JP3054707B1 - 光アイソレ―タ - Google Patents
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- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
- H01S5/0064—Anti-reflection components, e.g. optical isolators
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Abstract
【要約】
【課題】 半導体基板上に集積化できる光アイソレータ
を実現する。 【解決手段】 本発明による光アイソレータは、半導体
基板上に形成した光導波路と、この光導波路上に形成し
た光吸収性磁性材料層とを有する導波路構造体を具え
る。磁性材料層は導波路を伝搬する光波の磁気ベクトル
の振動方向と対応する方向に磁化する。導波路を伝搬す
る光波が導波路全体として感ずる等価屈折率は、光磁気
効果により光波の伝搬方向に応じて変化するので、導波
路を伝搬する光波の減衰量を一方向と反対方向とで相違
させることができ、この減衰量の差を利用することによ
り光アイソレータを構成することができる。
を実現する。 【解決手段】 本発明による光アイソレータは、半導体
基板上に形成した光導波路と、この光導波路上に形成し
た光吸収性磁性材料層とを有する導波路構造体を具え
る。磁性材料層は導波路を伝搬する光波の磁気ベクトル
の振動方向と対応する方向に磁化する。導波路を伝搬す
る光波が導波路全体として感ずる等価屈折率は、光磁気
効果により光波の伝搬方向に応じて変化するので、導波
路を伝搬する光波の減衰量を一方向と反対方向とで相違
させることができ、この減衰量の差を利用することによ
り光アイソレータを構成することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光アイソレータ、
特に半導体レーザや光導波路と共に基板上に集積化する
ことができる光アイソレータに関するものである。
特に半導体レーザや光導波路と共に基板上に集積化する
ことができる光アイソレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムにおいては、光ファイバ
の端面での反射光や散乱光が光源側に戻るのを防止する
ため光アイソレータが用いられている。現在実用化され
ている光アイソレータとして、光磁気材料による偏光面
の回転を利用した光アイソレータが実用化されている。
例えば、ファラディ回転型の光アイソレータは偏光子、
光学的に透明な材料のファラディ回転子、及び検光子で
構成されており、順方向に進む円偏光のうち偏光子の偏
光面と一致した偏光成分は偏光子を通過し、ファラディ
回転子により偏光面が４５°回転し、偏光子に対して４
５°傾いている検光子を通過して出射する。一方、順方
向とは反対の方向に伝搬する戻り光は、検光子を通過し
た後ファラディ回転子により偏光面が４５°の回転を受
けて偏光子に戻るため、偏光子により阻止される。この
従来の光アイソレータで用いられている偏光子及び検光
子として偏光ビームスプリッタや複屈折プリズムが用い
られている。
の端面での反射光や散乱光が光源側に戻るのを防止する
ため光アイソレータが用いられている。現在実用化され
ている光アイソレータとして、光磁気材料による偏光面
の回転を利用した光アイソレータが実用化されている。
例えば、ファラディ回転型の光アイソレータは偏光子、
光学的に透明な材料のファラディ回転子、及び検光子で
構成されており、順方向に進む円偏光のうち偏光子の偏
光面と一致した偏光成分は偏光子を通過し、ファラディ
回転子により偏光面が４５°回転し、偏光子に対して４
５°傾いている検光子を通過して出射する。一方、順方
向とは反対の方向に伝搬する戻り光は、検光子を通過し
た後ファラディ回転子により偏光面が４５°の回転を受
けて偏光子に戻るため、偏光子により阻止される。この
従来の光アイソレータで用いられている偏光子及び検光
子として偏光ビームスプリッタや複屈折プリズムが用い
られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上述した既知の光アイ
ソレータは、半導体デバイス構造を有していないため、
半導体レーザや光変調器のような半導体光学素子と一体
的に製造することができなかった。このため、半導体レ
ーザ等の半導体素子が集積化されている光回路基板とは
別体構造として作成しなければならず、その製造工程が
複雑になるばかりでなく、製造コストも高価になる欠点
があった。特に、位相整合を必要とするため、精密な加
工処理が必要であり製造工程が複雑になる欠点があっ
た。一方、光アイソレータが半導体製造技術を用いて半
導体レーザやフォトダイオード等の半導体素子と同一製
造技術を用いて基板上に形成できれば、一層精密な製造
工程で製造することができ、しかも製造コストも大幅に
安価にすることが可能である。
ソレータは、半導体デバイス構造を有していないため、
半導体レーザや光変調器のような半導体光学素子と一体
的に製造することができなかった。このため、半導体レ
ーザ等の半導体素子が集積化されている光回路基板とは
別体構造として作成しなければならず、その製造工程が
複雑になるばかりでなく、製造コストも高価になる欠点
があった。特に、位相整合を必要とするため、精密な加
工処理が必要であり製造工程が複雑になる欠点があっ
た。一方、光アイソレータが半導体製造技術を用いて半
導体レーザやフォトダイオード等の半導体素子と同一製
造技術を用いて基板上に形成できれば、一層精密な製造
工程で製造することができ、しかも製造コストも大幅に
安価にすることが可能である。
【０００４】従って、本発明の目的は、半導体製造技術
を用いて半導体基板上に集積化することができる光アイ
ソレータを実現することにある。
を用いて半導体基板上に集積化することができる光アイ
ソレータを実現することにある。
【０００５】さらに、本発明の別の目的、位相整合が不
要となり、複雑な製造工程を用いることなく製造できる
光アイソレータを実現することにある。
要となり、複雑な製造工程を用いることなく製造できる
光アイソレータを実現することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明による光アイソレ
ータは、層形成すべき表面を有する第１導電型の半導体
基板と、この基板上に形成され、第１導電型の第１のク
ラッド層と、この第１のクラッド層上に形成した活性層
と、活性層上に形成した第１導電型とは反対の第２導電
型の第２のクラッド層と、前記半導体基板の層形成面と
は反対側に形成した第１の電極と、前記第２のクラッド
層の上側に形成した第２の電極とを有する半導体光増幅
器構造体を具え、前記第１及び第２のクラッド層並びに
活性層が、光波が伝搬する光導波路を構成し、前記半導
体光増幅器構造体が、さらに前記光導波路を伝搬する光
波に対して光吸収作用を有する光吸収性磁性材料層を具
え、前記磁性材料層が前記光波の磁気ベクトルの振動方
向と対応する方向の磁界成分を有するように磁化され、
前記導波路構造体が、前記光吸収性磁性材料層の光磁気
効果により光導波路を伝搬する光波に対して伝搬方向に
応じて等価屈折率が変化する非相反性光学特性を有し、
この非相反性の等価屈折率変化により、光導波路を第１
の方向に伝搬する第１の光波の当該導波路を伝搬する際
に生ずる減衰量が第１の方向とは反対の第２の方向に伝
搬する第２の光波の当該導波路を伝搬する際に生ずる減
衰量よりも小さくなるように構成したことを特徴とす
る。
ータは、層形成すべき表面を有する第１導電型の半導体
基板と、この基板上に形成され、第１導電型の第１のク
ラッド層と、この第１のクラッド層上に形成した活性層
と、活性層上に形成した第１導電型とは反対の第２導電
型の第２のクラッド層と、前記半導体基板の層形成面と
は反対側に形成した第１の電極と、前記第２のクラッド
層の上側に形成した第２の電極とを有する半導体光増幅
器構造体を具え、前記第１及び第２のクラッド層並びに
活性層が、光波が伝搬する光導波路を構成し、前記半導
体光増幅器構造体が、さらに前記光導波路を伝搬する光
波に対して光吸収作用を有する光吸収性磁性材料層を具
え、前記磁性材料層が前記光波の磁気ベクトルの振動方
向と対応する方向の磁界成分を有するように磁化され、
前記導波路構造体が、前記光吸収性磁性材料層の光磁気
効果により光導波路を伝搬する光波に対して伝搬方向に
応じて等価屈折率が変化する非相反性光学特性を有し、
この非相反性の等価屈折率変化により、光導波路を第１
の方向に伝搬する第１の光波の当該導波路を伝搬する際
に生ずる減衰量が第１の方向とは反対の第２の方向に伝
搬する第２の光波の当該導波路を伝搬する際に生ずる減
衰量よりも小さくなるように構成したことを特徴とす
る。
【０００７】本発明は、光磁気効果を利用することによ
り、光導波路を伝搬する光波が導波路全体について感ず
る屈折率、すなわち等価屈折率を光波の伝搬方向に応じ
て変化させることができると言う認識に基づいている。
等価屈折率を光波の伝搬方向に応じて変化させることが
できれば、一方向に伝搬する光波の減衰量と反対方向に
伝搬する光波の減衰量とを相違させることができ、光導
波路を伝搬する際の減衰量の差異を利用することにより
光アイソレータを実現できる。
り、光導波路を伝搬する光波が導波路全体について感ず
る屈折率、すなわち等価屈折率を光波の伝搬方向に応じ
て変化させることができると言う認識に基づいている。
等価屈折率を光波の伝搬方向に応じて変化させることが
できれば、一方向に伝搬する光波の減衰量と反対方向に
伝搬する光波の減衰量とを相違させることができ、光導
波路を伝搬する際の減衰量の差異を利用することにより
光アイソレータを実現できる。
【０００８】本発明は上述した認識に基づくものであ
り、光磁気効果による非相反性の屈折率変化を得るた
め、光導波路上に光吸収性の磁性材料層を形成し、この
光吸収性磁性材料層を、光導波路を伝搬する光波の磁気
ベクトルの振動方向と対応する方向に磁化する。光波は
光導波路と共に光吸収性磁性材料層をも伝搬するため、
伝搬する光波は導波路構造体全体として光吸収性磁性材
料層の光磁気効果を受け、磁性材料層が光吸収性の場合
屈折率の実部だけでなく虚部も非相反性となり、伝搬方
向に応じて導波路を伝搬する際の減衰量を相違させるこ
とができる。この際、磁性材料層の磁化方向を適切に設
定するだけで伝搬方向に応じて減衰量を相違させること
ができる。この結果、位相整合のための複雑な構造及び
精密な加工工程が不要になる。
り、光磁気効果による非相反性の屈折率変化を得るた
め、光導波路上に光吸収性の磁性材料層を形成し、この
光吸収性磁性材料層を、光導波路を伝搬する光波の磁気
ベクトルの振動方向と対応する方向に磁化する。光波は
光導波路と共に光吸収性磁性材料層をも伝搬するため、
伝搬する光波は導波路構造体全体として光吸収性磁性材
料層の光磁気効果を受け、磁性材料層が光吸収性の場合
屈折率の実部だけでなく虚部も非相反性となり、伝搬方
向に応じて導波路を伝搬する際の減衰量を相違させるこ
とができる。この際、磁性材料層の磁化方向を適切に設
定するだけで伝搬方向に応じて減衰量を相違させること
ができる。この結果、位相整合のための複雑な構造及び
精密な加工工程が不要になる。
【０００９】次に、本発明による光導波路構造体の光磁
気効果による非相反性について理論的に説明する。ここ
で、後述する図１に示すｘｙｚ座標系（光波の伝搬方向
をｚ方向とし、ｘ及びｙ方向を光波の伝搬方向と直交す
る方向とする）を想定する。一般に光磁気材料の性質は
誘電テンソルで表され、導波路上に形成されている磁性
材料が磁化されていないとき、その誘電率εは次式で表
される。
気効果による非相反性について理論的に説明する。ここ
で、後述する図１に示すｘｙｚ座標系（光波の伝搬方向
をｚ方向とし、ｘ及びｙ方向を光波の伝搬方向と直交す
る方向とする）を想定する。一般に光磁気材料の性質は
誘電テンソルで表され、導波路上に形成されている磁性
材料が磁化されていないとき、その誘電率εは次式で表
される。
【化１】 ここで、ε0 は真空中の誘電率を表す。（１）式から明
らかなように、光吸収性磁性材料が磁化されていない場
合、その誘電テンソルは対称性を有し、従って光波の伝
搬方向に応じて等価屈折率が変化する非相反性を呈する
ことはない。
らかなように、光吸収性磁性材料が磁化されていない場
合、その誘電テンソルは対称性を有し、従って光波の伝
搬方向に応じて等価屈折率が変化する非相反性を呈する
ことはない。
【００１０】一方、光吸収性磁性材料がｙ方向に磁化さ
れているとき、その誘電率εは次式で表される。
れているとき、その誘電率εは次式で表される。
【化２】 （２）式から明らかなように、光吸収性磁性材料層が磁
化されている場合、その誘電テンソルは非対角成分を有
するから、この非対角成分の存在による光磁気効果によ
り光波の伝搬方向に応じて等価屈折率が変化する非相反
性が生ずる。
化されている場合、その誘電テンソルは非対角成分を有
するから、この非対角成分の存在による光磁気効果によ
り光波の伝搬方向に応じて等価屈折率が変化する非相反
性が生ずる。
【００１１】光吸収性磁性材料がｙ方向に磁化されてい
る場合と磁化されていない場合との間の、ｚ方向にＴＭ
モードで伝搬する光波に対する等価屈折率の変化分は次
式で表すことができる。
る場合と磁化されていない場合との間の、ｚ方向にＴＭ
モードで伝搬する光波に対する等価屈折率の変化分は次
式で表すことができる。
【化３】 ここで、Δｎ＋ｉΔｋは、等価屈折率の変化分を表し、
ｋ0 は真空中の光の波数であり、ｎは導波路の各層の屈
折率であり、Ｈy は導波路上に形成した磁性材料のＴＭ
モードの磁界成分である。
ｋ0 は真空中の光の波数であり、ｎは導波路の各層の屈
折率であり、Ｈy は導波路上に形成した磁性材料のＴＭ
モードの磁界成分である。
【００１２】一方、ｚ方向とは反対の−ｚ方向に伝搬す
る光波に対する等価屈折率の変化分は、(3) 式の右辺の
積分項のεxzの項の符号が反転するだけで残りの要素に
ついては同一である。従って、進行波と後退波との間で
等価屈折率が相違することになる。この光磁気効果によ
る非相反性の等価屈折率の変化を積極的に利用すること
により、光波が当該導波路を伝搬する際に生ずる光導波
路から光吸収性磁性材料層へのエネルギー移行によるエ
ネルギー減衰量が伝搬方向に応じて変化することにな
り、光アイソレータを実現することができる。この場
合、光導波路構造体を半導体光増幅器構造とすることに
より、入射した信号光を、導波路を伝搬する際の減衰量
を補償するように光増幅して出射させることができるの
で、信号光を減衰させることなくアイソレーション機能
を実現することができる。
る光波に対する等価屈折率の変化分は、(3) 式の右辺の
積分項のεxzの項の符号が反転するだけで残りの要素に
ついては同一である。従って、進行波と後退波との間で
等価屈折率が相違することになる。この光磁気効果によ
る非相反性の等価屈折率の変化を積極的に利用すること
により、光波が当該導波路を伝搬する際に生ずる光導波
路から光吸収性磁性材料層へのエネルギー移行によるエ
ネルギー減衰量が伝搬方向に応じて変化することにな
り、光アイソレータを実現することができる。この場
合、光導波路構造体を半導体光増幅器構造とすることに
より、入射した信号光を、導波路を伝搬する際の減衰量
を補償するように光増幅して出射させることができるの
で、信号光を減衰させることなくアイソレーション機能
を実現することができる。
【００１３】次に、アイソレーション比について説明す
る。アイソレーション比ＩR は、以下の式により表すこ
とができる。
る。アイソレーション比ＩR は、以下の式により表すこ
とができる。
【化４】 ＩR ＝後退波の出力強度／進行光の出力強度 （４） （２）式を利用することにより、アイソレーション比は
進行波の減衰と後退波の減衰との差２Δｋで表すことが
でき、これを（５）式で示す。
進行波の減衰と後退波の減衰との差２Δｋで表すことが
でき、これを（５）式で示す。
【化５】 ここで、Ｌはデバイス長である。そして、後述する実施
例で説明する光アイソレータについてシミュレーション
した結果、１．５８ｍｍのデバイス長で４０ｄＢのアイ
ソレーション比を得ることができることが確認された。
例で説明する光アイソレータについてシミュレーション
した結果、１．５８ｍｍのデバイス長で４０ｄＢのアイ
ソレーション比を得ることができることが確認された。
【００１４】本発明による光アイソレータの実施例は、
第１の光波を伝送系に沿って伝送すべき信号光とし、前
記第２の光波を信号光とは反対の方向に伝搬する戻り光
としたことを特徴とする。このように構成すれば、伝送
すべき信号光をあまり減衰させず、伝送路中で生じた反
射光や散乱光のような戻り光を大幅に減衰させることが
できる。
第１の光波を伝送系に沿って伝送すべき信号光とし、前
記第２の光波を信号光とは反対の方向に伝搬する戻り光
としたことを特徴とする。このように構成すれば、伝送
すべき信号光をあまり減衰させず、伝送路中で生じた反
射光や散乱光のような戻り光を大幅に減衰させることが
できる。
【００１５】本発明による光アイソレータの別の実施例
は、光吸収磁性材料層を、導波路を伝搬する第１の光波
の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向の磁界成分を
有するように磁化した磁性材料で構成したことを特徴と
する。光磁気効果による非相反性を得るためには、外部
磁界の方向を導波路を伝搬する種々のモードの光波の磁
気ベクトルの振動方向に対応させる必要があり、例えば
ＴＭモード光の場合基板面と平行な面に沿って磁性材料
層を形成し、光波の伝搬方向と直交する方向に磁化する
ことにより、光磁気効果による非相反性を達成すること
ができる。
は、光吸収磁性材料層を、導波路を伝搬する第１の光波
の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向の磁界成分を
有するように磁化した磁性材料で構成したことを特徴と
する。光磁気効果による非相反性を得るためには、外部
磁界の方向を導波路を伝搬する種々のモードの光波の磁
気ベクトルの振動方向に対応させる必要があり、例えば
ＴＭモード光の場合基板面と平行な面に沿って磁性材料
層を形成し、光波の伝搬方向と直交する方向に磁化する
ことにより、光磁気効果による非相反性を達成すること
ができる。
【００１６】光磁気効果を生ずる光吸収性の磁性材料と
して、ニッケル、鉄、コバルト等の強磁性材料やイット
リウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のような種々の磁性材料
を用いることができる。
して、ニッケル、鉄、コバルト等の強磁性材料やイット
リウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）のような種々の磁性材料
を用いることができる。
【００１７】本発明の光アイソレータの好適実施例は、
基板を半導体基板とし、前記コア層並びに第１及び第２
のクラッド層を半導体材料で構成したことを特徴とす
る。このように構成することにより、半導体製造技術を
用いて半導体レーザと共に同一の半導体基板上に光アイ
ソレータを形成することができる。
基板を半導体基板とし、前記コア層並びに第１及び第２
のクラッド層を半導体材料で構成したことを特徴とす
る。このように構成することにより、半導体製造技術を
用いて半導体レーザと共に同一の半導体基板上に光アイ
ソレータを形成することができる。
【００１８】本発明による光アイソレータの別の実施例
は、層形成すべき表面を有する第１導電型の半導体基板
と、この半導体基板の層形成すべき面の上側に形成した
第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の
上側に形成した活性層と、活性層の上側に形成した第１
導電型とは反対の第２導電型の第２のクラッド層と、前
記半導体基板の層形成すべき面とは反対側の面に形成し
た第１の電極と、前記第２のクラッド層の上側に形成し
た第２の電極とを有する半導体光増幅器構造体を具え、
前記第１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層に
より光導波路を構成し、前記第２の電極が、導波路を伝
搬する光波の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向の
磁界成分を有するように磁化した光吸収性磁性材料層を
含み、前記光導波路と第２の電極の磁性材料層とが光導
波路構造体を構成し、この光導波路構造体が、前記光吸
収性磁性材料層の光磁気効果により光導波路を伝搬する
光波に対して伝搬方向に応じて等価屈折率が変化する非
相反性光学特性を有し、この非相反性の等価屈折率の変
化により、光導波路を第１の方向に伝搬する第１の光波
の当該導波路を伝搬する際に生ずる減衰量が第１の方向
とは反対の第２の方向に伝搬する第２の光波の当該導波
路を伝搬する際に生ずる減衰量よりも小さくなるように
構成したことを特徴とする。このように、光アイソレー
タを半導体光増幅器の構造とすれば、第１の電極と第２
の電極との間に接続した直流バイアス源の出力電圧を調
整することにより入射した信号光を光増幅して入射した
際のエネルギーレベルと同一のエネルギーレベルの信号
光として出射させることができる。
は、層形成すべき表面を有する第１導電型の半導体基板
と、この半導体基板の層形成すべき面の上側に形成した
第１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層の
上側に形成した活性層と、活性層の上側に形成した第１
導電型とは反対の第２導電型の第２のクラッド層と、前
記半導体基板の層形成すべき面とは反対側の面に形成し
た第１の電極と、前記第２のクラッド層の上側に形成し
た第２の電極とを有する半導体光増幅器構造体を具え、
前記第１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層に
より光導波路を構成し、前記第２の電極が、導波路を伝
搬する光波の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向の
磁界成分を有するように磁化した光吸収性磁性材料層を
含み、前記光導波路と第２の電極の磁性材料層とが光導
波路構造体を構成し、この光導波路構造体が、前記光吸
収性磁性材料層の光磁気効果により光導波路を伝搬する
光波に対して伝搬方向に応じて等価屈折率が変化する非
相反性光学特性を有し、この非相反性の等価屈折率の変
化により、光導波路を第１の方向に伝搬する第１の光波
の当該導波路を伝搬する際に生ずる減衰量が第１の方向
とは反対の第２の方向に伝搬する第２の光波の当該導波
路を伝搬する際に生ずる減衰量よりも小さくなるように
構成したことを特徴とする。このように、光アイソレー
タを半導体光増幅器の構造とすれば、第１の電極と第２
の電極との間に接続した直流バイアス源の出力電圧を調
整することにより入射した信号光を光増幅して入射した
際のエネルギーレベルと同一のエネルギーレベルの信号
光として出射させることができる。
【００１９】光増幅器構造を有する光アイソレータの別
の実施例は、光増幅器構造体の一方の電極が第１の光波
の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向に磁化したニ
ッケル層と金層とを有することを特徴とする。この実施
例では、光増幅器の電極を光吸収性磁性材料層として兼
用することができる利点がある。
の実施例は、光増幅器構造体の一方の電極が第１の光波
の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向に磁化したニ
ッケル層と金層とを有することを特徴とする。この実施
例では、光増幅器の電極を光吸収性磁性材料層として兼
用することができる利点がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は本発明による光アイソレー
タの一例の構成を示す線図的断面図である。本例では、
入射光を光増幅して出射させる半導体光増幅器構造を有
する光アイソレータについて説明する。図１において、
ｚ方向に光波が伝搬し、ｘ方向に沿って半導体層構造体
を形成するものとする。ｎ型のＩｎＰの基板１を用意
し、この基板の層形成面１ａ上に半導体層構造を形成す
る。基板１は１００μｍの厚さを有し、その不純物濃度
は例えば１×１０18原子／ｃｍ3 とする。尚、ｎ型の不
純物として、例えばサルファを用いることができる。
タの一例の構成を示す線図的断面図である。本例では、
入射光を光増幅して出射させる半導体光増幅器構造を有
する光アイソレータについて説明する。図１において、
ｚ方向に光波が伝搬し、ｘ方向に沿って半導体層構造体
を形成するものとする。ｎ型のＩｎＰの基板１を用意
し、この基板の層形成面１ａ上に半導体層構造を形成す
る。基板１は１００μｍの厚さを有し、その不純物濃度
は例えば１×１０18原子／ｃｍ3 とする。尚、ｎ型の不
純物として、例えばサルファを用いることができる。
【００２１】ＩｎＰ基板１上にｎ型ＩｎＰの第１のクラ
ッド層２を堆積する。この第１のクラッド層２は２００
ｎｍの厚さ及び３．１６の屈折率を有し、その不純物濃
度は１×１０17原子／ｃｍ3 とする。第１のクラッド層
２上にアンドープのＩｎＧａＡｓＰの第１のガイド層３
を形成する。この第１のガイド層３の厚さは例えば１２
０ｎｍとし、その屈折率は３．３７とする。第１のガイ
ド層３上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰの活性層４を
形成する。この活性層４は１００ｎｍの厚さ及び３．４
１３２の屈折率を有する。尚、本例では、単一層の活性
層を用いたが、例えばＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰと
の多重量子井戸構造を用いることもできる。活性層４上
にアンドープのＩｎＧａＡｓＰの第２のガイド層５を形
成する。第２のガイド層５は１２０ｎｍの厚さ及び３．
３７の屈折率を有する。
ッド層２を堆積する。この第１のクラッド層２は２００
ｎｍの厚さ及び３．１６の屈折率を有し、その不純物濃
度は１×１０17原子／ｃｍ3 とする。第１のクラッド層
２上にアンドープのＩｎＧａＡｓＰの第１のガイド層３
を形成する。この第１のガイド層３の厚さは例えば１２
０ｎｍとし、その屈折率は３．３７とする。第１のガイ
ド層３上に、アンドープのＩｎＧａＡｓＰの活性層４を
形成する。この活性層４は１００ｎｍの厚さ及び３．４
１３２の屈折率を有する。尚、本例では、単一層の活性
層を用いたが、例えばＩｎＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰと
の多重量子井戸構造を用いることもできる。活性層４上
にアンドープのＩｎＧａＡｓＰの第２のガイド層５を形
成する。第２のガイド層５は１２０ｎｍの厚さ及び３．
３７の屈折率を有する。
【００２２】第２のガイド層５上にｐ型のＩｎＰの第２
のクラッド層６を堆積する。この第２のクラッド層は３
００ｎｍの厚さ及び３．１６の屈折率を有し、その不純
物濃度は１×１０17原子／ｃｍ3 とする。第２のクラッ
ド層６上に、ｐ型のＩｎＧａＡｓのキャップ層７を形成
する。このキャップ層７は３０ｎｍの厚さを有し、その
不純物濃度は１×１０19原子／ｃｍ3 とする。
のクラッド層６を堆積する。この第２のクラッド層は３
００ｎｍの厚さ及び３．１６の屈折率を有し、その不純
物濃度は１×１０17原子／ｃｍ3 とする。第２のクラッ
ド層６上に、ｐ型のＩｎＧａＡｓのキャップ層７を形成
する。このキャップ層７は３０ｎｍの厚さを有し、その
不純物濃度は１×１０19原子／ｃｍ3 とする。
【００２３】キャップ層７上に第１の電極８を形成す
る。第１の電極８は厚さ５０ｎｍのニッケル層８ａとこ
のニッケル層８ａ上に形成した厚さ１００ｎｍの金層８
ｂとで構成する。ニッケル層８ａは金層８ｂと共に第１
の電極８を構成すると共に、導波路を伝搬する光波に対
して光磁気効果を及ぼす光吸収性の磁性材料層としても
機能する。基板１の層形成面１ａと反対側に第２の電極
９を形成する。第２の電極は厚さ５０ｎｍのチタン層９
ａと厚さ１００ｎｍの金層９ｂとで構成する。第１の電
極８と第２の電極９との間には直流バイアス源１０を接
続し、入射した光波をそのエネルギーレベル以上のレベ
ルまで光増幅して出射させることができる。
る。第１の電極８は厚さ５０ｎｍのニッケル層８ａとこ
のニッケル層８ａ上に形成した厚さ１００ｎｍの金層８
ｂとで構成する。ニッケル層８ａは金層８ｂと共に第１
の電極８を構成すると共に、導波路を伝搬する光波に対
して光磁気効果を及ぼす光吸収性の磁性材料層としても
機能する。基板１の層形成面１ａと反対側に第２の電極
９を形成する。第２の電極は厚さ５０ｎｍのチタン層９
ａと厚さ１００ｎｍの金層９ｂとで構成する。第１の電
極８と第２の電極９との間には直流バイアス源１０を接
続し、入射した光波をそのエネルギーレベル以上のレベ
ルまで光増幅して出射させることができる。
【００２４】この光アイソレータは半導体光増幅器とし
て機能すると共に単一の光導波路構造体としても機能す
る。すなわち、活性層４並びにその両側に形成した第１
及び第２のガイド層３及び５が光導波路のコア層を構成
し、第１のクラッド層２が光導波路の一方の側に形成し
たクラッド層を構成し、第２のクラッド層６及びキャッ
プ層７が他方の側に形成したクラッド層を構成し、ニッ
ケル層８ａが光吸収性の磁性材料層を構成するので、コ
ア層と第１及び第２のクラッド層とにより光導波路か構
成されニッケル層８ａにより光吸収性磁性材料層が構成
される単一光導波路構造体を構成するものと考えること
もできる。この場合、半導体レーザとほぼ同一構造の導
波路型光アイソレータを同一半導体基板上に集積化する
ことができる。
て機能すると共に単一の光導波路構造体としても機能す
る。すなわち、活性層４並びにその両側に形成した第１
及び第２のガイド層３及び５が光導波路のコア層を構成
し、第１のクラッド層２が光導波路の一方の側に形成し
たクラッド層を構成し、第２のクラッド層６及びキャッ
プ層７が他方の側に形成したクラッド層を構成し、ニッ
ケル層８ａが光吸収性の磁性材料層を構成するので、コ
ア層と第１及び第２のクラッド層とにより光導波路か構
成されニッケル層８ａにより光吸収性磁性材料層が構成
される単一光導波路構造体を構成するものと考えること
もできる。この場合、半導体レーザとほぼ同一構造の導
波路型光アイソレータを同一半導体基板上に集積化する
ことができる。
【００２５】本発明による光アイソレータは、導波路を
伝搬する光波に対して非対称構造を有することが必要で
ある。図１に示す実施例においては、ｙ方向は無限大に
拡がっているものとみなすことができる。一方、ｘ方向
については光吸収性磁性材料層が基板と反対側にだけ形
成されているため、ｘ方向において非対称構造が確保さ
れている。
伝搬する光波に対して非対称構造を有することが必要で
ある。図１に示す実施例においては、ｙ方向は無限大に
拡がっているものとみなすことができる。一方、ｘ方向
については光吸収性磁性材料層が基板と反対側にだけ形
成されているため、ｘ方向において非対称構造が確保さ
れている。
【００２６】第２のクラッド層６は、光導波路のコア層
と光吸収性磁性材料層との間の距離を規定する重要な意
義を有する。すなわち、第２のクラッド層６の厚さは導
波路構造体を伝搬する光波の光吸収性磁性材料層８ａ側
に滲み出すエネルギー量すなわち伝搬する光波のエバネ
ッセント光が光吸収性磁性材料層に浸入する量を規定す
ると共に、光吸収性磁性材料層の伝搬する光波に対する
光磁気効果を及ぼす強さを規定する重要な意義を有す
る。従って、第２のクラッド層６の厚さは導波路を伝搬
する光波の波長や光アイソレータとしての用途を考慮し
て適切に設定する。
と光吸収性磁性材料層との間の距離を規定する重要な意
義を有する。すなわち、第２のクラッド層６の厚さは導
波路構造体を伝搬する光波の光吸収性磁性材料層８ａ側
に滲み出すエネルギー量すなわち伝搬する光波のエバネ
ッセント光が光吸収性磁性材料層に浸入する量を規定す
ると共に、光吸収性磁性材料層の伝搬する光波に対する
光磁気効果を及ぼす強さを規定する重要な意義を有す
る。従って、第２のクラッド層６の厚さは導波路を伝搬
する光波の波長や光アイソレータとしての用途を考慮し
て適切に設定する。
【００２７】次に、光吸収性磁性材料層８ａの磁化方向
について説明する。信号光として図１のｚ方向（紙面の
左側から右側に向けて）に伝搬するＴＭモード波を想定
する。この場合、ＴＭモード波の磁気ベクトルはｙ方向
に振動する。従って、磁性材料層８ａはｙ方向に沿って
延在するように形成すると共に、＋ｙ方向すなわち紙面
の奥側から手前側に向くように磁化する。このような方
向に磁化することにより、ｚ方向に伝搬する信号光に対
する減衰量は最小になり、反対方向（−ｚ方向）に伝搬
する反射波や散乱光に対する減衰量を最大にすることが
でき、大きなアイソレーション比を得ることができる。
尚、磁性材料層の磁化方向は、導波路を伝搬する光波の
磁気ベクトル方向に正確に対応させる必要はなく、磁気
ベクトルの方向と対応する方向の磁化成分を有するよう
に磁化するだけで所望の性能を得ることができる。
について説明する。信号光として図１のｚ方向（紙面の
左側から右側に向けて）に伝搬するＴＭモード波を想定
する。この場合、ＴＭモード波の磁気ベクトルはｙ方向
に振動する。従って、磁性材料層８ａはｙ方向に沿って
延在するように形成すると共に、＋ｙ方向すなわち紙面
の奥側から手前側に向くように磁化する。このような方
向に磁化することにより、ｚ方向に伝搬する信号光に対
する減衰量は最小になり、反対方向（−ｚ方向）に伝搬
する反射波や散乱光に対する減衰量を最大にすることが
でき、大きなアイソレーション比を得ることができる。
尚、磁性材料層の磁化方向は、導波路を伝搬する光波の
磁気ベクトル方向に正確に対応させる必要はなく、磁気
ベクトルの方向と対応する方向の磁化成分を有するよう
に磁化するだけで所望の性能を得ることができる。
【００２８】尚、ＴＥモード波の磁気ベクトルの振動方
向は、図１のほぼｘ方向となるため、ＴＥモード波が伝
搬する導波路の場合、導波路構造体の側面に基板１の層
形成面１ａとほぼ直交する方向に延在する光吸収性磁性
材料層を形成し、この光吸収性磁性材料層をほぼｘ方向
に磁化することにより、この磁性材料層の光磁気効果を
利用することができる。
向は、図１のほぼｘ方向となるため、ＴＥモード波が伝
搬する導波路の場合、導波路構造体の側面に基板１の層
形成面１ａとほぼ直交する方向に延在する光吸収性磁性
材料層を形成し、この光吸収性磁性材料層をほぼｘ方向
に磁化することにより、この磁性材料層の光磁気効果を
利用することができる。
【００２９】次に、図１に示す光アイソレータを光増幅
作用を有する光アイソレータとして用いる場合の動作に
ついて説明する。信号光は＋ｚ方向（紙面の左側から右
側に）伝搬するものとし、減衰させるべき戻り光は反対
の−ｚ方向に伝搬するものとする。この光アイソレータ
は、戻り光に対して強い減衰作用が生ずると共に信号光
についても減衰作用がある。従って、入射した信号光に
対して少なくともその減衰レベルがゼロレベルとなるよ
うに光増幅を行って出射させる。この光増幅率は直流バ
イアス源１０の電圧レベルを調整することにより行う。
この結果、伝搬すべき信号光のエネルギーレベルを低下
させることなく、戻り光のエネルギーレベルを大幅に減
衰させることができる。
作用を有する光アイソレータとして用いる場合の動作に
ついて説明する。信号光は＋ｚ方向（紙面の左側から右
側に）伝搬するものとし、減衰させるべき戻り光は反対
の−ｚ方向に伝搬するものとする。この光アイソレータ
は、戻り光に対して強い減衰作用が生ずると共に信号光
についても減衰作用がある。従って、入射した信号光に
対して少なくともその減衰レベルがゼロレベルとなるよ
うに光増幅を行って出射させる。この光増幅率は直流バ
イアス源１０の電圧レベルを調整することにより行う。
この結果、伝搬すべき信号光のエネルギーレベルを低下
させることなく、戻り光のエネルギーレベルを大幅に減
衰させることができる。
【００３０】本発明は上述した実施例だけに限定されず
種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施
例ではＩｎＰ系の化合物半導体材料を用いたが、例えば
ＧａＡｓ系半導体材料やＧａＮ系半導体材料を用いるこ
ともできる。ＧａＡｓ系半導体材料を用いる場合、コア
の材料としてＧａＡｓを用いクラッド層の材料としてＡ
ｌＧａＡｓを用いることができる。また、ＧａＮ系半導
体材料を用いる場合、コアの材料としてＩｎＧａＮを用
いクラッド層の材料としてＧａＮを用いることができ
る。
種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施
例ではＩｎＰ系の化合物半導体材料を用いたが、例えば
ＧａＡｓ系半導体材料やＧａＮ系半導体材料を用いるこ
ともできる。ＧａＡｓ系半導体材料を用いる場合、コア
の材料としてＧａＡｓを用いクラッド層の材料としてＡ
ｌＧａＡｓを用いることができる。また、ＧａＮ系半導
体材料を用いる場合、コアの材料としてＩｎＧａＮを用
いクラッド層の材料としてＧａＮを用いることができ
る。
【図１】 本発明による光アイソレータの一例の構成を
示す線図的断面図である。
示す線図的断面図である。
【符号の説明】 １ 基板 ２ 第１のクラッド層 ３ 第１のガイド層 ４ 活性層 ５ 第２のガイド層 ６ 第２のクラッド層 ７ キャップ層 ８ 第１の電極 8a ニッケル層 ９ 第２の電極 10 バイアス源
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−104227（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥ ＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖ ＯＬ．９，ＮＯ．５，ＭＡＹ 1997，ｐ ｐ．631−633 第46回応用物理関係連合講演会講演予 稿集、1999年春季、第３分冊（1999年３ 月28日発行）、第1219頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 27/28 G02F 1/00 - 1/125 G02F 1/29 - 7/00
Claims (11)
- 【請求項１】 層形成すべき表面を有する第１導電型の
半導体基板と、この基板上に形成され、第１導電型の第
１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成した
活性層と、活性層上に形成した第１導電型とは反対の第
２導電型の第２のクラッド層と、前記半導体基板の層形
成面とは反対側に形成した第１の電極と、前記第２のク
ラッド層の上側に形成した第２の電極とを有する半導体
光増幅器構造体を具え、 前記第１及び第２のクラッド層並びに活性層が、光波が
伝搬する光導波路を構成し、 前記半導体光増幅器構造体が、さらに前記光導波路を伝
搬する光波に対して光吸収作用を有する光吸収性磁性材
料層を具え、前記磁性材料層が前記光波の磁気ベクトル
の振動方向と対応する方向の磁界成分を有するように磁
化され、 前記導波路構造体が、前記光吸収性磁性材料層の光磁気
効果により光導波路を伝搬する光波に対して伝搬方向に
応じて等価屈折率が変化する非相反性光学特性を有し、
この非相反性の等価屈折率変化により、光導波路を第１
の方向に伝搬する第１の光波の当該導波路を伝搬する際
に生ずる減衰量が第１の方向とは反対の第２の方向に伝
搬する第２の光波の当該導波路を伝搬する際に生ずる減
衰量よりも小さくなるように構成したことを特徴とする
光アイソレータ。 - 【請求項２】 前記第１の光波を伝送系に沿って伝送す
べき信号光とし、前記第２の光波を信号光とは反対の方
向に伝搬する戻り光としたことを特徴とする請求項１に
記載の光アイソレータ。 - 【請求項３】 前記信号光をＴＭモード波とし、前記光
吸収性磁性材料層を前記基板の層形成面と平行に形成す
ると共に前記信号光の磁気ベクトルの振動方向と対応す
る方向の磁界成分を有するように磁化したことを特徴と
する請求項２に記載の光アイソレータ。 - 【請求項４】 前記信号光をＴＥモード波とし、前記光
吸収磁性材料層を前記基板の層形成面とほぼ直交するよ
うに形成すると共に信号光の磁気ベクトルの振動方向と
対応する方向の磁界成分を有するように磁化したことを
特徴とする請求項２に記載の光アイソレータ。 - 【請求項５】 前記磁性材料を、ニッケル、鉄、コバル
ト又はイットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）の磁性材料
から選択したことを特徴とする請求項１に記載の光アイ
ソレータ。 - 【請求項６】 層形成すべき表面を有する第１導電型の
半導体基板と、この半導体基板の層形成すべき面の上側
に形成した第１導電型の第１のクラッド層と、第１のク
ラッド層の上側に形成した活性層と、活性層の上側に形
成した第１導電型とは反対の第２導電型の第２のクラッ
ド層と、前記半導体基板の層形成すべき面とは反対側の
面に形成した第１の電極と、前記第２のクラッド層の上
側に形成した第２の電極とを有する半導体光増幅器構造
体を具え、 前記第１のクラッド層、活性層及び第２のクラッド層に
より光導波路を構成し、前記第２の電極が、導波路を伝
搬する光波の磁気ベクトルの振動方向と対応する方向の
磁界成分を有するように磁化した光吸収性磁性材料層を
含み、前記光導波路と第２の電極の磁性材料層とが光導
波路構造体を構成し、この光導波路構造体が、前記光吸
収性磁性材料層の光磁気効果により光導波路を伝搬する
光波に対して伝搬方向に応じて等価屈折率が変化する非
相反性光学特性を有し、この非相反性の等価屈折率の変
化により、光導波路を第１の方向に伝搬する第１の光波
の当該導波路を伝搬する際に生ずる減衰量が第１の方向
とは反対の第２の方向に伝搬する第２の光波の当該導波
路を伝搬する際に生ずる減衰量よりも小さくなるように
構成したことを特徴とする光アイソレータ。 - 【請求項７】 さらに、前記第１の電極と第２の電極と
の間に接続した直流バイアス源を具え、前記第１の光波
が導波路を伝搬する際に受ける減衰を補償するように光
増幅を行うことを特徴とする請求項６に記載の光アイソ
レータ。 - 【請求項８】 前記第１の光波を光増幅すべき信号光と
し、前記光吸収性磁性材料層が、前記信号光の磁気ベク
トルの振動方向と対応する方向の磁界成分を有するよう
に磁化されていることを特徴とする請求項６に記載の光
アイソレータ。 - 【請求項９】 前記第２の電極が、前記第１の光波の磁
気ベクトルの振動方向と対応する方向に磁化したニッケ
ル層と金層とを有することを特徴とする請求項６に記載
の光アイソレータ。 - 【請求項１０】 前記半導体基板をＩｎＰで構成し、前
記第１及び第２のクラッド層をＩｎＰで構成し、前記活
性層をＩｎＧａＡｓＰで構成したことを特徴とする請求
項６に記載の光アイソレータ。 - 【請求項１１】 前記第１導電型をｎ型とし、前記第２
導電型をｐ型としたことを特徴とする請求項１０に記載
の光アイソレータ。
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|---|---|---|---|
| JP11075746A JP3054707B1 (ja) | 1999-03-19 | 1999-03-19 | 光アイソレ―タ |
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| EP00302255A EP1039330B1 (en) | 1999-03-19 | 2000-03-20 | Optical waveguide isolator |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11075746A Expired - Lifetime JP3054707B1 (ja) | 1999-03-19 | 1999-03-19 | 光アイソレ―タ |
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|---|---|
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