的錐形分路結(jié)合器105的輸入端110入射的光 波從右側(cè)的錐形分路結(jié)合器105的輸出端111被輸出，相反地從右側(cè)的錐形分 路結(jié)合器105的輸出端111輸入的光能夠不返回左側(cè)的錐形分路結(jié)合器105的 輸入端110地在輸入端110與反方向傳播波隔離。
以上工作通過圖2 (c)所示的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。首先，使干涉光路中的一個(gè)比 另一個(gè)長，由此使不依存?zhèn)鞑シ较虻南辔徊?互易相位差)在2條光路間發(fā)生。 另外，將具有的磁光學(xué)效果的材料(以下，稱為"磁光學(xué)材料")配置在平面狀 的光波導(dǎo)中，從外部向在波導(dǎo)面內(nèi)與傳播方向正交的方向(橫方向)施加磁場(chǎng)， 使磁光學(xué)材料的磁化定向，由此發(fā)生非互易移相效果。根據(jù)光的傳播方向和磁 化的定向方向的關(guān)系，決定因磁光學(xué)效果發(fā)生的非互易移相效果，保持磁化方 向而使傳播方向反向時(shí)，非互易移相效果不同。以下，將正方向傳播波和反方 向傳播波的非互易移相效果之差稱為"非互易移相量"。
在圖2的波導(dǎo)型光隔離器101中，相互反并行地向構(gòu)成干涉計(jì)的2條波導(dǎo) 施加磁場(chǎng)，在2條波導(dǎo)中進(jìn)行相同距離傳播時(shí)的光波的相位差與非互易移相量 一致。另外，根據(jù)非互易移相效果，對(duì)于正方向傳播波，在2條波導(dǎo)路間發(fā)生 + cp的相位差時(shí)，對(duì)于反方向傳播波發(fā)生與其不同符號(hào)-cp的相位差。
在因該磁光學(xué)效果發(fā)生的非互易移相效果的基礎(chǔ)上，通過在2條波導(dǎo)中設(shè) 置相當(dāng)于1/4波長的光路長差，傳播光路長的波導(dǎo)的光被設(shè)計(jì)成具有只大兀/2 的相位變化(以下，稱為"互易相位差")。對(duì)于正方向傳播波，如果與短的波 導(dǎo)相比，光路長的波導(dǎo)發(fā)生了因非互易移相效果發(fā)生的相位差(非互易相位差) -7C/2,那么對(duì)于正方向傳播波，在2條波導(dǎo)中傳播的光波成為同相位(從分路 結(jié)合器的中央助端被輸出)。傳播方向反向時(shí)，由于非互易相位差的符號(hào)反向，
光路長的波導(dǎo)被提供非互易相位差+兀/2。這再加上因光路長差引起的+兀/2的 相位差，在反相位狀態(tài)(相位差Tl)被輸入到分路結(jié)合器(從分路結(jié)合器的2
條外側(cè)波導(dǎo)被輸出)。這樣，就利用相位差隔離正常光與異常光。這樣的波導(dǎo)
型光隔離器的一例如日本國專利3407046號(hào)記載的那樣。
另外，關(guān)于該波導(dǎo)型光隔離器，有以下文獻(xiàn)1 4。
文獻(xiàn)1: H.Yokoi, T.Mizumoto, N.Shinjo， N.Futakuchi and Y.Nakano， "Demonstration of optical isolator, with a semiconductor guided layer that was obtained by use of a nonreciprocal phase shift, "Applied Optics, vol .39 ， No33, pp.6158 -6164 (2000)
文獻(xiàn)2:橫井、水本、新城、二口、中野，"具有半導(dǎo)體導(dǎo)波層的光隔離 器的工作實(shí)證"，電子信息通信學(xué)會(huì)技術(shù)研究報(bào)告，OPE2000- 10, pp.3417-3421 (2000)
文獻(xiàn)3: T.Mizumoto, S.Mashimo, T.Ida and Y.Naito， "In - plane magnemized rare earth iron garnet for a waveguide optical isolator employing nonreciprocal phase shift,"IEEE Trans. MAG， vol.29， No.6， pp.3417-3421(1993)
文獻(xiàn)4: T. Mizumoto and Y. Nailo, "Nonreciprocal propagation characteristics of YIG thin film," IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-30, No.6, pp.922-925(1982)
在文獻(xiàn)1以及2中，實(shí)際試作成將GalnAsP作為導(dǎo)波層且將磁光學(xué)材料 CeY2Fe502 (Ce: YIG)作為上金屬包層的光隔離器，測(cè)定了其特性的結(jié)果被 報(bào)告。作為隔離器的特性，4.9dB的隔離率(=反方向損失-正方向損失)被波 長1.55pm得到。另外，由于互易移相器的移相的再現(xiàn)性-陂明確，所以制成測(cè)
定上容易的、具有互易移相量7t的互易移相器的隔離器構(gòu)造(該情況下，作為
隔離器，工作不充分)，并測(cè)定互易移相量。
另外，在文獻(xiàn)3中，提出了在利用非互易移相效果的干涉型光隔離器中， 作為構(gòu)成干涉系統(tǒng)的光分路結(jié)合器使用錐形分路結(jié)合器的結(jié)構(gòu)，并明確了其波 導(dǎo)設(shè)計(jì)。另外，非互易移相效果是通過使磁光學(xué)材料即磁性石榴石的磁化全在 導(dǎo)波層內(nèi)方向(與基板表面平行的方向)定向而發(fā)現(xiàn)的。為了使磁化定向，降 低必要磁場(chǎng)的大小，必須使具有面內(nèi)磁化特性的磁性石榴石成長。在文獻(xiàn)3中，明確了用液相成長法^^具有面內(nèi)^茲化特性的石榴石(LuNdBi) 3 (FeAl) 502成長的成長條件，作為結(jié)果表示了得到的磁性石榴石的特性。
而且，在文獻(xiàn)4中，測(cè)定用于傳插v磁性石榴石Y3Fe5012 ( YIG)的TM模 式所受到的非互易移相量，并證實(shí)了非互易移相效果。
但是，在上述以往的波導(dǎo)型光隔離器中，如圖3 (a)和(b)所示，工作 波長為設(shè)計(jì)波長時(shí)，發(fā)生如上所述的相位差，表示了作為波導(dǎo)型光隔離器理想 的工作，但工作波長變化時(shí)，與正方向傳播波、反方向傳播波一起，非相原移 相量以及互易移相量的大小變化。即，對(duì)于正方向傳播波，干涉光路為同相位， 對(duì)于反方向傳播波，因稱為反相位的設(shè)計(jì)條件而產(chǎn)生誤差，隔離器的特性劣化。 在此，圖3 (a)的0R是表示相對(duì)于正方向傳播波以及反方向傳播波的、工作
波長中的互易相位差，-eN是表示相對(duì)于正方向傳播波的、工作波長中的非互
易相位差，0N是表示相對(duì)于反方向傳播波的、工作波長中的非互易相位差。
另外，在圖3 (b)中，表示了合成互易相位差和非互易相位差的、正方 向傳播波和反方向傳播波的相位差。對(duì)相對(duì)于這兩個(gè)光波的波長變化的、相位 差的變化的傾角進(jìn)行比較時(shí)，反方向傳播波的傾角比正方向傳播波的傾角大。 這是表示，工作波長和設(shè)計(jì)波長之差變大時(shí)，由于入射光的擴(kuò)散損失，因反方 向傳播波的擴(kuò)散不足導(dǎo)致的激光器的振蕩特性的劣化變大且不能不計(jì)。因此， 首先，關(guān)于隨著工作波長的變化而變化的反方向傳播波的擴(kuò)散量，在設(shè)計(jì)波長 為1.55(im的波導(dǎo)型光隔離器中，隨著工作波長的變化而變化的反方向傳播波 的擴(kuò)散量(反方向損失)的特性如圖4所示。
為了不使反方向傳播波照射激光器，反方向傳播波的擴(kuò)散量必須為一定值 以上(一般要求的值為30dB)。根據(jù)圖4的特性，表示30dB以上的擴(kuò)散量的 波長為1.54~1.56^im (相對(duì)于設(shè)計(jì)波長1.55(im土0.01pm)，其間沒有工作波長 時(shí)，波導(dǎo)型光隔離器的反方向傳播波擴(kuò)散效果就不能發(fā)揮滿足要求的性能。
另一方面，關(guān)于隨著工作波長的變化而變化的正方向傳播波的入射損失， 隨著用設(shè)計(jì)波長1.55nm設(shè)計(jì)的波導(dǎo)型光隔離器中的工作波長的變化而變化的 正方向傳播波的入射損失(正方向損失)的特性如圖5所示。
工作波長偏離設(shè)計(jì)波長時(shí)，關(guān)于相對(duì)于工作波長的變化的、相位差的傾角， 與正方向傳，燔波相比，反方向傳播波的傾角大，即相對(duì)于正方向傳#~波，反方
向傳播波的波長依存性高，該情況在圖4中表示并在上面敘述了，但與圖5
進(jìn)行對(duì)比時(shí)，能夠觀察到顯著差別。在設(shè)計(jì)波長為L55pm的波導(dǎo)型光隔離器 中，工作波長為1.45)im~ 1.64pm之間時(shí)的正方向傳播波的入射損失達(dá)到了 O.ldB，與得到了滿足上述要求的反方向傳播波擴(kuò)散效果的工作波長1.54 ~ 1.56(im相比，有明顯的差異。
其結(jié)果，由于用"反方向損失-正方向損失"定義的隔離率的波長依存性大 致被反方向損失的波長依存性決定，所以在以往的波導(dǎo)型光隔離器中，工作波 長在1.54- 1.56|im以外時(shí)，就不能發(fā)揮其特性。
在文獻(xiàn)1以及文獻(xiàn)2中，得到的隔離特性為4.9dB，作為實(shí)用設(shè)備是不充 分的。另外，隔離特性的測(cè)定波長為1.55pm，關(guān)于波長特性沒有描述。而且， 由于作為互易移相器使用兀/2的互易移相器，所以不能解決反方向傳播波的波 長依存性。
在文獻(xiàn)3中，與文獻(xiàn)1以及2同樣地，由于作為互易移相器使用兀/2的互 易移相器，所以不能解決反方向傳播波的波長依存性。另外，在文獻(xiàn)3的磁性 石榴石(LuNdBi) 3 (FeAl ) 5012中，法拉第旋光常數(shù)為-600deg/cm (波長 1.31pm),與后述的本發(fā)明的,茲性石榴石Ce:YIG的法拉第旋光常數(shù) -4500(16^(^相比，只是13%左右。其結(jié)果，存在非互易移相器的長度要長接 近7.5倍近的問題。
另外，文獻(xiàn)4只是在用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證稱為非互易移相效果的物理現(xiàn)象方面有意 義，但實(shí)際上還沒有實(shí)現(xiàn)光隔離器等的設(shè)備化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題而研發(fā)的，本發(fā)明的目的提供一種波導(dǎo)型寬頻帶光隔 離器，使反方向傳播波的波長依存性降低并使可利用的工作波長域拓寬，并且 在長距離光纖通信使用的1.31jxm段和1.55pm段兩個(gè)波段中也能工作。
本發(fā)明涉及波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器，本發(fā)明的上述目的是通過以下結(jié)構(gòu)實(shí) 現(xiàn)的，設(shè)置互易移相器，基本工作波長為X，使在第1波導(dǎo)中傳播的第1光 波與在第2波導(dǎo)中傳播的第2光波之間的相位差為3兀/2;非互易移相器，對(duì)正 方向傳播波提供7c/2的相位差，對(duì)反方向傳播波提供-兀/2的相位差。
另外，本發(fā)明的上述目的是通過以下結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)置互易移相器，在 基本工作波長X中，x為0以上的整數(shù)，使在第1波導(dǎo)中傳播的第1光波與在 第2波導(dǎo)中傳播的第2光波之間的相位差為(x + 3/4) x2兀；非互易移相器， 對(duì)正方向傳播波提供7i/2的相位差，對(duì)反方向傳播波提供-兀/2的相位差。或者 通過使非互易移相器的向磁光學(xué)材料的磁場(chǎng)施加方向?yàn)橄鄬?duì)方向來實(shí)現(xiàn)的?；?者通過使構(gòu)成上述互易移相器的上述第l或第2波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度的一部分變化 來實(shí)現(xiàn)的?；蛘咄ㄟ^使構(gòu)成上述互易移相器的上述第1或第2波導(dǎo)的波導(dǎo)長度 變化來實(shí)現(xiàn)的?；蛘咄ㄟ^使上述互易移相器在光波的傳播方向上具有錐形波 導(dǎo)，并且在另 一個(gè)波導(dǎo)的 一部分中也包含上述錐形波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)的。


圖1是表示以往的干涉型光隔離器(波導(dǎo)型光隔離器)的一例的立體構(gòu)造圖。
圖2(a) ~ (c)是用于說明以往的波導(dǎo)型光隔離器的工作原理的圖。 圖3 (a)和(b)是表示隨著以往的波導(dǎo)型光隔離器的工作波長的變化而
變化的相位差變化的特性例的圖。
圖4是表示隨著以往的波導(dǎo)型光隔離器的工作波長的變化而變化的反方
向傳播波的擴(kuò)散量(反方向損失)的特性例的圖。
圖5是表示隨著以往的波導(dǎo)型光隔離器的工作波長的變化而變化的正方
向傳播波的入射損失(正方向損失)的特性例的圖。
圖6是表示本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的波導(dǎo)部分的結(jié)構(gòu)例的圖。 圖7 (a)和(b)是用于說明本發(fā)明的波導(dǎo)寬頻帶光隔離器的設(shè)計(jì)波長中
的工作原理的圖。
圖8 (a)和(b)是表示隨著本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的工作波長 的變化而變化的相位差變化的特性例的圖。
圖9是表示用于使互易相位差的波長依存性變化的互易移相器6的波導(dǎo)構(gòu) 造例的圖。
圖10是表示根據(jù)工作波長的波導(dǎo)等價(jià)折射率的波長依存性的特性圖的一例。
圖ll是關(guān)于Ce: YIG的法拉第旋光常數(shù)的波長依存性的特性的圖。 圖12是表示Ce: YIG的折射率的波長依存性的特性例的圖。 圖13是表示波導(dǎo)寬度W = 2pm的與波導(dǎo)等價(jià)折射率的偏差的波長依存性 的特性圖。
圖14是表示用于調(diào)節(jié)互易相位差的波長依存性的機(jī)構(gòu)的圖。
圖15是表示構(gòu)成光隔離器的波導(dǎo)截面構(gòu)造的圖。
圖16是表示Si02的折射率的波長依存性的特性例的圖。
圖17是表示互易相位差0R的波fc依存性的特性例的圖。
圖18 (a)和(b)是表示使波導(dǎo)的寬度和長度變化時(shí)的互易相位差0r的
波長依存性的變化狀況的圖。
圖19是表示將磁光學(xué)材料Ce: YIG作為導(dǎo)波層的波導(dǎo)型光隔離器的一例
的立體構(gòu)造圖。
圖20是相對(duì)于反方向傳播波的損失量(反方向損失量)的特性例。 圖21是相對(duì)于正方向傳播波的損失量(正方向損失量)的特性例。 圖22是表示將Si作為導(dǎo)波層的波導(dǎo)型光隔離器的一例的立體構(gòu)造圖。 圖23是表示導(dǎo)波層Si的折射率的波長依存性的特性例的圖。 圖24是表示相對(duì)于反方向傳播波的損失量(反方向損失量)的特性例的圖。
圖25是表示相對(duì)于正方向傳播波的損失量(正方向損失量)的特性例的圖。
圖26是表示中心波長1.55lam的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的反方向損失(實(shí) 線)以及正方向損失(虛線)的波長依存性的圖。
圖27是表示中心波長1.43pm的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的反方向損失(實(shí) 線)以及正方向損失(虛線)的波長依存性的圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器是，將與設(shè)計(jì)波長相同的工作波長入射到 光隔離器時(shí)，作為互易移相量向正方向傳播波以及反方向傳播波的雙方提供 3兀/2,并且作為非互易移相量向正方向傳播波提供+兀/2，向反方向傳播波提供
-兀/2,由此在2條波導(dǎo)中行進(jìn)的光波中，分別對(duì)正方向傳播波提供相位差2兀，
對(duì)反方向傳播波提供相位差兀。即，對(duì)正方向傳播波提供稱為同相位的相位差， 對(duì)反方向傳播波提供稱為反相位的相位差。根據(jù)該相位差，使正方向傳播波從 分路結(jié)合器的中央端輸出，并且使反方向傳播波從中央端橫的多余光輸出端輸 出。
由于對(duì)正方向傳播波提供互易移相量與非互易移相量之和，對(duì)反方向傳播 波提供互易移相量與非互易移相量之差，所以關(guān)于因工作波長偏離設(shè)計(jì)波長時(shí) 的工作波長的變移導(dǎo)致的相位偏離的推移，與正方向傳^燔波相比，反方向傳播 波的傾角變得平滑。由此，即使在工作波長偏離設(shè)計(jì)波長的情況下，也能夠使
從相位差71的偏離為最小限度。
由此，抑制反方向損失的波長依存性，使定義隔離率的"反方向損失-正方 向損失"的值穩(wěn)定并實(shí)現(xiàn)寬頻帶化。
另外，通過調(diào)節(jié)波導(dǎo)寬度并使波導(dǎo)等價(jià)折射率的波長依存性變化，或者使 波導(dǎo)長變化，或者使波導(dǎo)寬度和波導(dǎo)長變化，能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)互易相位差的波長依 存性并消除非互易相位差的波長依存性，而修正因工作波長導(dǎo)致的相位變化的 偏移。其結(jié)果，調(diào)整波長依存性以使從非互易相位差和互易相位差的設(shè)計(jì)值開 始的偏差的絕對(duì)值相等，來實(shí)現(xiàn)光隔離器的寬頻帶化。
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器進(jìn)行說明。并且，本發(fā) 明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的整體結(jié)構(gòu)，除使磁場(chǎng)印加方向?yàn)榉捶较蛞酝猓?與以往的圖1的結(jié)構(gòu)相同，并省略說明。
圖6是表示波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的波導(dǎo)部分相關(guān)的結(jié)構(gòu)的圖，圖7 (a) 和(b)是表示設(shè)計(jì)波長中的工作原理的圖。
波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的波導(dǎo)部由以下部件構(gòu)成-使相對(duì)于激光器的入射 光成為異常光的反射光等擴(kuò)散的多余光輸出端2;成為激光器的輸入端以及輸 出端的中央端3;進(jìn)行正方向傳播波以及反方向傳播波的分路結(jié)合的分路結(jié)合 器4;對(duì)正方向傳纟番波以及反方向傳播波施加磁場(chǎng)而發(fā)生相位差的非互易移相 器5;分別通過光路長差使在被分路結(jié)合器4分路的2個(gè)正方向傳播波和反方 向傳播波發(fā)生互易相位差的互易移相器6。
提供非互易移相的非互易移相器5將磁場(chǎng)的印加方向作為相對(duì)方向，對(duì)在
2條波導(dǎo)中行進(jìn)的、具有設(shè)計(jì)波長的正方向傳播波間提供+ 71/2的相位差，對(duì) 反方向傳播波間提供-71/2的相位差。
另一方面，互易移相器6向具有設(shè)計(jì)波長的正方向傳播波和反方向傳播波 一起提供3兀/2的相位差。因此，互易移相器6被設(shè)計(jì)成在2條波導(dǎo)間產(chǎn)生光 路長差3V4 (以下，使"設(shè)計(jì)波長，，為X)。
其結(jié)果，正方向傳播波從輸入側(cè)的中央端3入射，被分路結(jié)合器4分路后， 被互易移相器6提供3兀/2的相位差，被非互易移相器5提供+ tt/2的相位差。 在輸出側(cè)的分路結(jié)合器4中結(jié)合時(shí)，對(duì)正方向傳播波發(fā)生27t的相位差。由于 2兀的相位差與相位差0等同，所以從輸出側(cè)的中央端3被輸出(圖7(a))。
相反地，反方向傳播波(反射返回光)從輸出側(cè)的中央端3入射，被分路 結(jié)合器4分路后，被互易移相器6提供3W2的相位差，被非互易移相器5提 供-兀/2的相位差。在輸入側(cè)的分路結(jié)合器4中結(jié)合時(shí)，對(duì)反方向傳播波發(fā)生兀 的相位差。由此，反方向傳播波從輸入側(cè)的多余光輸出端2被擴(kuò)散(圖7(b))。
并且，為了簡便，互易移相器6的光路長差相對(duì)于設(shè)計(jì)波長人使用3V4， 但被互易移相器6提供的光路長差也可以具有下述(1)式的長度。
(x+3/4)、 (1)
但是，x是O以上的整數(shù)。
由此，能夠使正方向傳播波以及反方向傳播波的雙方得到(x+3/4) x2兀 的互易相位差。
另夕卜，也可以將由非互易移相器產(chǎn)生的非互易相位差作為兀/2的奇數(shù)倍(3 以上)來構(gòu)成波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器1。但是，為得到所期望的非互易移相量， 由于這里的必要傳播距離是為得到相同大小的互易移相量要比必要傳播距離 長3街以上，所以使非互易相位差為兀/2的奇數(shù)倍(3以上)方法不能現(xiàn)實(shí)。 并且，以下，為簡便，互易移相器6的相位變化使用3兀/2進(jìn)行詳細(xì)說明。
該波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器1的、互易相位差0R和非互易相位差(正方向 傳播eN、反方向侍播-9n)的波長依存性的特性例如圖8 (a)和(b)所示。 互易相位差和非互易相位差的波長依存性是用互易移相器6中的相對(duì)于工作 波長的變化的互易移相量的推移的傾角(eR)、和非互易移相器5中的相對(duì)于 工作波長的變化的非互易移相量的推移的傾角(正方向傳播eN、反方向傳播
-6N)來表示的(圖8 (a))。對(duì)于互易相位差和非互易相位差的波長依存性，
由于0R的傾角和0N的傾角具有相同的符號(hào)，所以能夠降低反方向傳播波發(fā)生
的相位差(-eN + eR)的波長依存性。由此，與互易相位差為兀/2的情況相比， 在正方向傳播波中發(fā)生的相位差的波長依存性增大，但在反方向傳播波中發(fā)生 的相位差的波長依存性降低。這樣，能夠使波導(dǎo)型光隔離器的工作波長區(qū)域?qū)?頻帶化。
圖9是表示用于使互易相位差的波長依存性變化的互易移相器6的波導(dǎo)構(gòu)
造的圖。
如上所述，在設(shè)計(jì)波長？t中，為了用互易移相器6對(duì)光波提供3兀/2的互 易相位差，互易移相器6只具有3X/4的波導(dǎo)長就能實(shí)現(xiàn)。但是，工作波長偏 離設(shè)計(jì)波長X時(shí)，非互易移相器5和互易移相器6 —起得到的相位差從設(shè)計(jì)波 長的移相量兀/2和3tt/2開始產(chǎn)生偏移。該偏移能夠被上述非互易移相器5和互 易移相器6的移相量消除，但為了更有效地消除，對(duì)互易移相器6進(jìn)行微調(diào)整。 這是通過使互易移相器6的波導(dǎo)寬度變化并隨其變化使導(dǎo)波整等價(jià)折射率變 化來使相位差的偏差減小而實(shí)現(xiàn)的。
互易移相器6使另一個(gè)波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度變化，并成為傳播常數(shù)^、光路長 Lh該互易移相器6設(shè)置在被輸入側(cè)的分路結(jié)合器4分路的波導(dǎo)中的一個(gè)，使
傳播的正方向傳播波和反方向傳播波雙方發(fā)生相同的相位差?；ヒ滓葡嗥? 的互易移相效果由下述(2)式?jīng)Q定，其波長依存性表現(xiàn)為"2兀/波長x波導(dǎo)等價(jià) 折射率"的項(xiàng)。
2兀/波長x波導(dǎo)等價(jià)折射率x光路長 (2 )
即， 一般地考慮相同的波導(dǎo)時(shí)，"2兀/波長x波導(dǎo)等價(jià)折射率"的值在短波長 側(cè)大。
將空氣(上金屬包層)/Ce: YIG(導(dǎo)波層)/( ( Ca, Mg， Zr )-doped Gd3Ga5012) (NOG)基板(下金屬包層)作為一例，波導(dǎo)寬度2.0)im、導(dǎo)波層厚0.48pm、 有效高度0.06|im中的、因工作波長產(chǎn)生的波導(dǎo)等價(jià)折射率的波長依存性如圖 10所示。這樣，波長變長時(shí)，波導(dǎo)等價(jià)折射率減小。即，如果波長變短，那 么"2兀/波長，，增大，由于乘算的波導(dǎo)等價(jià)折射率也在短波長側(cè)大，所以"2兀/波長 x波導(dǎo)等價(jià)折射率"的值也在短波長側(cè)變大。
另一方面，由非互易移相器5產(chǎn)生的非互易移相效果的波長依存性是大致 由磁光學(xué)材料(磁性石榴石)的磁光學(xué)常數(shù)的波長依存性決定的，在短波長側(cè)
能夠得到大的非互易移相效果。表示磁光學(xué)石榴石Ce: YIG的法拉第旋光數(shù) 的波長依存性的特性例如圖ll所示，表示Ce: YIG的折射率的波長依存性的 特性例如圖12所示。
在此，考慮由非互易移相器5和互易移相器6產(chǎn)生的反方向傳播波時(shí)，通 過使非互易移相量和互易移相量近似，即使在工作波長偏離設(shè)計(jì)波長X時(shí)，也 能夠使與相位差兀的偏差減小。因此，通過使互易移相器6的波導(dǎo)寬度變化， 而使波導(dǎo)等價(jià)折射率變化，成為下述(3)式，而與相對(duì)于反方向傳播波的波 長依存性相4氐消。
2兀/波長x波導(dǎo)等價(jià)折射率x光路差-非互易相位差N7i (3)
將空氣(上金屬包層)/Ce: YIG (導(dǎo)波層)/NOG基板(下金屬包層)作 為一例，波導(dǎo)寬度2.2pm、 2.4[xm、 3.0jim時(shí)的波導(dǎo)等價(jià)折射率與波導(dǎo)寬度2.0, 的波導(dǎo)等價(jià)折射率之間的偏差的波長依存性的特性例如圖13所示。利用該波 導(dǎo)等價(jià)折射率的波長依存性，調(diào)節(jié)波導(dǎo)等價(jià)折射率的項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)與非互易移相效 果的波長依存性相近似。
為了使波導(dǎo)型寬頻帶化光隔離器的工作區(qū)域進(jìn)一步寬頻帶化，不僅使波導(dǎo) 的寬度還使長度變化來調(diào)節(jié)互易相位差。在相對(duì)于互易移相器6的波導(dǎo)中設(shè)置 具有波導(dǎo)寬度不變的光路長k的調(diào)整部8。使互易移相器6以外的波導(dǎo)的傳播 常數(shù)為P2，在設(shè)計(jì)波長X中，下述(4)式成立。
(3一L廣P2xL2-3ti/2 (4)
而且，使波導(dǎo)的寬度和長度變化并進(jìn)行相對(duì)于互易移相器6的波導(dǎo)變化的 微調(diào)整，以使波長變化時(shí)的互易相位差P!xLrP2xL2的從3兀/2開始的偏差與非 互易相位差的乂人兀/2開始的偏差相等。
其結(jié)果，使分路結(jié)合器4間的除了互易移相器6以外的部分的1條光路長 為Lo時(shí)，互易移相器6側(cè)波導(dǎo)的分路結(jié)合器4間的光路長L(n成為下述(5) 式。
Lo產(chǎn)傳播常數(shù)(32的區(qū)間Lo +傳播常數(shù)(3!的區(qū)間L，(互易移相器6 ) (5) 另外，另一側(cè)波導(dǎo)的分路結(jié)合器4間的光路長"2成為下述(6)式。
1^02=傳播常數(shù)(32的區(qū)間L0 +傳播常數(shù)(32的區(qū)間L2 (調(diào)整部8 ) (6)
并且，使波導(dǎo)寬度變化的情況下，急劇地變化導(dǎo)致在該部分發(fā)生傳播光的 反射、放射，并牽涉到傳播損失。因此，在波導(dǎo)不同的區(qū)間的連接部分，向正 方向傳播波和反方向傳播波的傳播方向，插入波導(dǎo)寬度逐漸變化的錐形波導(dǎo) 7。另外，由于通過該錐形波導(dǎo)7在互易移相器6—側(cè)無意識(shí)地產(chǎn)生相位差， 所以也在另一個(gè)波導(dǎo)中插入錐形波導(dǎo)7。由此，補(bǔ)償因插入錐形波導(dǎo)7引起的 2條波導(dǎo)的不平衡。
在此，具體地說明使波導(dǎo)的寬度和長度變化時(shí)，對(duì)互易相位差的波長依存 性怎樣變化進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。在此考慮的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的波導(dǎo)構(gòu)造如 圖14所示。在此，代替在合分路部使用錐形分路結(jié)合器，而使用多模式干涉 結(jié)合器(MMI耦合器)9。使用多模式分路結(jié)合器時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)波長依存性小 的合分路特性。通過使波導(dǎo)1的寬度W,和長度L,變化，來調(diào)節(jié)互易相位差。 光隔離器的波導(dǎo)截面構(gòu)造如圖15所示。將磁光學(xué)材料Ce: YIG作為導(dǎo)波層， 作為上金屬包層使用Si02，將使Ce: YIG結(jié)晶成長的NOG基板作為下金屬 包層。在互易相位差的計(jì)算中，使用Ce: YIG的折射率的波長依存性(圖12)、 Si02的折射率的波長依存性(圖16)?；ヒ紫辔徊?r以及非相原相位差0n的 典型的波長依存性如圖17所示。在圖3以及圖8中，這些相位差的波長依存 性為簡單化用直線表示，但在實(shí)際的波導(dǎo)中，如圖17所示的那樣波長依存性 是曲線地變化。使導(dǎo)波略1的寬度Wi變化時(shí)，互易相位差表示圖18 (a)那 樣的波長依務(wù)性。另夕卜，使波導(dǎo)1的長度L]變化時(shí)，互易相位差表示圖18(b) 那樣的波長依存性。這樣，利用相對(duì)于互易相位差的波導(dǎo)寬度和長度的依存性 時(shí)，能夠以反方向傳播光的相位差與理想值兀 一致的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。
利用上述設(shè)計(jì)，能夠制造在覆蓋1.31pm段(1.26 ~ 1.36(mi)和1.55inn段 (1.53 ~ 1.625jxm)兩個(gè)波段的全波長域中具有30dB以上的反方向損失的波導(dǎo) 型寬頻帶光隔離器。由此，在長距離光纖通信使用的1.31jim段和1.55pm段 兩個(gè)波段中也能夠工作。
以下，說明使用本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器的實(shí)施例。 [實(shí)施例1 ]
將圖19所示的磁光學(xué)材料Ce: YIG (CeY2Fe5〇12)作為導(dǎo)波層的波導(dǎo)型
光隔離器中的寬頻帶化作為實(shí)施例1進(jìn)行說明。
由于Ce: YIG是磁光學(xué)材料，所以必須考慮Ce: YIG的法拉第旋光常數(shù) 的波長依存性。關(guān)于Ce: YIG的法拉第旋光常數(shù)的波長依存性，利用成為圖 ll所示的值的Ce: YIG。另外，關(guān)于Ce: YIG的折射率的波長依存性，利用 成為圖12所示的值的Ce: YIG?？紤]這些來制成將Ce: YIG作為導(dǎo)波層的波 導(dǎo)型光隔離器。
波導(dǎo)的層構(gòu)造為空氣(上金屬包層)/Ce: YIG (導(dǎo)波層)/NOG (下金屬 包層)。另外，為了盡可能小地抑制相對(duì)于反方向傳播波的波長依存性，使圖 9的互易移相器6為L， = lO.Ojxm、 L2 = 10.59pm、 Wt = 2.4(im、 W2 = 2.0pm ( Wi 是互易移相器6的波導(dǎo)寬度，W2是互易移相器以外的波導(dǎo)寬度)。另外，使 Ce: YIG導(dǎo)波層的厚度為0.48|im。
由該設(shè)計(jì)得到的波導(dǎo)型光隔離器的對(duì)于反方向傳播波的損失量(擴(kuò)散量) 的特性例如圖20所示，對(duì)于正方向傳播波的損失量(正方向損失量)的特性 例如圖21所示。
在該波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器中，覆蓋波長1.40~ 1.63pm得到30dB以上的 反方向損失(擴(kuò)散量)(在以往的光隔離器中，在波長1.54 ~ 1.56pm中反方向 損失30dB以上)。相反地，對(duì)于正方向傳播波的波長依存性比以往的小，在 該波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器中，在反方向損失(擴(kuò)散量)30dB以上的頻帶內(nèi)， 在插入損失量最大的頻帶端(波長1.40pm)增加1.3dB左右(在以往中在相 同的波長下為O.ldB)。但是，用反方向損失-正方向損失定義的隔離率的波長 依存性大致用反方向損失的波長依存性決定，能夠?qū)崿F(xiàn)大寬度的寬頻帶化。并 且，由于正方向傳播波的損失量能夠用光增幅器等補(bǔ)償，所以不會(huì)產(chǎn)生大的問 題。
將圖22所示的SH乍為導(dǎo)波層的波導(dǎo)型光隔離器中的寬頻帶化作為實(shí)施例 2進(jìn)行說明。
該波導(dǎo)型光隔離器的層構(gòu)造是Ce: YIG (上金屬包層)/Si/ (導(dǎo)波層)/Si02 (下金屬包層)。上金屬包層Ce: YIG的法拉第旋光常數(shù)的波長依存性是利用 成為由圖ll得到的上述值的Ce: YIG，關(guān)于導(dǎo)波層Si的折射率的波長依存性
利用成為圖23所示的值的Si，關(guān)于基板Si02的折射率的波長依存性利用成為 圖16所示的值的Si02。該波導(dǎo)型光隔離器是由SOI晶片(Si/Si02/Si)形成的 超小型光隔離器的一例，作為硅光子光回路用的光隔離器使用。并且，在圖 22中，在分路結(jié)合器4中使用多模式干涉結(jié)合器(MMI耦合器)，但對(duì)本發(fā) 明的相位差波長依存性平坦化而得到的隔離器的寬頻帶化沒有影響?？梢钥紤] 具有該構(gòu)造的波導(dǎo)型光隔離器。
為了盡可能小地抑制反方向傳播波的波長依存性，使圖9的互易移相器6 為L廣3,30jim、 L2 = 4.084)im、 W, = 0.8|im、 W產(chǎn)0.6fim (W,是互易移相器6 的波導(dǎo)寬度，W2是互易移相器以外的波導(dǎo)寬度)。另外，Si導(dǎo)波層的厚度為 0.2)jm。
由該設(shè)計(jì)得到的波導(dǎo)型光隔離器的對(duì)于反方向傳播波的損失量(擴(kuò)散量) 的特性例如圖24所示，對(duì)于正方向傳播波的損失量(正方向損失量)的特性 例如圖25所示。
在該波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器中，覆蓋波長1.485 - 1.63,得到30dB以上 的反方向損失(擴(kuò)散量)(在以往的光隔離器中，在波長1.54 ~ 1.56pm下反方 向損失30dB以上)。相反地，對(duì)于正方向傳播波的波長依存性比以往的小， 在該波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器中，在反方向損失(擴(kuò)散量)30dB以上的頻帶內(nèi)， 在插入損失量最大的頻帶端(波長1.485|im)，增加0.5dB左右(在以往中相 同的波長下為0.05dB)。但是，用反方向損失-正方向損失定義的隔離率的波長 依存性大致由反方向損失的波長依存性決定，能夠?qū)崿F(xiàn)大寬度的寬頻帶化。并 且，由于正方向傳播波的插入損失量能夠用光增幅器等補(bǔ)償，所以不會(huì)成為大 的問題。另外，將GalnAsP作為導(dǎo)波層的波導(dǎo)型光隔離器是利用該Si導(dǎo)波層 利用的波導(dǎo)型光隔離器的變形，具有同樣的效果。 [實(shí)施例3]
表示中心波長1.55pm的波導(dǎo)寬頻帶光隔離器的特性。波導(dǎo)的構(gòu)造是，在 圖14中，L,-卯0/im、 L2 = 899.55jLim、 W！ = 2.4jim、 W2 = 2.0|iim、 L,10)im。 向由該設(shè)計(jì)得到的波導(dǎo)型光隔離器入射的光波的損失的波長依存性如圖26所 示。對(duì)于反方向傳播波的損失量用實(shí)線表示，對(duì)于正方向傳播波的損失量用虛 線表示。覆蓋波長1.4|tim~ 1.65pm,反方向損失比一般要求的值30dB大。隨
著從入射光的波長1.55)Lim開始的偏移變大，正方向損失變大，但由反方向損 失量-正方向損失量定義的隔離率的波長依存性大致由反方向損失的波長依存 性決定，能夠?qū)崿F(xiàn)大寬度的寬頻帶化。并且，由于正方向傳播波的插入損失量 能夠用光增幅器等補(bǔ)償，所以不會(huì)成為大的問題。 [實(shí)施例4 ]
表示中心波長1.43pm的光隔離器的特性。波導(dǎo)的構(gòu)造是，在圖14中， L產(chǎn)930pm、 L2 = 929.72|xm、 W!^3.0)im、 W2 = 2.0)am、 Lt=10|xm。向由該i殳計(jì) 得到的波導(dǎo)型光隔離器入射的光波的損失的波長依存性如圖27所示。對(duì)于反 方向傳播波的損失量用實(shí)線表示，對(duì)于正方向傳播波的損失量用虛線表示。反 方向損失比一般要求的值30dB大的范圍覆蓋1.31)im段(1.26 ~ 1.36pm )和 1.55|im段(1.53 ~ 1.625jLim)兩個(gè)波段。隨著從入射光的波長的1.43jim開始 的偏移變大，正方向損失變大，但用反方向損失量-正方向損失量定義的隔離
帶化。并且，由于正方向傳播波的插入損失量能夠用光增幅器等補(bǔ)償，所以不 會(huì)成為大的問題。
如上所述，相對(duì)于以往的設(shè)計(jì)波長1.55pm的波導(dǎo)型光隔離器中的、反方 向傳播波的擴(kuò)散量(反方向損失)30dB以上的工作頻帶為設(shè)計(jì)波長前后約 20nm(約1.54~ 1.56pm)，本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器能夠得到200nm以 上的工作頻帶。
在波導(dǎo)構(gòu)造中，通過使波導(dǎo)長變化，得到互易相位差3兀/2，使得到非互易 移相差的磁場(chǎng)的施加方向?yàn)橄鄬?duì)方向。其結(jié)果，對(duì)正方向傳播波提供2tt的相 位差，對(duì)反方向傳播波提供兀的相位差。
進(jìn)一步，通過使互易移相器的波導(dǎo)寬度部分變化，或者使波導(dǎo)的長度變化， 或者使波導(dǎo)寬度和波導(dǎo)的長度變化，而使互易移相器的相位變化的波長依存性 與非互易移相器的波長依存性相抵消，由此在對(duì)于反方向傳播波的波長依存性 的降低方面是成功的。
另夕卜，通過導(dǎo)入錐形波導(dǎo)來抑制由波導(dǎo)寬度變化引起的傳播光的反射、放 射是成功的。
在光隔離器中，即使多少要犧牲正方向損失，也能顯著地獲得使反方向損 失(擴(kuò)散量)增大的效果，能夠消除相互的波長依存性并實(shí)現(xiàn)寬頻帶化。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器，是波導(dǎo)型光隔離器，其特征在于，包括互易移相器，其使基本工作波長為λ，使在第1波導(dǎo)中傳播的第1光波與在第2波導(dǎo)中傳播的第2光波之間的相位差為3π/2；非互易移相器，對(duì)正方向傳播波提供π/2的相位差，對(duì)反方向傳播波提供-π/2的相位差。
全文摘要
本發(fā)明的波導(dǎo)型寬頻帶光隔離器包括互易移相器，基本工作波長為λ，使在第1波導(dǎo)中傳播的第1光波與在第2波導(dǎo)中傳播的第2光波之間的相位差為3π/2；非互易移相器，對(duì)正方向傳播波提供π/2的相位差，對(duì)反方向傳播波提供-π/2的相位差。由此，能夠使反方向損失的波長依存性降低，使可利用的工作波長域拓寬，在長距離光纖通信使用的1.31μm段和1.55μm段兩個(gè)波段中也能工作。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101361017SQ20068005130
公開日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2006年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月19日
發(fā)明者莊司雄哉, 水本哲彌 申請(qǐng)人:三美電機(jī)株式會(huì)社