導波路型光アイソレータ
【課題】 高いアイソレーションと小さな損失を備え、かつ安価で量産に適した、導波路型光アイソレータの構成を提供する。
【解決手段】 基体上に第１のクラッド層とコア部と第２のクラッド層とを有し、このコア部をファラデー回転子とし、そのコア部の途中に、互いの偏光軸が４５度なすように第１及び第２の偏光素子が配置された導波路型光アイソレータにおいて、少なくとも前記基体に、第１及び第２の偏光素子をはめ込んで固定する溝を形成し、この溝の底部を基準となる平面に沿った位置決めができる位置決め面として、偏光素子の高精度の角度合わせを可能とすると共に、コア部の一部の断面積を他の部位に比して小さくすることによりモードフィルド径を増大せしめ損失の低減を図る。
【解決手段】 基体上に第１のクラッド層とコア部と第２のクラッド層とを有し、このコア部をファラデー回転子とし、そのコア部の途中に、互いの偏光軸が４５度なすように第１及び第２の偏光素子が配置された導波路型光アイソレータにおいて、少なくとも前記基体に、第１及び第２の偏光素子をはめ込んで固定する溝を形成し、この溝の底部を基準となる平面に沿った位置決めができる位置決め面として、偏光素子の高精度の角度合わせを可能とすると共に、コア部の一部の断面積を他の部位に比して小さくすることによりモードフィルド径を増大せしめ損失の低減を図る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光を用いた放送波伝送、及び光による計測等において、光源となるレーザーから出射された光波が、種々の原因で光源に戻ることを防止するために用いる導波路型光アイソレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１に、従来からよく知られた、ファラデー回転子を用いた光アイソレータの構成概略を示す。図中、１１１はファラデー回転子、１１２は偏光子、１１３は検光子、１１４は永久磁石等の磁界印加手段、１１５は半導体レーザー等から成る光源、１１６は光源１１５から出射された光の伝播方向を示す。
【０００３】
従来、ファラデー回転子１１１の材料としては、例えば特開平７−２０６５９３号公報に記載されているように、非磁性ガーネット基板上に液相エピタキシャル法で形成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶が用いられていた。一般的に、ファラデー回転子１１１に入射する光の偏光方向と、ファラデー回転子を透過した後の光の偏光方向との成す角度、すなわちファラデー回転角は、ファラデー回転子の光伝播方向の厚さに比例する。
【０００４】
例えば、光アイソレータの場合、ファラデー回転角は４５度であることが必要であり、そのためのビスマス置換希土類鉄ガーネットの厚さは４００〜５００μｍとなる（以下、４５度のファラデー回転角を得るための厚さを「伝播長」と記す）。通常、係る伝播長を得るために、液相エピタキシャル法で、ビスマス置換希土類鉄ガーネットを前述した伝播長より厚く形成した後、基板を研磨で除去し、更に、精密研磨により所望のファラデー回転角を得るために必要な膜厚に追い込む、と云う加工方法が採られていた。
【０００５】
一方、小型でかつ構造が簡単な光アイソレータとして、例えば、特開平７−３６００号公報においては、所謂導波路型の光アイソレータが開示されている。同公報に開示されている導波路型光アイソレータは、所定形状のＹＩＧ単結晶膜から成る導波路を形成した後、その光伝搬方向の長さを、偏光面が４５度回転するようにチップ状に切断、研磨し、その両端の研磨面に偏光子を貼り付ける、と云う方法で製造されていた。当該構成の導波路型光アイソレータにおいては、ＹＩＧ単結晶膜から成る導波路が、ファラデー回転子としての機能を担っている。
【特許文献１】特開平７−２０６５９３号公報
【特許文献２】特開平７−３６０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光アイソレータの、半導体レーザー等の光源への戻り光遮断能（以下、「アイソレーション」と記す）は、ファラデー回転子の特性もさることながら、偏光子１１２と検光子１１３の消光軸の角度調整の精度に大きく依存する。ここに消光軸とは、偏光子、検光子において、直線偏光波を入射した場合に、その透過率が極小となる直線偏光の方向を云う。すなわち、光アイソレータにおいては、ファラデー回転子のファラデー回転角を４５度に設定し、かつ偏光子１１２と検光子１１３の消光軸が、互いに４５度の角度をなすように設定した場合に、最大のアイソレーションが得られる。例えば、ファラデー回転子のファラデー回転角が４５度の場合、偏光子と検光子の消光軸の合わせ角度が絶対値で１度ずれた場合、偏光子、検光子の性能にも依存するが、光アイソレータのアイソレーションの劣化量は、１０〜１５ｄＢ程度となることが見積もられる。
【０００７】
従って、高いアイソレーションを実現するためには、偏光子１１２と検光子１１３との成す角度を、可能な限り正確に４５度に合わせることが重要となり、斯かる事情は導波路型光アイソレータにおいても同様である。
【０００８】
このため、上述の従来の光アイソレータにおいて高いアイソレーションを得るためには、この角度合わせ調整を、検光子側から試験光を入射させて偏光子を透過する光の強度が最小になる角度に偏光子の設置角度を調整する等の極めて煩雑な調整が必要であった。それゆえ、この点が技術上の障害の１つになって、高いアイソレーションを有する光アイソレータを、歩留まりよく安価に大量に製造することを困難にしていた。
【０００９】
発明者等の導波路型光アイソレータの開発に関する系統的な検討の結果、例えば、図３に示したような構成とすることで偏光子と検光子の消光軸を高精度で合わせることが可能であることが見いだされた。図３は、発明者等が新たに発明した導波路型光アイソレータの構成概略図で、図中３１は基板、３２は下部クラッド層、３３はファラデー効果を有する磁性体ガーネットから成るコア部、３４は上部クラッド層、３５は偏光子、３６は検光子、３７は光源（図示せず）から出射された光の伝搬方向を示す矢印、３８は当該導波路型光アイソレータから出射した光の伝搬方向を示す矢印である。
【００１０】
本構成における導波路型光アイソレータにおいては、偏光子３５、検光子３６共に、コア部に形成された溝に挿入された形態となっており、溝部底面が基準面となっているため、高精度の軸合わせが可能となる。
【００１１】
ところが、同構成の導波路型光アイソレータにおいては、良好な消光比が実現されるもののアイソレータの損失が大きいと云う問題点があることが、新たに見いだされた。
【００１２】
本発明の目的は、高いアイソレーションと小さな損失を備え、かつ安価で量産に適した、導波路型光アイソレータの構成を提供することにある。
【００１３】
なお、光伝搬方向とは、光源から出射された光が導波路型光アイソレータの設けられた導波路内を伝搬する方向を意味し、導波路型光アイソレータの出射端とは、光源から出射された光が導波路型光アイソレータに設けられた導波路内を伝搬し、伝搬した光が該導波路から出射される端部、例えば図３においては、矢印３８側に位置する端部を意味する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記解決すべき課題に対して、本発明により提供される第１の手段は、
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータであって、該コア部の光伝搬方向に位置する端部以外の該コア部に、光源側から第１の偏光素子、及び該第１の偏光素子から所望の間隔を隔てて第２の偏光素子が設けられ、少なくとも該第２の偏光素子がコア部の光伝搬方向と略直交するように該コア部に挿入された偏光板であり、かつ該第２の偏光素子の光出射端側に位置するコア部が、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備することを特徴とする導波路型光アイソレータである。
【００１５】
また、本発明により提供される第２の手段は、
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータにおいて、該コア部の光伝搬方向と略直交するように、光源側から第１の偏光板、及び該第１の偏光板から所望の間隔を隔てて第２の偏光板が挿入され、かつ該第１、及び第２の偏光板の光出射端側に位置するコア部が、共に、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備することを特徴とする導波路型光アイソレータである。
【００１６】
また、本発明により提供される第３の手段は、
前記導波路型光アイソレータにおいて、該偏光板が、ガラス体に針状金属微粒子の長手方向を一方向に優先的に配向分散させて成る偏光ガラスであることを特徴とする手段である。
【００１７】
また、本発明により提供される第４の手段は、
前記導波路型光アイソレータにおいて、該コア部が単結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする手段である。
【００１８】
更に、本発明により提供される第５の手段は、
前記導波路型光アイソレータにおいて、該コア部が多結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする手段である。
【００１９】
以下、図３に示した導波路型光アイソレータにおいて、損失が増大する原因、及びその解決手段について、図４ａ及び図４ｂを用いて詳細に説明する。
【００２０】
図４ａは、導波路から出射された光が拡がる様子を模式的に示した図であり、図４ｂは、図３において、検光子３６近傍における光の伝搬の様子を模式的に示す概略側断面図である。図４ａ中、４１は基板、４２は下部クラッド層、４３はコア部、４４は上部クラッド層、４４は模式的に示した光の拡がり、４５は導波路の出射端から出射された光が伝搬する方向を示す矢印である。また、図４ｂ中、３３１は光源（図示せず）側に位置するコア部、３３２は出射端側に位置するコア部、４７、４８は各々コア部３３１、３３２の内部を伝搬する光の伝搬方向を示す矢印、４４１は模式的に示した検光子３６の内部を伝搬する光の拡がり、である。
【００２１】
一般的に導波路の出射端から空間に出射された光は、図４ａに模式的に示したように拡散する。拡散の程度は、空間の比屈折率を１とすると以下の（１）式で定義される開口数（ＮＡ）で表される。
【００２２】
【数１】
式１においてｎｃｏｒｅはコア部の屈折率θcは、コア部４３の屈折率ｎｃｏｒｅ、とクラッド層４２及び４４の屈折率ｎｃｌａｄ、によって決定される全反射臨界角で、以下の（２）式で与えられる。
【００２３】
【数２】
すなわち、空間に出射された光の拡散の程度は、ＮＡの増加と共に増大し、かつ式（１）からＮＡはコア部の屈折率に比例することから、コア部４３の屈折率の増加と共に、出射された光の拡散の度合いは増大する。また、一般的な石英ガラスを用いた導波路におけるコア部の屈折率、は〜１．５近傍であるのに対し、磁性ガーネットから成るコア部の場合には、その屈折率は〜２．２程度となるため出射された光の拡散の度合いは、石英ガラスを用いた導波路の場合に比べて増大する。
【００２４】
また、図４ｂに示したように、導波路の途中を切断し、偏光ガラス等から成る検光子３６を挿入した場合の光の伝搬についても同様の状態であり、コア部３３１内を伝搬する光４７は、検光子３６内を伝搬する際に拡がり４４１に模式的に示したように拡がることとなる。従って、コア部３３２とコア部３３１の断面形状が同一である場合には、コア部３３２内を伝搬する光のエネルギーは、検光子３６内におけるビーム拡がり幅とコア部３３２の光伝搬方向に直交する面の断面積（以下、係る断面積を単に「コア部の断面積」と記す）との比率に応じて減少することとなり、結果として光アイソレータの損失が増大することとなる。
【００２５】
係る損失を低減する方法として、受け側であるコア部３３２の断面積を増大せしめる方法が考えられる。しかし、同方法をとる場合には、コア部内を伝搬する光のシングルモード条件が満足されなくなることから適当ではない。
【００２６】
すなわち、本発明は、導波路を伝搬する光のモードフィルド径（伝搬する光のエネルギーが全伝搬エネルギーに対して1/e2になる径）が、導波路を構成するコア部の光伝搬方向に直交する面の形状（以下、係るコア部の形状を単に「コア部形状」と記す。）に大きく依存することに着目し、その効果を利用することにより完成されたものである。
【００２７】
以下、本発明における光アイソレータの損失低減手段について説明する。
【００２８】
図５及び図６に導波路内を伝搬する光の電界強度分布及びパワー分布の計算結果の一例を示す。計算に用いたコア部の屈折率は２．２０、クラッド層の屈折率は２．１９である。また、コア部の断面形状は正方形である。図５は、コア部の中心を原点として、中心からの距離と電界強度との関係を示した図である。同図において、規格化電界強度とは、コア部の中心における電界強度で規格化した電界強度を意味し、中心からの距離とは、コア部の正方断面における一辺に平行方向の距離である。
【００２９】
図６は、コア部の中心を原点として、中心からの距離と積算パワーとの関係を示した図である。同図において、伝送パワーの規格化積算値とは、全伝送パワーで規格化したパワーの積算値を意味する。また、中心からの距離については前述したとおりである。
【００３０】
図中、５１、６１はコア部の形状が５μｍ角の正方形状の場合、５２、６２はコア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合についての計算結果である。
【００３１】
図５に示したように、コア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合、同５μｍの場合に比べて、電界強度分布はブロードになっていることが理解される。また、これに呼応して、図６に示したように、コア部の形状が５μｍ角の正方形状の場合、全パワーの〜９０％がコア部内で伝搬されるのに対し、同０．８μｍ角の正方形状の場合には、その量は全パワーの〜２０％に過ぎず、大半の伝搬パワーはクラッド層、すなわち、エバネッセント成分として伝搬されていることが判る。換言すると、コア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合のモードフィルド径は、同５μｍの場合のモードフィルド径に比べて大きいことが理解される。
【００３２】
図７に正方形状コア部の一辺の長さとモードフィルド径との関係について計算した結果を示す。ここでモードフィルド径とは、例えば、図６に示した計算結果において、伝搬パワーの規格化積算値が〜0.86（厳密には、1−1/e2）となる距離の２倍の値である。同図に示したように、四角形状コア部の一辺の長さが１μｍ以下になると、モードフィルド径が急激に増大することが判る。
【００３３】
本発明は、係るモードフィルド径の増大効果を利用して、前述した光アイソレータの損失を改善せんとするものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明により、高いアイソレーションと小さな損失を備え、かつ安価で量産に適した、導波路型光アイソレータの構成を提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１に本発明により成る導波路型光アイソレータの第１の実施形態を示す。
【００３６】
図中、１は基板、２は下部クラッド層、３は出射端側に位置するファラデー効果を有する磁性体ガーネットから成るコア部、４は上部クラッド層、６は光源（図示せず）側に位置するファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア部、５はコア部６の上に形成された金属膜、７は偏光板から成る検光子、８はコア部３においてその断面積が変化する部分、９、１０は各々コア部５及びコア部３内を伝播する光の伝搬方向を示すブロック矢印である。
【００３７】
以下、本実施形態の光アイソレータの動作原理について説明する。
【００３８】
コア部６の上に設けられた金属膜５は、所謂金属クラッディングとして設けられたものであり、当該金属膜の設けられたコア部分は、ＴＥ−ＴＭフィルタとして機能する。
【００３９】
光源（図示せず）から出射され、当該導波路型光アイソレータに入射した光は、ＴＥ波成分（偏光面が基板表面と平行である成分）とＴＭ波成分（偏光面が基板表面と直交である成分）の両者を含んだ光であるが、ＴＥ−ＴＭフィルタを通過することによりＴＭ波成分は除かれる。ＴＥ−ＴＭフィルタを通過したＴＥ波の偏光面は、コア部６内を伝搬する際にファラデー効果により回転し、検光子７に到達する直前には、その偏光面は基板表面に対して４５度の角度を成す。検光子の透過軸（消光軸と直交する軸）は、基板表面に対して４５度の角度を成すように配置されているので、当該偏光波は損失を受けずに検光子７を通過する。検光子７を通過する際、前述したように光は拡散し、そのビーム径は拡がることになる。しかし、コア部８の断面積（コア部の一辺の長さに相当）は他の部分に比して小さいため、前述したように、当該部分のモードフィルド径は他の部分よりも大きく、拡散した光の大部分をコア部８で受けることができる。その結果、コア部５を伝搬する光を、損失を伴わずしてコア部３に導くことが可能となる。
【００４０】
逆に光アイソレータに戻る光については、その偏光方向がランダムに分布しているが、当該戻り光が検光子７（この場合には、当該検光子は、偏光子として機能することから、厳密には“偏光子”と記すべきであるが、混同を生じるおそれがあるので、“検光子”と記載する。）を透過することによって、基板面に対して電界振動方向が４５度の角度を成す成分が、コア部６に取り込まれることになる。コア部６に取り込まれた光は、その内部を伝搬することにより、ファラデー回転の非相反性により、ＴＥ−ＴＭフィルタの直前においては、その偏光方向は基板表面に垂直方向、すなわちＴＭ波となる。当該ＴＭ波は、ＴＥ−ＴＭフィルタを透過する際に減衰するため、結果として戻り光が光源に到達することが妨げられることとなる。
【００４１】
図２に、本発明により成る導波路型光アイソレータの第２の実施形態を示す。
図中、２１は検光子３５と偏光子３６とに夾持されたコア部、２２は検光子３６の出射端側に位置するコア部である。すなわち、同図に示した実施形態は、図３に示した導波路型光アイソレータにおいて、偏光子３５と検光子３６に夾持されたコア部２１と、検光子３６の出射端側に位置するコア部２２の両者において、光源（図示せず）側の端部近傍におけるコア部の断面積を他の部分に比して小さくしたものである。
【００４２】
本実施形態においては、第１の実施形態で用いられているＴＥ−ＴＭフィルタの代わりに、偏光ガラス等からなる偏光板が偏光子３５として用いられ、かつ偏光子３５と検光子３６との透過軸は互いに４５度の角度を成すように配置される。本実施形態の光アイソレータの動作原理は、第１の実施形態とほぼ同様である。
【００４３】
図８−１〜図８−６に、本発明により成るコア部の先端の形状（図１あるいは図２におけるコア部８の形状）の主たる態様を概略的に記す。同図において、（ａ）はコア部８の光伝搬方向からみた概略正面図、（ｂ）は上部クラッド層側からみたコア部８の概略上面図、（ｃ）はコア部８の概略側面図である。
【００４４】
図８−１に示した態様は、コア部８の先端が四角錐台形状となっている場合であり、四角錐台の頂点は、コア部の中心線とほぼ一致する態様である。
【００４５】
図８−２に示した態様は、コア部８の先端部に、他に比して断面積が小さな矩形の凸部を設けた態様で、当該矩形の凸部の中心線は、コア部の中心線とほぼ一致する態様である。
【００４６】
図８−３に示した態様は、コア部の一方向、すなわち基板面に対して平行方向の幅のみが、その先端に向けて減少している態様である。
【００４７】
図８−４に示した態様は、コア部の基板法線方向の幅（換言する膜厚）が、その先端に向けて減少している態様である。
【００４８】
図８−５に示した態様は、図８−１に示した態様において四角錐台の頂点が、コア部の中心位置からずれてその底面（下部クラッド層と接する面）にある場合である。
【００４９】
図８−６に示した態様は、図８−２に示した態様において、矩形の突部の一側面がコア部の底面と略同一の面にある場合である。
【００５０】
図８−１〜図８−６に示した態様の内、図８−１と図８−２に示した態様がモードフィルドの中心とコア部の中心とが一致する点で最良の態様であると云える。しかし、他の態様の場合でにおいても、モードフィルドの拡大効果は期待されるため、本発明により成る導波路型光アイソレータの損失低減には有効である。
【００５１】
なお、本発明により成る導波路型光アイソレータにおけるコア部８の形状として、図８−１〜図８−６に示した態様に限定されず、要はその断面積が他の部分に比して小さくなっている限りにおいて、他のバリーエーシヨンも採りうるものであることは、改めて言及するまでもない。
【００５２】
以下、本発明について、実施例を用いて、更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００５３】
本発明の第１の実施例について、図９（図９ａ〜図９ｅ）を用いて説明する。図９は、本発明より成る導波路型光アイソレータの製造工程を示す流れ図である。図中、９１は３インチφの（１１１）面 （ＣａＧｄ）３（ＭｇＺｒＧａ）５Ｏ１２単結晶基板、９２はＴｂ２．３Ｂｉ０．７Ｆｅ４．６Ｇａ０．４Ｏ１２単結晶から成る下部クラッド層、９３はＴｂ２．３Ｂｉ０．７Ｆｅ４．７Ｇａ０．３Ｏ１２単結晶膜から成るコア層、９３１はコア層９３をパターニングして得られた第１のコア部、９３２は同第２のコア部、９３３は同第３のコア部、９４はＴｂ２．３Ｂｉ０．７Ｆｅ４．６Ｇａ０．４Ｏ１２から成る上部クラッド層、９５は偏光板挿入溝、９６、９７は偏光ガラスで、両者の消光軸は互いに４５度の角度を成す。
【００５４】
最初に、通常の液相エピタキシャル成長法により,（ＣａＧｄ）３（ＭｇＺｒＧａ）５Ｏ１２単結晶基板９１の表面にＴｂ２.３Ｂｉ０.７Ｆｅ４.６Ｇａ０.４Ｏ１２単結晶から成る下部クラッド層９２、及びＴｂ２.３Ｂｉ０.７Ｆｅ４.７Ｇａ０.３Ｏ１２単結晶膜から成るコア層９３を順次積層した。各々の膜厚は、下部クラッド層９２が７μｍ、コア層が５μｍであった。（図９ａ）
その後、上部コア層を通常のフォトリソ・エッチングプロセスで、第１のコア部９３１、第２のコア部９３２、及び第３のコア部を形成した。コア部の幅はいずれも５μｍで、第１のコア部９３１の長さは６００μｍ、第２のコア部９３２の長さは５７０μｍ、第３のコア部９３３の長さは６００μｍであった。図１０に、第２のコア部９３２と第３のコア部９３３の先端形状についてその概略を示す。図中、ｄ１、ｄ２は、各部位の寸法、φはコア部先端の開き角を示す。前述した方法で作成した第２及び第３のコア部のｄ１は共に〜７０μｍ、またｄ２は〜１μｍ、φは〜４度であった。（図９ｂ）
コア部のパターニング後、コア部を覆うように下部クラッド層形成と同様の条件で、液相エピタキシャル成長法により上部クラッド層９４として、Ｔｂ２.３Ｂｉ０.７Ｆｅ４.６Ｇａ０.４Ｏ１２を７μｍ形成した。（図９ｃ）
上部クラッド層９４の形成後、第２コア部を挟むように、幅：３５μｍで深さ：４０μｍの偏光板挿入溝９５を、高精度ダイサーで形成した。第２コア部を挟む溝の間隔は、第２コア部の長さと同様、５７０μｍである。（図９ｄ）
その後、短辺が１０ｍｍの短冊状に切り出した偏光ガラスを第２コア部を挟み偏光子９６、検光子９７の構成となるように挿入し、光学用接着剤で固定し（図９ｅ）、最後に、短冊を導波路毎に切断し、光学研磨にて導波路端面を露出させ、図２に示した導波路型光アイソレータと略同型の光アイソレータを作成した。
【００５５】
作成した導波路型光アイソレータの特性を測定した結果、アイソレーションは〜２３ｄＢで損失は〜１ｄＢであった。なお、測定波長は１．５５μｍであった。
【比較例】
【００５６】
比較例として、実施例１と同様の条件で、図３に示した態様の導波路型光アイソレータを作成した。ただし、当該比較例においては、コア部の断面形状は一様であり、一辺が〜５μｍの正方形状である。また、偏光子３５と検光子３６とに夾持されたコア部の長さは、実施例１と同様、〜５７０μｍであった。作成した導波路型光アイソレータの波長：１．５５μｍにおけるアイソレーションは〜２３ｄＢで損失は〜４ｄＢであった。
【実施例２】
【００５７】
実施例１と同様の条件で、図１に示した導波路型光アイソレータと略同型の光アイソレータを作成した。ただし、本実施例においては、コアパターン形成（図９ｂ）に先立ち、Ｃｒ／Ａｕから成る２層膜（Ｃｒがコア層９３側）に通常のスパッタリング法を用いて全面に形成し、金属クラッディング５を形成した。各々の膜厚は、Ｃｒ：〜０．０５μｍ、Ａｕ：〜０．３μｍで、光伝搬方向の長さは〜５ｍｍとした。
【００５８】
また、コア部８の形状は、実施例１と同様、図１０に示した形状である。
なお、本実施例においては、金属クラッディングの端部と検光子７との間隔は〜５７０μｍであった。
【００５９】
作成した光アイソレータの波長：１．５５μｍにおけるアイソレーションは〜１８ｄＢで、損失は〜２．５ｄＢであった。
【実施例３】
【００６０】
本実施例においては、３インチφの（１１１）面 （ＣａＧｄ）３（ＭｇＺｒＧａ）５Ｏ１２単結晶基板の代わりに３インチφのｃ面 サファイア基板を用いた。サファイア基板上にエアロゾルデポジション法により、下部クラッド層として多結晶のＢｉ０．６Ｇｄ２．４Ｆｅ５Ｏ１２を〜７μｍ厚に、その上にコア層としてＢｉ０．７Ｔｂ２．３Ｆｅ５Ｏ１２を〜５μｍ厚に成膜した。ここで用いた原料微粒子の平均粒径は０．８μｍ、搬送ガスは酸素で、その流量は５リットル／分であった。また、噴射ノズルの開口径は０．６ｍｍφであった。その後、実施例１に示した方法と同様の方法でコア部を形成した。第１，２，３のコア部の形状は、実施例１に示した形状と同様である。その後、上部クラッド層として、下部クラッド層と同様の条件で、〜７μｍ厚のＢｉ０．６Ｇｄ２．４Ｆｅ５Ｏ１２を形成した後、７００℃で１時間の熱処理を施した。
【００６１】
その後の作成条件は、実施例１に示した条件と同様である。
【００６２】
作成した導波路型光アイソレータの特性を測定した結果、アイソレーションは〜２５ｄＢで損失は〜２ｄＢであった。なお、測定波長は１．５５μｍであった。
【００６３】
以上、本発明により成る導波路型光アイソレータについて、実施例を用いて詳細に説明した。しかし、本発明は、実施例に記載した形状、製法に限定されるものではなく、所望の特性に応じて、形状及び製法を適宜選定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、光通信や光を用いた放送波伝送、及び光による計測等において、光源となるレーザーから出射された光波が、種々の原因で光源に戻ることを防止するための光アイソレータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明により成る導波路型光アイソレータの第１の実施形態。
【図２】本発明により成る導波路型光アイソレータの第２の実施形態。
【図３】導波路型光アイソレータに係る構成概略図。
【図４ａ】導波路から出射された光が拡がる様子を模式的に示した図。
【図４ｂ】図３において、検光子３６近傍における光の伝搬の様子を模式的に示す概略側断面図。
【図５】導波路内を伝搬する光の電界強度分布の計算結果。
【図６】導波路内を伝搬する光のパワー分布の計算結果。
【図７】正方形状コア部の一辺の長さとモードフィルド径との関係について計算した結果。
【図８−１】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−２】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−３】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−４】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−５】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−６】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図９】本発明より成る導波路型光アイソレータの製造工程を示すフロー図。
【図１０】第２のコア部９３２と第３のコア部９３３の先端形状の概略図。
【図１１】従来のバルク型ファラデー回転子を用いた光アイソレータの構成概略図。
【符号の説明】
【００６６】
１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 出射端側に位置するファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア部
４ 上部クラッド層
５ 光源（図示せず）側に位置するファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア 部
６ コア部６の上に形成された金属膜
７ 偏光板から成る検光子
８ コア部３においてその断面積が変化する部分
９、１０ 各々コア部５及びコア部３内を伝播する光の伝搬方向を示すブロック矢印
２１ 検光子３５と偏光子３６とに夾持されたコア部
２２ 検光子３６の出射端側に位置するコア部
３１ 基板
３２ 下部クラッド層
３３ ファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア部
３４ 上部クラッド層
３５ 偏光子
３６ 検光子
３７ 光源（図示せず）から出射された光の伝搬方向を示す矢印
３８ 当該導波路型光アイソレータから出射した光の伝搬方向を示す矢印
３３１ 光源（図示せず）側に位置するコア部
３３２ 出射端側に位置するコア部
４１ 基板
４２ 下部クラッド層
４３ コア部
４４ 上部クラッド層
４５ 導波路の出射端から出射された光が伝搬する方向を示す矢印
４７、４８ 各々コア部３３１、３３２の内部を伝搬する光の伝搬方向を示す矢印
４４１ 模式的に示した検光子３６の内部を伝搬する光の拡がり
５１、６１ コア部の形状が５μｍ角の正方形状の場合の計算結果
５２、６２ コア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合についての計算結果
９１ ３インチφの(111)面 （ＣａＧｄ）3（ＭｇＺｒＧａ）5Ｏ12単結晶基板
９２ Ｔｂ2.3Ｂｉ0.7Ｆｅ4.6Ｇａ0.4Ｏ12単結晶から成る下部クラッド層
９３ Ｔｂ2.3Ｂｉ0.7Ｆｅ4.7Ｇａ0.3Ｏ12単結晶膜から成るコア層
９３１ 第１のコア部
９３２ 第２のコア部
９３３ 第３のコア部
９４ Ｔｂ2.3Ｂｉ0.7Ｆｅ4.6Ｇａ0.4Ｏ12から成る上部クラッド層
９５ 偏光板挿入溝
９６、９７は偏光ガラス
ｄ１、ｄ２は、各部位の寸法
φ コア部先端の開き角
１１１ ファラデー回転子
１１２ 偏光子
１１３ 検光子
１１４ 永久磁石等の磁界印加手段
１１５ 半導体レーザー等から成る光源
１１６ 光源１１５から出射された光の伝播方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光を用いた放送波伝送、及び光による計測等において、光源となるレーザーから出射された光波が、種々の原因で光源に戻ることを防止するために用いる導波路型光アイソレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１に、従来からよく知られた、ファラデー回転子を用いた光アイソレータの構成概略を示す。図中、１１１はファラデー回転子、１１２は偏光子、１１３は検光子、１１４は永久磁石等の磁界印加手段、１１５は半導体レーザー等から成る光源、１１６は光源１１５から出射された光の伝播方向を示す。
【０００３】
従来、ファラデー回転子１１１の材料としては、例えば特開平７−２０６５９３号公報に記載されているように、非磁性ガーネット基板上に液相エピタキシャル法で形成されたビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶が用いられていた。一般的に、ファラデー回転子１１１に入射する光の偏光方向と、ファラデー回転子を透過した後の光の偏光方向との成す角度、すなわちファラデー回転角は、ファラデー回転子の光伝播方向の厚さに比例する。
【０００４】
例えば、光アイソレータの場合、ファラデー回転角は４５度であることが必要であり、そのためのビスマス置換希土類鉄ガーネットの厚さは４００〜５００μｍとなる（以下、４５度のファラデー回転角を得るための厚さを「伝播長」と記す）。通常、係る伝播長を得るために、液相エピタキシャル法で、ビスマス置換希土類鉄ガーネットを前述した伝播長より厚く形成した後、基板を研磨で除去し、更に、精密研磨により所望のファラデー回転角を得るために必要な膜厚に追い込む、と云う加工方法が採られていた。
【０００５】
一方、小型でかつ構造が簡単な光アイソレータとして、例えば、特開平７−３６００号公報においては、所謂導波路型の光アイソレータが開示されている。同公報に開示されている導波路型光アイソレータは、所定形状のＹＩＧ単結晶膜から成る導波路を形成した後、その光伝搬方向の長さを、偏光面が４５度回転するようにチップ状に切断、研磨し、その両端の研磨面に偏光子を貼り付ける、と云う方法で製造されていた。当該構成の導波路型光アイソレータにおいては、ＹＩＧ単結晶膜から成る導波路が、ファラデー回転子としての機能を担っている。
【特許文献１】特開平７−２０６５９３号公報
【特許文献２】特開平７−３６０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光アイソレータの、半導体レーザー等の光源への戻り光遮断能（以下、「アイソレーション」と記す）は、ファラデー回転子の特性もさることながら、偏光子１１２と検光子１１３の消光軸の角度調整の精度に大きく依存する。ここに消光軸とは、偏光子、検光子において、直線偏光波を入射した場合に、その透過率が極小となる直線偏光の方向を云う。すなわち、光アイソレータにおいては、ファラデー回転子のファラデー回転角を４５度に設定し、かつ偏光子１１２と検光子１１３の消光軸が、互いに４５度の角度をなすように設定した場合に、最大のアイソレーションが得られる。例えば、ファラデー回転子のファラデー回転角が４５度の場合、偏光子と検光子の消光軸の合わせ角度が絶対値で１度ずれた場合、偏光子、検光子の性能にも依存するが、光アイソレータのアイソレーションの劣化量は、１０〜１５ｄＢ程度となることが見積もられる。
【０００７】
従って、高いアイソレーションを実現するためには、偏光子１１２と検光子１１３との成す角度を、可能な限り正確に４５度に合わせることが重要となり、斯かる事情は導波路型光アイソレータにおいても同様である。
【０００８】
このため、上述の従来の光アイソレータにおいて高いアイソレーションを得るためには、この角度合わせ調整を、検光子側から試験光を入射させて偏光子を透過する光の強度が最小になる角度に偏光子の設置角度を調整する等の極めて煩雑な調整が必要であった。それゆえ、この点が技術上の障害の１つになって、高いアイソレーションを有する光アイソレータを、歩留まりよく安価に大量に製造することを困難にしていた。
【０００９】
発明者等の導波路型光アイソレータの開発に関する系統的な検討の結果、例えば、図３に示したような構成とすることで偏光子と検光子の消光軸を高精度で合わせることが可能であることが見いだされた。図３は、発明者等が新たに発明した導波路型光アイソレータの構成概略図で、図中３１は基板、３２は下部クラッド層、３３はファラデー効果を有する磁性体ガーネットから成るコア部、３４は上部クラッド層、３５は偏光子、３６は検光子、３７は光源（図示せず）から出射された光の伝搬方向を示す矢印、３８は当該導波路型光アイソレータから出射した光の伝搬方向を示す矢印である。
【００１０】
本構成における導波路型光アイソレータにおいては、偏光子３５、検光子３６共に、コア部に形成された溝に挿入された形態となっており、溝部底面が基準面となっているため、高精度の軸合わせが可能となる。
【００１１】
ところが、同構成の導波路型光アイソレータにおいては、良好な消光比が実現されるもののアイソレータの損失が大きいと云う問題点があることが、新たに見いだされた。
【００１２】
本発明の目的は、高いアイソレーションと小さな損失を備え、かつ安価で量産に適した、導波路型光アイソレータの構成を提供することにある。
【００１３】
なお、光伝搬方向とは、光源から出射された光が導波路型光アイソレータの設けられた導波路内を伝搬する方向を意味し、導波路型光アイソレータの出射端とは、光源から出射された光が導波路型光アイソレータに設けられた導波路内を伝搬し、伝搬した光が該導波路から出射される端部、例えば図３においては、矢印３８側に位置する端部を意味する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記解決すべき課題に対して、本発明により提供される第１の手段は、
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータであって、該コア部の光伝搬方向に位置する端部以外の該コア部に、光源側から第１の偏光素子、及び該第１の偏光素子から所望の間隔を隔てて第２の偏光素子が設けられ、少なくとも該第２の偏光素子がコア部の光伝搬方向と略直交するように該コア部に挿入された偏光板であり、かつ該第２の偏光素子の光出射端側に位置するコア部が、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備することを特徴とする導波路型光アイソレータである。
【００１５】
また、本発明により提供される第２の手段は、
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータにおいて、該コア部の光伝搬方向と略直交するように、光源側から第１の偏光板、及び該第１の偏光板から所望の間隔を隔てて第２の偏光板が挿入され、かつ該第１、及び第２の偏光板の光出射端側に位置するコア部が、共に、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備することを特徴とする導波路型光アイソレータである。
【００１６】
また、本発明により提供される第３の手段は、
前記導波路型光アイソレータにおいて、該偏光板が、ガラス体に針状金属微粒子の長手方向を一方向に優先的に配向分散させて成る偏光ガラスであることを特徴とする手段である。
【００１７】
また、本発明により提供される第４の手段は、
前記導波路型光アイソレータにおいて、該コア部が単結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする手段である。
【００１８】
更に、本発明により提供される第５の手段は、
前記導波路型光アイソレータにおいて、該コア部が多結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする手段である。
【００１９】
以下、図３に示した導波路型光アイソレータにおいて、損失が増大する原因、及びその解決手段について、図４ａ及び図４ｂを用いて詳細に説明する。
【００２０】
図４ａは、導波路から出射された光が拡がる様子を模式的に示した図であり、図４ｂは、図３において、検光子３６近傍における光の伝搬の様子を模式的に示す概略側断面図である。図４ａ中、４１は基板、４２は下部クラッド層、４３はコア部、４４は上部クラッド層、４４は模式的に示した光の拡がり、４５は導波路の出射端から出射された光が伝搬する方向を示す矢印である。また、図４ｂ中、３３１は光源（図示せず）側に位置するコア部、３３２は出射端側に位置するコア部、４７、４８は各々コア部３３１、３３２の内部を伝搬する光の伝搬方向を示す矢印、４４１は模式的に示した検光子３６の内部を伝搬する光の拡がり、である。
【００２１】
一般的に導波路の出射端から空間に出射された光は、図４ａに模式的に示したように拡散する。拡散の程度は、空間の比屈折率を１とすると以下の（１）式で定義される開口数（ＮＡ）で表される。
【００２２】
【数１】
式１においてｎｃｏｒｅはコア部の屈折率θcは、コア部４３の屈折率ｎｃｏｒｅ、とクラッド層４２及び４４の屈折率ｎｃｌａｄ、によって決定される全反射臨界角で、以下の（２）式で与えられる。
【００２３】
【数２】
すなわち、空間に出射された光の拡散の程度は、ＮＡの増加と共に増大し、かつ式（１）からＮＡはコア部の屈折率に比例することから、コア部４３の屈折率の増加と共に、出射された光の拡散の度合いは増大する。また、一般的な石英ガラスを用いた導波路におけるコア部の屈折率、は〜１．５近傍であるのに対し、磁性ガーネットから成るコア部の場合には、その屈折率は〜２．２程度となるため出射された光の拡散の度合いは、石英ガラスを用いた導波路の場合に比べて増大する。
【００２４】
また、図４ｂに示したように、導波路の途中を切断し、偏光ガラス等から成る検光子３６を挿入した場合の光の伝搬についても同様の状態であり、コア部３３１内を伝搬する光４７は、検光子３６内を伝搬する際に拡がり４４１に模式的に示したように拡がることとなる。従って、コア部３３２とコア部３３１の断面形状が同一である場合には、コア部３３２内を伝搬する光のエネルギーは、検光子３６内におけるビーム拡がり幅とコア部３３２の光伝搬方向に直交する面の断面積（以下、係る断面積を単に「コア部の断面積」と記す）との比率に応じて減少することとなり、結果として光アイソレータの損失が増大することとなる。
【００２５】
係る損失を低減する方法として、受け側であるコア部３３２の断面積を増大せしめる方法が考えられる。しかし、同方法をとる場合には、コア部内を伝搬する光のシングルモード条件が満足されなくなることから適当ではない。
【００２６】
すなわち、本発明は、導波路を伝搬する光のモードフィルド径（伝搬する光のエネルギーが全伝搬エネルギーに対して1/e2になる径）が、導波路を構成するコア部の光伝搬方向に直交する面の形状（以下、係るコア部の形状を単に「コア部形状」と記す。）に大きく依存することに着目し、その効果を利用することにより完成されたものである。
【００２７】
以下、本発明における光アイソレータの損失低減手段について説明する。
【００２８】
図５及び図６に導波路内を伝搬する光の電界強度分布及びパワー分布の計算結果の一例を示す。計算に用いたコア部の屈折率は２．２０、クラッド層の屈折率は２．１９である。また、コア部の断面形状は正方形である。図５は、コア部の中心を原点として、中心からの距離と電界強度との関係を示した図である。同図において、規格化電界強度とは、コア部の中心における電界強度で規格化した電界強度を意味し、中心からの距離とは、コア部の正方断面における一辺に平行方向の距離である。
【００２９】
図６は、コア部の中心を原点として、中心からの距離と積算パワーとの関係を示した図である。同図において、伝送パワーの規格化積算値とは、全伝送パワーで規格化したパワーの積算値を意味する。また、中心からの距離については前述したとおりである。
【００３０】
図中、５１、６１はコア部の形状が５μｍ角の正方形状の場合、５２、６２はコア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合についての計算結果である。
【００３１】
図５に示したように、コア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合、同５μｍの場合に比べて、電界強度分布はブロードになっていることが理解される。また、これに呼応して、図６に示したように、コア部の形状が５μｍ角の正方形状の場合、全パワーの〜９０％がコア部内で伝搬されるのに対し、同０．８μｍ角の正方形状の場合には、その量は全パワーの〜２０％に過ぎず、大半の伝搬パワーはクラッド層、すなわち、エバネッセント成分として伝搬されていることが判る。換言すると、コア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合のモードフィルド径は、同５μｍの場合のモードフィルド径に比べて大きいことが理解される。
【００３２】
図７に正方形状コア部の一辺の長さとモードフィルド径との関係について計算した結果を示す。ここでモードフィルド径とは、例えば、図６に示した計算結果において、伝搬パワーの規格化積算値が〜0.86（厳密には、1−1/e2）となる距離の２倍の値である。同図に示したように、四角形状コア部の一辺の長さが１μｍ以下になると、モードフィルド径が急激に増大することが判る。
【００３３】
本発明は、係るモードフィルド径の増大効果を利用して、前述した光アイソレータの損失を改善せんとするものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明により、高いアイソレーションと小さな損失を備え、かつ安価で量産に適した、導波路型光アイソレータの構成を提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１に本発明により成る導波路型光アイソレータの第１の実施形態を示す。
【００３６】
図中、１は基板、２は下部クラッド層、３は出射端側に位置するファラデー効果を有する磁性体ガーネットから成るコア部、４は上部クラッド層、６は光源（図示せず）側に位置するファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア部、５はコア部６の上に形成された金属膜、７は偏光板から成る検光子、８はコア部３においてその断面積が変化する部分、９、１０は各々コア部５及びコア部３内を伝播する光の伝搬方向を示すブロック矢印である。
【００３７】
以下、本実施形態の光アイソレータの動作原理について説明する。
【００３８】
コア部６の上に設けられた金属膜５は、所謂金属クラッディングとして設けられたものであり、当該金属膜の設けられたコア部分は、ＴＥ−ＴＭフィルタとして機能する。
【００３９】
光源（図示せず）から出射され、当該導波路型光アイソレータに入射した光は、ＴＥ波成分（偏光面が基板表面と平行である成分）とＴＭ波成分（偏光面が基板表面と直交である成分）の両者を含んだ光であるが、ＴＥ−ＴＭフィルタを通過することによりＴＭ波成分は除かれる。ＴＥ−ＴＭフィルタを通過したＴＥ波の偏光面は、コア部６内を伝搬する際にファラデー効果により回転し、検光子７に到達する直前には、その偏光面は基板表面に対して４５度の角度を成す。検光子の透過軸（消光軸と直交する軸）は、基板表面に対して４５度の角度を成すように配置されているので、当該偏光波は損失を受けずに検光子７を通過する。検光子７を通過する際、前述したように光は拡散し、そのビーム径は拡がることになる。しかし、コア部８の断面積（コア部の一辺の長さに相当）は他の部分に比して小さいため、前述したように、当該部分のモードフィルド径は他の部分よりも大きく、拡散した光の大部分をコア部８で受けることができる。その結果、コア部５を伝搬する光を、損失を伴わずしてコア部３に導くことが可能となる。
【００４０】
逆に光アイソレータに戻る光については、その偏光方向がランダムに分布しているが、当該戻り光が検光子７（この場合には、当該検光子は、偏光子として機能することから、厳密には“偏光子”と記すべきであるが、混同を生じるおそれがあるので、“検光子”と記載する。）を透過することによって、基板面に対して電界振動方向が４５度の角度を成す成分が、コア部６に取り込まれることになる。コア部６に取り込まれた光は、その内部を伝搬することにより、ファラデー回転の非相反性により、ＴＥ−ＴＭフィルタの直前においては、その偏光方向は基板表面に垂直方向、すなわちＴＭ波となる。当該ＴＭ波は、ＴＥ−ＴＭフィルタを透過する際に減衰するため、結果として戻り光が光源に到達することが妨げられることとなる。
【００４１】
図２に、本発明により成る導波路型光アイソレータの第２の実施形態を示す。
図中、２１は検光子３５と偏光子３６とに夾持されたコア部、２２は検光子３６の出射端側に位置するコア部である。すなわち、同図に示した実施形態は、図３に示した導波路型光アイソレータにおいて、偏光子３５と検光子３６に夾持されたコア部２１と、検光子３６の出射端側に位置するコア部２２の両者において、光源（図示せず）側の端部近傍におけるコア部の断面積を他の部分に比して小さくしたものである。
【００４２】
本実施形態においては、第１の実施形態で用いられているＴＥ−ＴＭフィルタの代わりに、偏光ガラス等からなる偏光板が偏光子３５として用いられ、かつ偏光子３５と検光子３６との透過軸は互いに４５度の角度を成すように配置される。本実施形態の光アイソレータの動作原理は、第１の実施形態とほぼ同様である。
【００４３】
図８−１〜図８−６に、本発明により成るコア部の先端の形状（図１あるいは図２におけるコア部８の形状）の主たる態様を概略的に記す。同図において、（ａ）はコア部８の光伝搬方向からみた概略正面図、（ｂ）は上部クラッド層側からみたコア部８の概略上面図、（ｃ）はコア部８の概略側面図である。
【００４４】
図８−１に示した態様は、コア部８の先端が四角錐台形状となっている場合であり、四角錐台の頂点は、コア部の中心線とほぼ一致する態様である。
【００４５】
図８−２に示した態様は、コア部８の先端部に、他に比して断面積が小さな矩形の凸部を設けた態様で、当該矩形の凸部の中心線は、コア部の中心線とほぼ一致する態様である。
【００４６】
図８−３に示した態様は、コア部の一方向、すなわち基板面に対して平行方向の幅のみが、その先端に向けて減少している態様である。
【００４７】
図８−４に示した態様は、コア部の基板法線方向の幅（換言する膜厚）が、その先端に向けて減少している態様である。
【００４８】
図８−５に示した態様は、図８−１に示した態様において四角錐台の頂点が、コア部の中心位置からずれてその底面（下部クラッド層と接する面）にある場合である。
【００４９】
図８−６に示した態様は、図８−２に示した態様において、矩形の突部の一側面がコア部の底面と略同一の面にある場合である。
【００５０】
図８−１〜図８−６に示した態様の内、図８−１と図８−２に示した態様がモードフィルドの中心とコア部の中心とが一致する点で最良の態様であると云える。しかし、他の態様の場合でにおいても、モードフィルドの拡大効果は期待されるため、本発明により成る導波路型光アイソレータの損失低減には有効である。
【００５１】
なお、本発明により成る導波路型光アイソレータにおけるコア部８の形状として、図８−１〜図８−６に示した態様に限定されず、要はその断面積が他の部分に比して小さくなっている限りにおいて、他のバリーエーシヨンも採りうるものであることは、改めて言及するまでもない。
【００５２】
以下、本発明について、実施例を用いて、更に詳細に説明する。
【実施例１】
【００５３】
本発明の第１の実施例について、図９（図９ａ〜図９ｅ）を用いて説明する。図９は、本発明より成る導波路型光アイソレータの製造工程を示す流れ図である。図中、９１は３インチφの（１１１）面 （ＣａＧｄ）３（ＭｇＺｒＧａ）５Ｏ１２単結晶基板、９２はＴｂ２．３Ｂｉ０．７Ｆｅ４．６Ｇａ０．４Ｏ１２単結晶から成る下部クラッド層、９３はＴｂ２．３Ｂｉ０．７Ｆｅ４．７Ｇａ０．３Ｏ１２単結晶膜から成るコア層、９３１はコア層９３をパターニングして得られた第１のコア部、９３２は同第２のコア部、９３３は同第３のコア部、９４はＴｂ２．３Ｂｉ０．７Ｆｅ４．６Ｇａ０．４Ｏ１２から成る上部クラッド層、９５は偏光板挿入溝、９６、９７は偏光ガラスで、両者の消光軸は互いに４５度の角度を成す。
【００５４】
最初に、通常の液相エピタキシャル成長法により,（ＣａＧｄ）３（ＭｇＺｒＧａ）５Ｏ１２単結晶基板９１の表面にＴｂ２.３Ｂｉ０.７Ｆｅ４.６Ｇａ０.４Ｏ１２単結晶から成る下部クラッド層９２、及びＴｂ２.３Ｂｉ０.７Ｆｅ４.７Ｇａ０.３Ｏ１２単結晶膜から成るコア層９３を順次積層した。各々の膜厚は、下部クラッド層９２が７μｍ、コア層が５μｍであった。（図９ａ）
その後、上部コア層を通常のフォトリソ・エッチングプロセスで、第１のコア部９３１、第２のコア部９３２、及び第３のコア部を形成した。コア部の幅はいずれも５μｍで、第１のコア部９３１の長さは６００μｍ、第２のコア部９３２の長さは５７０μｍ、第３のコア部９３３の長さは６００μｍであった。図１０に、第２のコア部９３２と第３のコア部９３３の先端形状についてその概略を示す。図中、ｄ１、ｄ２は、各部位の寸法、φはコア部先端の開き角を示す。前述した方法で作成した第２及び第３のコア部のｄ１は共に〜７０μｍ、またｄ２は〜１μｍ、φは〜４度であった。（図９ｂ）
コア部のパターニング後、コア部を覆うように下部クラッド層形成と同様の条件で、液相エピタキシャル成長法により上部クラッド層９４として、Ｔｂ２.３Ｂｉ０.７Ｆｅ４.６Ｇａ０.４Ｏ１２を７μｍ形成した。（図９ｃ）
上部クラッド層９４の形成後、第２コア部を挟むように、幅：３５μｍで深さ：４０μｍの偏光板挿入溝９５を、高精度ダイサーで形成した。第２コア部を挟む溝の間隔は、第２コア部の長さと同様、５７０μｍである。（図９ｄ）
その後、短辺が１０ｍｍの短冊状に切り出した偏光ガラスを第２コア部を挟み偏光子９６、検光子９７の構成となるように挿入し、光学用接着剤で固定し（図９ｅ）、最後に、短冊を導波路毎に切断し、光学研磨にて導波路端面を露出させ、図２に示した導波路型光アイソレータと略同型の光アイソレータを作成した。
【００５５】
作成した導波路型光アイソレータの特性を測定した結果、アイソレーションは〜２３ｄＢで損失は〜１ｄＢであった。なお、測定波長は１．５５μｍであった。
【比較例】
【００５６】
比較例として、実施例１と同様の条件で、図３に示した態様の導波路型光アイソレータを作成した。ただし、当該比較例においては、コア部の断面形状は一様であり、一辺が〜５μｍの正方形状である。また、偏光子３５と検光子３６とに夾持されたコア部の長さは、実施例１と同様、〜５７０μｍであった。作成した導波路型光アイソレータの波長：１．５５μｍにおけるアイソレーションは〜２３ｄＢで損失は〜４ｄＢであった。
【実施例２】
【００５７】
実施例１と同様の条件で、図１に示した導波路型光アイソレータと略同型の光アイソレータを作成した。ただし、本実施例においては、コアパターン形成（図９ｂ）に先立ち、Ｃｒ／Ａｕから成る２層膜（Ｃｒがコア層９３側）に通常のスパッタリング法を用いて全面に形成し、金属クラッディング５を形成した。各々の膜厚は、Ｃｒ：〜０．０５μｍ、Ａｕ：〜０．３μｍで、光伝搬方向の長さは〜５ｍｍとした。
【００５８】
また、コア部８の形状は、実施例１と同様、図１０に示した形状である。
なお、本実施例においては、金属クラッディングの端部と検光子７との間隔は〜５７０μｍであった。
【００５９】
作成した光アイソレータの波長：１．５５μｍにおけるアイソレーションは〜１８ｄＢで、損失は〜２．５ｄＢであった。
【実施例３】
【００６０】
本実施例においては、３インチφの（１１１）面 （ＣａＧｄ）３（ＭｇＺｒＧａ）５Ｏ１２単結晶基板の代わりに３インチφのｃ面 サファイア基板を用いた。サファイア基板上にエアロゾルデポジション法により、下部クラッド層として多結晶のＢｉ０．６Ｇｄ２．４Ｆｅ５Ｏ１２を〜７μｍ厚に、その上にコア層としてＢｉ０．７Ｔｂ２．３Ｆｅ５Ｏ１２を〜５μｍ厚に成膜した。ここで用いた原料微粒子の平均粒径は０．８μｍ、搬送ガスは酸素で、その流量は５リットル／分であった。また、噴射ノズルの開口径は０．６ｍｍφであった。その後、実施例１に示した方法と同様の方法でコア部を形成した。第１，２，３のコア部の形状は、実施例１に示した形状と同様である。その後、上部クラッド層として、下部クラッド層と同様の条件で、〜７μｍ厚のＢｉ０．６Ｇｄ２．４Ｆｅ５Ｏ１２を形成した後、７００℃で１時間の熱処理を施した。
【００６１】
その後の作成条件は、実施例１に示した条件と同様である。
【００６２】
作成した導波路型光アイソレータの特性を測定した結果、アイソレーションは〜２５ｄＢで損失は〜２ｄＢであった。なお、測定波長は１．５５μｍであった。
【００６３】
以上、本発明により成る導波路型光アイソレータについて、実施例を用いて詳細に説明した。しかし、本発明は、実施例に記載した形状、製法に限定されるものではなく、所望の特性に応じて、形状及び製法を適宜選定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、光通信や光を用いた放送波伝送、及び光による計測等において、光源となるレーザーから出射された光波が、種々の原因で光源に戻ることを防止するための光アイソレータとして利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明により成る導波路型光アイソレータの第１の実施形態。
【図２】本発明により成る導波路型光アイソレータの第２の実施形態。
【図３】導波路型光アイソレータに係る構成概略図。
【図４ａ】導波路から出射された光が拡がる様子を模式的に示した図。
【図４ｂ】図３において、検光子３６近傍における光の伝搬の様子を模式的に示す概略側断面図。
【図５】導波路内を伝搬する光の電界強度分布の計算結果。
【図６】導波路内を伝搬する光のパワー分布の計算結果。
【図７】正方形状コア部の一辺の長さとモードフィルド径との関係について計算した結果。
【図８−１】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−２】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−３】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−４】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−５】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図８−６】本発明により成るコア部の先端形状の概略図。
【図９】本発明より成る導波路型光アイソレータの製造工程を示すフロー図。
【図１０】第２のコア部９３２と第３のコア部９３３の先端形状の概略図。
【図１１】従来のバルク型ファラデー回転子を用いた光アイソレータの構成概略図。
【符号の説明】
【００６６】
１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 出射端側に位置するファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア部
４ 上部クラッド層
５ 光源（図示せず）側に位置するファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア 部
６ コア部６の上に形成された金属膜
７ 偏光板から成る検光子
８ コア部３においてその断面積が変化する部分
９、１０ 各々コア部５及びコア部３内を伝播する光の伝搬方向を示すブロック矢印
２１ 検光子３５と偏光子３６とに夾持されたコア部
２２ 検光子３６の出射端側に位置するコア部
３１ 基板
３２ 下部クラッド層
３３ ファラデー効果を有する磁性ガーネットから成るコア部
３４ 上部クラッド層
３５ 偏光子
３６ 検光子
３７ 光源（図示せず）から出射された光の伝搬方向を示す矢印
３８ 当該導波路型光アイソレータから出射した光の伝搬方向を示す矢印
３３１ 光源（図示せず）側に位置するコア部
３３２ 出射端側に位置するコア部
４１ 基板
４２ 下部クラッド層
４３ コア部
４４ 上部クラッド層
４５ 導波路の出射端から出射された光が伝搬する方向を示す矢印
４７、４８ 各々コア部３３１、３３２の内部を伝搬する光の伝搬方向を示す矢印
４４１ 模式的に示した検光子３６の内部を伝搬する光の拡がり
５１、６１ コア部の形状が５μｍ角の正方形状の場合の計算結果
５２、６２ コア部の形状が０．８μｍ角の正方形状の場合についての計算結果
９１ ３インチφの(111)面 （ＣａＧｄ）3（ＭｇＺｒＧａ）5Ｏ12単結晶基板
９２ Ｔｂ2.3Ｂｉ0.7Ｆｅ4.6Ｇａ0.4Ｏ12単結晶から成る下部クラッド層
９３ Ｔｂ2.3Ｂｉ0.7Ｆｅ4.7Ｇａ0.3Ｏ12単結晶膜から成るコア層
９３１ 第１のコア部
９３２ 第２のコア部
９３３ 第３のコア部
９４ Ｔｂ2.3Ｂｉ0.7Ｆｅ4.6Ｇａ0.4Ｏ12から成る上部クラッド層
９５ 偏光板挿入溝
９６、９７は偏光ガラス
ｄ１、ｄ２は、各部位の寸法
φ コア部先端の開き角
１１１ ファラデー回転子
１１２ 偏光子
１１３ 検光子
１１４ 永久磁石等の磁界印加手段
１１５ 半導体レーザー等から成る光源
１１６ 光源１１５から出射された光の伝播方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータであって、該コア部の光伝搬方向に位置する端部以外の該コア部に、光源側から第１の偏光素子、及び該第１の偏光素子から所望の間隔を隔てて第２の偏光素子が設けられ、少なくとも該第２の偏光素子がコア部の光伝搬方向と略直交するように該コア部に挿入された偏光板であり、かつ該第２の偏光素子の光出射端側に位置するコア部が、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備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】
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータにおいて、該コア部の光伝搬方向と略直交するように、光源側から第１の偏光板、及び該第１の偏光板から所望の間隔を隔てて第２の偏光板が挿入され、かつ該第１、及び第２の偏光板の光出射端側に位置するコア部が、共に、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備することを特徴とする導波路型光アイソレータ。
【請求項３】
該偏光板が、ガラス体に針状金属微粒子の長手方向を一方向に優先的に配向分散させて成る偏光ガラスであることを特徴とする請求項１若しくは２いずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項４】
該コア部が単結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項５】
該コア部が多結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項１】
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータであって、該コア部の光伝搬方向に位置する端部以外の該コア部に、光源側から第１の偏光素子、及び該第１の偏光素子から所望の間隔を隔てて第２の偏光素子が設けられ、少なくとも該第２の偏光素子がコア部の光伝搬方向と略直交するように該コア部に挿入された偏光板であり、かつ該第２の偏光素子の光出射端側に位置するコア部が、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備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】
基体上に第１のクラッド層、該第１のクラッド層上に設けられたファラデー効果を有するガーネット磁性体から成るコア部、該コア部を覆う第２のクラッド層を有する導波路型光アイソレータにおいて、該コア部の光伝搬方向と略直交するように、光源側から第１の偏光板、及び該第１の偏光板から所望の間隔を隔てて第２の偏光板が挿入され、かつ該第１、及び第２の偏光板の光出射端側に位置するコア部が、共に、該コア部の光伝搬方向に直交する方向の断面積が、光出射端側に向けて増大する部分を具備することを特徴とする導波路型光アイソレータ。
【請求項３】
該偏光板が、ガラス体に針状金属微粒子の長手方向を一方向に優先的に配向分散させて成る偏光ガラスであることを特徴とする請求項１若しくは２いずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項４】
該コア部が単結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【請求項５】
該コア部が多結晶の磁気光学効果を有する磁性ガーネットであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の導波路型光アイソレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図５】
【図７】
【図８−１】
【図８−２】
【図８−３】
【図８−４】
【図８−５】
【図８−６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４ｂ】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図５】
【図７】
【図８−１】
【図８−２】
【図８−３】
【図８−４】
【図８−５】
【図８−６】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図４ｂ】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１３９５７８（Ｐ２００８−１３９５７８Ａ）
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２５９１３（Ｐ２００６−３２５９１３）
【出願日】平成１８年１２月１日（２００６．１２．１）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１日（２００６．１２．１）
【出願人】（０００１１３２６３）ＨＯＹＡ株式会社 (3,820)
【Ｆターム（参考）】
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