JP3130131B2 - Optical isolator - Google Patents
Optical isolatorInfo
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- JP3130131B2 JP3130131B2 JP04170193A JP17019392A JP3130131B2 JP 3130131 B2 JP3130131 B2 JP 3130131B2 JP 04170193 A JP04170193 A JP 04170193A JP 17019392 A JP17019392 A JP 17019392A JP 3130131 B2 JP3130131 B2 JP 3130131B2
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光情報処理、
光計測機器などに使用する光集積回路などにおいて戻り
光を遮断し、雑音を誘起しない等の為に用いられる光ア
イソレータに関するものである。The present invention relates to optical communication, optical information processing,
The present invention relates to an optical isolator that is used for blocking return light and not inducing noise in an optical integrated circuit or the like used for an optical measurement device or the like.
【0002】[0002]
【従来の技術および問題点】近年、情報伝達の高速化、
情報記録の大容量化に伴い、光ファイバー通信や光ディ
スクメモリの開発が進められている。2. Description of the Related Art In recent years, information transmission has been accelerated,
With the increase in the capacity of information recording, development of optical fiber communication and optical disk memory has been promoted.
【0003】光通信システムには、1.3μmまたは
1.5μmの波長を用いる幹線系の中長距離伝送システ
ムと0.8μm帯を用いるLAN(ローカルエリアネッ
トワーク)等の近距離伝送システムが存在する。いずれ
の場合にも、半導体レーザから出た光をファイバー端面
に集光させファイバー中を導波させる。この時、ファイ
バーや他の光学部品の端面で反射した光は半導体レーザ
の活性層に戻る。その結果、半導体レーザの発振が不安
定になり、パワー変動および波長変動が生ずる。特にD
BR(分布反射型)レーザやDFB(分布帰還型)レー
ザに対しては単一モードが多モードになる等の影響が大
きい。また、将来の通信方式として注目されているコヒ
ーレント光通信は光のON/OFFを行うことなく位相
を変化させるのみであるため、特に戻り光の影響が大き
い。[0003] In optical communication systems, there are a medium- and long-distance transmission system using a 1.3 μm or 1.5 μm wavelength and a short-distance transmission system such as a LAN (local area network) using a 0.8 μm band. . In any case, the light emitted from the semiconductor laser is focused on the end face of the fiber and guided through the fiber. At this time, the light reflected on the end face of the fiber or other optical component returns to the active layer of the semiconductor laser. As a result, oscillation of the semiconductor laser becomes unstable, and power fluctuation and wavelength fluctuation occur. Especially D
A BR (distribution reflection type) laser or a DFB (distribution feedback type) laser has a large effect such as a single mode becoming multimode. Further, coherent optical communication, which has attracted attention as a future communication method, only changes the phase without turning on / off the light, and therefore the effect of the return light is particularly large.
【0004】また、光ディスクメモリにおいては、光学
部品からの反射光に加え、ディスク基板からの反射光が
半導体レーザに戻り、前述の不安定性や雑音を誘起す
る。この場合の波長域では1/4波長板と偏光ビームス
プリッタを組み合わせた簡易型光アイソレータが用いら
れることもあるが、アイソレーション比は最大でも20
dB程度にすぎない。また、戻り光の偏光面が変化して
しまうとアイソレーション比は更に小さくなるので、光
磁気ディスクの様にディスクからの反射光の偏光面の回
転を信号として検出しようとするシステムでは戻り光の
影響が更に深刻である。そのため、半導体レーザに数1
00MHzの高周波信号を重畳させ、レーザを多モード
発振させて、戻り光に対してレーザが影響を受けないよ
うな対症療法がとられている。In the optical disk memory, in addition to the light reflected from the optical components, the reflected light from the disk substrate returns to the semiconductor laser, and induces the instability and noise described above. In this case, a simple optical isolator combining a quarter-wave plate and a polarizing beam splitter is sometimes used, but the isolation ratio is at most 20.
It is only about dB. In addition, if the polarization plane of the return light changes, the isolation ratio becomes even smaller.Therefore, in systems such as a magneto-optical disk which detect the rotation of the polarization plane of the reflected light from the disk as a signal, the return ratio of the return light is reduced. The consequences are even more severe. Therefore, the number 1
A symptomatic treatment is performed in which a high-frequency signal of 00 MHz is superimposed, the laser is oscillated in multiple modes, and the laser is not affected by the return light.
【0005】以上に述べたように、戻り光による雑音の
発生は光通信においては伝送信号のエラーレートを増大
させ、光ディスクメモリにおいては再生信号の劣化を引
き起こす。As described above, the generation of noise due to return light increases the error rate of a transmission signal in optical communication, and causes deterioration of a reproduction signal in an optical disk memory.
【0006】半導体レーザへの戻り光を取り除く唯一の
素子が光アイソレータである。光アイソレータは非可逆
な透過特性を有するもので、戻り光を完全に遮断して半
導体レーザの活性層に再入射するのを防ぐ。[0006] The only element that removes the return light to the semiconductor laser is the optical isolator. The optical isolator has an irreversible transmission characteristic, and completely blocks return light to prevent re-injection into the active layer of the semiconductor laser.
【0007】発光素子や受光素子を同一基板上に形成す
るところの光集積回路においても光アイソレータは必須
の部品である。しかしながら、光集積回路用のアイソレ
ータには次に述べる様な大きな課題が存在する。In an optical integrated circuit in which a light emitting element and a light receiving element are formed on the same substrate, an optical isolator is an essential component. However, the optical isolator has a major problem as described below.
【0008】光集積回路においては、チャネル型光導波
路によって各デバイスを接続するが、この導波路内で
は、偏波面が導波層に平行または垂直であるところのT
E波またはTM波のみが導波モードとなる。従って、偏
波面を非相反に45度回転させるバルク型光アイソレー
タを使うことができない。その結果、光集積回路用アイ
ソレータには非相反部で45度に回転した偏光を元に戻
すところの相反モード変換器が更に必要となる。しか
も、これらの相反/非相反回路を同一基板上に形成しな
ければらないという要請が存在する。In an optical integrated circuit, each device is connected by a channel-type optical waveguide. In this waveguide, the T plane where the plane of polarization is parallel or perpendicular to the waveguide layer is provided.
Only the E wave or the TM wave is in the guided mode. Therefore, it is not possible to use a bulk-type optical isolator that rotates the plane of polarization 45 degrees nonreciprocally. As a result, the isolator for an optical integrated circuit further requires a reciprocal mode converter for returning the polarized light rotated by 45 degrees at the non-reciprocal portion. In addition, there is a demand that these reciprocal / non-reciprocal circuits must be formed on the same substrate.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとしている課題】集積型光アイソレ
ータとして、図7に示す様に、非相反部71にファラデ
ー効果、相反部72にコットン・ムートン効果(磁気複
屈折を利用)を用いる構造のものが提案されている。磁
性ガーネット膜(強磁性体)である光磁気膜73をGG
G基板74上にエピタキシャル成長させたもので、ファ
ラデー領域71では磁化Mを光の進行方向に寝かせ、コ
ットン・ムートン領域72では光の進行方向と垂直な面
内で磁化Mを膜面垂直方向からθm=22.5度傾けた
ものである。この様な2つの磁化領域71、72を形成
するために磁場をかけた状態でレーザ光でアニールする
レーザアニール法が提案されているが、まだ実現してい
ない。As shown in FIG. 7, an integrated optical isolator having a structure using a Faraday effect in a non-reciprocal portion 71 and a Cotton Mouton effect (using magnetic birefringence) in a reciprocal portion 72, as shown in FIG. Has been proposed. The magneto-optical film 73, which is a magnetic garnet film (ferromagnetic material), is GG
In the Faraday region 71, the magnetization M is laid down in the light traveling direction, and in the cotton Mouton region 72, the magnetization M is set to θ from a direction perpendicular to the film surface in a plane perpendicular to the light traveling direction. m = 22.5 degrees. A laser annealing method of annealing with a laser beam while applying a magnetic field in order to form such two magnetized regions 71 and 72 has been proposed, but has not been realized yet.
【0010】一方、半導体レーザを代表とする光素子は
GaAsやInP等の化合物半導体基板上に作成する。
そのためにも光アイソレータを化合物半導体基板の上に
集積化することが望まれている。磁性ガーネット膜73
は液相エピタキシー法もしくはスパッタ法によって成長
させることができる。しかし、この膜73は、GaAs
やInP基板とは格子定数や熱膨張係数が異なるため良
質の膜をエピタキシャル成長させることができない。従
って、ファラデー材料として磁性ガーネット膜73を使
う限り光アイソレータを他の光素子と集積化することは
難しいと考えられている。On the other hand, an optical element represented by a semiconductor laser is formed on a compound semiconductor substrate such as GaAs or InP.
Therefore, it is desired to integrate an optical isolator on a compound semiconductor substrate. Magnetic garnet film 73
Can be grown by liquid phase epitaxy or sputtering. However, this film 73 is made of GaAs
A high-quality film cannot be epitaxially grown due to a difference in lattice constant and coefficient of thermal expansion from the InP substrate and the InP substrate. Therefore, it is considered that it is difficult to integrate the optical isolator with other optical elements as long as the magnetic garnet film 73 is used as the Faraday material.
【0011】また、更に非相反部71における位相整合
の問題も存在する。図8は従来の位相整合のとりかたを
示す。図8(a)の様にレーザ光81を膜82中に導波
させると、図8(b)の様に、有限の膜厚h0において
は、形状複屈折のためにTE波に対する屈折率nTEはT
M波に対するそれ(nTM)よりも大きくなる。TE波と
TM波との伝幡定数差をΔβとすると Δβ=2π/λ(nTE−nTM) (1) となり、TE波からTM波へのモード変換効率Rは R=θ F 2/[θ F 2+(Δβ/2)2]・ sin2{[θ F 2+(Δβ/2)2]1/2l} (2) と与えられる。ここでθFは単位長さあたりのファラデ
ー回転角、lは導波距離である。Further, the phase matching at the non-reciprocal portion 71 is further performed.
The problem also exists. FIG. 8 shows a conventional phase matching method.
Show. As shown in FIG. 8A, a laser beam 81 is guided into a film 82.
Then, as shown in FIG. 8B, the finite thickness h0At
Is the refractive index n for TE waves due to shape birefringence.TEIs T
That for the M wave (nTM). With TE waves
Assuming that the propagation constant difference from the TM wave is Δβ, Δβ = 2π / λ (nTE-NTM(1) and the mode conversion efficiency R from TE wave to TM wave is R = θ F Two/ [Θ F Two+ (Δβ / 2)Two] ・ SinTwo{[Θ F Two+ (Δβ / 2)Two]1/2l} (2). Where θFIs Faraday per unit length
-The rotation angle, l is the guided distance.
【0012】上式で表される偏波の様子をポアンカレ球
を用いると、図9の様に図示される。A点で表される直
線偏波(TE波)は、導波するにつれ、経度0度上の点
Mと球の中心Oとを結ぶ線を中心軸として球面上を回
る。赤道面から測った点Mまでの角度(θ)は tanθ=θ F/(Δβ/2) (3) と与えられる。図9より明かなように、Δβが有限であ
る限り、いくら導波しても同じ経路をたどるだけで、4
5度の直線偏波に対応する点Eには到達できないことが
分かる。The state of polarization expressed by the above equation is expressed by Poincare sphere.
Is shown in FIG. A point represented by point A
The linearly polarized wave (TE wave) is a point on longitude 0 degrees as it is guided.
Turn on the sphere with the line connecting M and the center O of the sphere as the central axis
You. The angle (θ) from the equatorial plane to the point M is tan θ = θ F/ (Δβ / 2) (3). As is clear from FIG. 9, Δβ is finite.
As long as you follow the same path, no matter how much
It is impossible to reach the point E corresponding to the linear polarization of 5 degrees.
I understand.
【0013】以上述べたように、相反/非相反領域を同
一の化合物半導体基板上に形成すること、および位相を
如何に整合させるかが集積光アイソレータの実現にとっ
て最も大きな課題である。As described above, forming the reciprocal / non-reciprocal regions on the same compound semiconductor substrate and how to match the phases are the most important issues for realizing the integrated optical isolator.
【0014】従って、本発明の目的は、光素子などと共
に同一基板上に集積化することが可能な構成を持つ非相
反部と相反部からなる光アイソレータを提供することに
ある。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an optical isolator comprising a non-reciprocal part and a reciprocal part which can be integrated on the same substrate together with an optical element and the like.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、ファラデー効果を有する磁性半導体
導波路層(常磁性である)を非相反部に用い、非磁性の
化合物半導体導波路層を相反部として用いる構造を有す
る。According to the present invention, a magnetic semiconductor waveguide layer (paramagnetic) having a Faraday effect is used in a non-reciprocal portion to provide a non-magnetic compound semiconductor. It has a structure that uses a wave guide layer as a reciprocal part.
【0016】すなわち、非相反部および相反部が直列に
接続されて成る光アイソレータであって、該非相反部は
ファラデー効果を有する磁性半導体からなり、該非相反
部における導波路上部に形成されたグレーティングによ
り水平偏波を45度の直線偏波に非相反に変換する構成
を有し、該相反部は非磁性化合物半導体からなり、45
度の直線偏波を相反に水平偏波に戻す構成を有し、かつ
該グレーティングの周期数NとTE/TM伝搬定数差Δ
β + 、Δβ − (±はそれぞれグレーティングの凸部と凹
部に対応)及びファラデー回転角θ F とが次の関係を持
つことを特徴とする: 2NΔθ=(θ+Δθ/2)−π/2 ここで、θ=(θ + +θ − )/2, Δθ=θ + −θ − , tanθ + =θ F /(Δβ + /2), tanθ − =θ F /
(Δβ − /2)とする。 [0016] That is, the non-reciprocal unit and reciprocal unit is a optical isolator formed by connecting in series, the non-reciprocal unit is made of a magnetic semiconductor having a Faraday effect, the non-reciprocal
Due to the grating formed above the waveguide in the section
Ri has a configuration of converting the non-reciprocal horizontally polarized into a linearly polarized wave of 45 degrees, the reciprocal unit is made of a nonmagnetic compound semiconductor, 45
Have a configuration back to horizontal polarization linearly polarized degrees reciprocity, and
The number of periods N of the grating and TE / TM propagation constant difference Δ
β + , Δβ − (± are the convex and concave portions of the grating, respectively.
Corresponding to part) and a Faraday rotation angle theta F lifting the relationship:
One possible wherein the: 2NΔθ = (θ + Δθ / 2) -π / 2 where, θ = (θ + + θ -) / 2, Δθ = θ + -θ -, tanθ + = θ F / (Δβ + / 2), tan θ − = θ F /
(Δβ − / 2).
【0017】より具体的には、同一基板上に前記非相反
部および前記相反部が直列に接続されて集積化されてい
たり、前記非相反部は、その導波路上部に形成されたグ
レーティング上に電界印加用の電極が設けられていた
り、前記非相反部は、その導波路に電界と磁場を同時に
かけて電気光学効果と磁気光学効果によるモード変換を
同一領域内に起こさせることにより水平偏波を45度の
直線偏波に非相反に変換したり、前記相反部は、その導
波路上部に面法線に対して異方性軸が交互に反対向きに
傾くように非対称なグレーティングが形成されて、45
度の直線偏波を相反に水平偏波に戻したり、前記相反部
は、その導波路の両側に、交互に、面法線に対して異方
性軸が交互に反対向きに傾くように、凹部が形成され
て、45度の直線偏波を相反に水平偏波に戻したり、前
記光アイソレータの相反部において、前記非対称なグレ
ーティングの周期数をN、異方性の軸が導波路法線とな
す角をρとすると、次の関係を持ったりする: ρ=π/16N。[0017] More specifically, the on the same substrate or the non-reciprocal unit and the reciprocal unit is being integrated are connected in series, the non-reciprocal unit, the upper portion of the waveguide in the formed on grating An electrode for applying an electric field is provided, or the non-reciprocal portion generates horizontal polarization by simultaneously applying an electric field and a magnetic field to the waveguide and causing mode conversion by an electro-optic effect and a magneto-optic effect in the same region. A non-reciprocal conversion into a linear polarization of 45 degrees, and the reciprocal portion is formed with an asymmetric grating at the upper part of the waveguide such that the anisotropic axis is alternately inclined in the opposite direction to the surface normal. , 45
The linear polarization of the degree is reciprocally returned to horizontal polarization, or the reciprocal portion is alternately on both sides of the waveguide, such that the anisotropic axis is alternately inclined in the opposite direction to the surface normal, A concave portion is formed to return the 45-degree linearly polarized wave to horizontal polarization in a reciprocal manner. In the reciprocal portion of the optical isolator, the asymmetrical grating period number is set to N and the anisotropic axis is set. Let ρ be the angle that the line makes with the waveguide normal, or have the following relationship: ρ = π / 16N.
【0018】[0018]
【実施例】以下に、図1に示された第1実施例を述べ
る。その作製方法を述べる。GaAs基板1上にGaA
sバッファ層3、AlGaAs下部クラッド層5、Al
GaAs/GaAs超格子コア層7およびAlGaAs
上部クラッド層9からなる相反部12の光導波路層をM
BEもしくはMOCVD法によって順次成膜する。その
後、GaAs導波路層の一部を選択エッチングした後、
CdTeバッファ層2、CdMnTe下部クラッド層
4、CdTe/CdMnTe超格子コア層6、CdMn
Te上部クラッド層8からなる非相反部11の光導波路
層をMBEもしくはMOCVD法によって順次成膜す
る。イオンミリングによってリッジ導波路を形成後、相
反部12および非相反部11のグレーティング14、1
3を作製する。磁性半導体であるCdMnTeはII−
VI族化合物半導体であるCdTeのCd位置をMnで
置き換えたもので、可視域で透明であり且つ大きなファ
ラデ回転角を持つ。また、コア部6のMn組成を上下ク
ラッド部4、8のそれより小さくすることで、コア部6
の屈折率をクラッド部4、8のそれより大きくして光を
閉じ込める構造となっている。以下に、非相反部11/
相反部12それぞれの動作原理を説明する。The first embodiment shown in FIG. 1 will be described below. The manufacturing method will be described. GaAs on GaAs substrate 1
s buffer layer 3, AlGaAs lower cladding layer 5, Al
GaAs / GaAs superlattice core layer 7 and AlGaAs
The optical waveguide layer of the reciprocal portion 12 composed of the upper clad layer 9 is formed by M
Films are sequentially formed by BE or MOCVD. Then, after selectively etching a part of the GaAs waveguide layer,
CdTe buffer layer 2, CdMnTe lower cladding layer 4, CdTe / CdMnTe superlattice core layer 6, CdMn
The optical waveguide layer of the non-reciprocal portion 11 composed of the Te upper cladding layer 8 is sequentially formed by MBE or MOCVD. After forming the ridge waveguide by ion milling, the gratings 14 and 1 of the reciprocal portion 12 and the non-reciprocal portion 11 are formed.
3 is manufactured. CdMnTe which is a magnetic semiconductor is II-
CdTe, which is a group VI compound semiconductor, in which the Cd position is replaced with Mn, is transparent in the visible region, and has a large Faraday rotation angle. By making the Mn composition of the core 6 smaller than that of the upper and lower claddings 4 and 8, the core 6
Has a refractive index larger than those of the cladding portions 4 and 8 to confine light. The non-reciprocal part 11 /
The operation principle of each reciprocal part 12 will be described.
【0019】非相反部の動作 図1に示す非相反部11は、光の導波方向に一定周期の
グレーティング13が上部クラッド8に形成されてい
る。ここで凸部と凹部とでは上部クラッド層8の厚さが
異なるため、伝搬定数が異なる。凸部のところでのTE
/TM伝搬定数差をΔβ+、凹部のところのそれをΔβ-
とすると、図2に示すように、それぞれの部分に対応す
るポアンカレ球面(この球面上で、ファラデ効果による
ときの偏光経路を求める際の中心軸は中心Oと極点を結
ぶ線であり、複屈折によるときのその中心軸は中心Oと
赤道上の点Aを結ぶ線であり、両者が混じったときのそ
の中心軸は中心Oと点Aと極点の間の点を結ぶ線であ
る)上の点はM+およびM-となる。また、凸部および凹
部の長さは、図3に示すようにポアンカレ球面上でπラ
ジアン回転する長さに設定されている。 Operation of Non-Reciprocal Portion In the non-reciprocal portion 11 shown in FIG. 1, a grating 13 having a constant period is formed on the upper cladding 8 in the light waveguide direction. Here, since the thickness of the upper cladding layer 8 is different between the convex portion and the concave portion, the propagation constant is different. TE at the protrusion
/ TM propagation constant difference [Delta] [beta] +, it [Delta] [beta] where the recess -
Then, as shown in FIG. 2, the Poincare sphere corresponding to each part (the center axis on the spherical surface when finding the polarization path by the Faraday effect is a line connecting the center O and the pole, and the birefringence Is the line connecting the center O and the point A on the equator, and when both are mixed, the center axis is the line connecting the center O and the point between the point A and the pole). point M + and M - to become. Further, the lengths of the convex portions and the concave portions are set to the lengths of rotating by π radians on the Poincare sphere as shown in FIG.
【0020】図3から明らかなように、光が最初に凸部
を導波するにつれ、A点がO−M+を中心としてπラジ
アン回転してA1点へ移る。次に、光が凹部に入ると、
A1点はO−M-軸を中心としてA2点へと移動する。光
が導波するにつれ、グレーティング13の各セグメント
端での偏光は経度0度上の点を次々に飛び移ることにな
る。従って、非相反部11での出射端で45度の偏光
(図2、3におけるE点)を得るためにはグレーティン
グ13の最後のセグメントによる回転角をπ/2ラジア
ンにしなければならない。このためには、最後のセグメ
ントの長さを他のセグメントの半分にすればよいことが
分かる。[0020] As apparent from FIG. 3, as the light is guided through the first convex portion, A point moves to π radians rotates around the O-M + to point A. Next, when light enters the recess,
A 1 point is O-M - to move to A 2 points around the axis. As the light is guided, the polarized light at the end of each segment of the grating 13 jumps over points at a longitude of 0 degrees one after another. Therefore, in order to obtain a polarization of 45 degrees (point E in FIGS. 2 and 3) at the exit end at the non-reciprocal portion 11, the rotation angle of the last segment of the grating 13 must be π / 2 radians. It can be seen that, for this purpose, the length of the last segment should be half that of the other segments.
【0021】上記の動作をさせるためには以下の関係が
必要である。まず、グレーティング13の周期(凸部と
凹部で1周期とする)の数をNとする(最後のセグメン
トを除く)。また、O−M+軸およびO−M-軸がO−A
軸とのなす角をそれぞれθ+Δθ/2およびθ−Δθ/
2とする。最後の半分の長さのセグメントを導波するこ
とによって45度の直線偏波(E点)になるためには、
N周期導波したときの経度0度上の点(A2N)と原点0
を結ぶ線がO−M+軸となす角はπ/2でなければなら
ないので、次式が成り立つ。 2NΔθ=(θ+Δθ/2)−π/2 (4) 上式の関係を満たすように、グレーティング13の周期
数Nと深さによってΔθを設計することにより、水平偏
波を非相反(非可逆)に45度の直線偏波とすることが
可能となる。戻り光に対しては、図2、3における
M+、M-点が北半球から南半球へ移るので、非相反動作
をすることが明かである。The following relationship is required for the above operation. First, the number of periods of the grating 13 (one period between the convex portion and the concave portion) is set to N (excluding the last segment). Further, O-M + shaft and O-M - axes O-A
The angles formed by the axes are θ + Δθ / 2 and θ−Δθ /
Let it be 2. To get a 45 degree linear polarization (point E) by guiding the last half length segment,
Point (A 2N ) at 0 degree longitude and origin 0 when guided N cycles
Since the angle formed by the line connecting to the O-M + axis must be π / 2, the following equation holds. 2NΔθ = (θ + Δθ / 2) −π / 2 (4) By designing Δθ by the period number N and the depth of the grating 13 so as to satisfy the relationship of the above expression, the horizontal polarization is non-reciprocal (irreversible). It is possible to obtain a 45 degree linearly polarized wave. For the returning light, since the points M + and M − in FIGS. 2 and 3 move from the northern hemisphere to the southern hemisphere, it is clear that non-reciprocal operation is performed.
【0022】この場合、凹凸のグレーティング13上に
導波方向に沿って、電界印加用の電極を設ければ、上記
設定に多少の誤差が生じても、所望に微調整できる構造
となる。In this case, if an electrode for applying an electric field is provided on the uneven grating 13 along the waveguide direction, the structure can be finely adjusted as desired even if a slight error occurs in the above setting.
【0023】また、リッジ導波路にグレーティングを形
成せず、その両側に電極を設けて閃亜鉛鉱構造のCdM
nTe上部クラッド層8における[110]方向(導波
方向に直交してクラッド層8の面内方向)に適当な電界
をかけると共に、導波方向に適当な磁界をかけて電気光
学効果と磁気光学効果によるモード変換を同一領域内に
起こさせる構造としてもよい。これにより、TE/TM
位相整合(Δβ=0)をとらなくても、非相反に45度
偏波面を回転させることができる。図2のポアンカレ球
上で示せば、このとき、一点鎖線で示す様に0度と4
5度の直線偏光以外のところで楕円偏光となる経路をた
どる。これについては、同一出願人による特願平2−2
07096号明細書に詳しい。Also, no grating is formed on the ridge waveguide, and electrodes are provided on both sides of the ridge waveguide to form a CdM having a zinc blende structure.
An appropriate electric field is applied in the [110] direction (in-plane direction of the cladding layer 8 perpendicular to the waveguide direction) in the nTe upper cladding layer 8 and an appropriate magnetic field is applied in the waveguide direction to obtain an electro-optical effect and a magneto-optical effect. A structure in which mode conversion by the effect is caused in the same region may be adopted. Thereby, TE / TM
Even without phase matching (Δβ = 0), the polarization plane can be rotated 45 degrees nonreciprocally. If shown on the Poincare sphere in FIG. 2, at this time, 0 degrees and 4 degrees
Follow the path of elliptically polarized light at a place other than the linearly polarized light of 5 degrees. This is described in Japanese Patent Application No. 2-2 filed by the same applicant.
No. 07096.
【0024】相反部の構成 図2に示される相反部12は非磁性の化合物半導体導波
路からなる。上部クラッド層9は市松模様にエッチング
されている。そのグレーティング14の断面は図4
(a)および(b)のように導波路中心に対して非対称
な形状となっており、その結果、複屈折の主軸20も法
線方向から角度±ρだけ傾くことになる。その大きさは
非対称性の度合いで決定される。また、グレーティング
14の各セグメントの長さは2つの直交モードの位相差
がπラジアンになるように設定される。 Structure of Reciprocal Section The reciprocal section 12 shown in FIG. 2 is made of a nonmagnetic compound semiconductor waveguide. The upper cladding layer 9 is etched in a checkered pattern. The cross section of the grating 14 is shown in FIG.
As shown in (a) and (b), the waveguide has an asymmetric shape with respect to the center of the waveguide. As a result, the main axis 20 of the birefringence is also inclined by an angle ± ρ from the normal direction. Its magnitude is determined by the degree of asymmetry. The length of each segment of the grating 14 is set so that the phase difference between the two orthogonal modes is π radian.
【0025】この導波路に非相反部11から45度(E
点)の直線偏光が入射したときの偏光変化の様子を図5
に示す。光が導波するにつれ、赤道面上で経度0度のA
点から±2ρだけの角度をなす2つの点P+、P-をそれ
ぞれ中心としてπラジアンずつ回転する。図5では4つ
のセグメント(2周期)を導波すると水平直交偏波(A
点)となる。The waveguide is placed at 45 degrees (E
FIG. 5 shows how the polarization changes when linearly polarized light (point) is incident.
Shown in As light propagates, A at longitude 0 degrees on the equatorial plane
The rotation is performed by π radians around two points P + and P − forming an angle of ± 2ρ from the point, respectively. In FIG. 5, when four segments (two periods) are guided, horizontal orthogonal polarization (A
Point).
【0026】周期数をNとすると、図5より明らかなよ
うに ρ=π/16N (5) なる関係を満たすことによって45度の相反型モード変
換器を構成することができる。この構成については、文
献(Appl.Phys.Lett.59(11),p
p.1278−1280,9 Sep.1991)に記
載がある。Assuming that the number of periods is N, a 45 ° reciprocal mode converter can be formed by satisfying the relationship ρ = π / 16N (5) as is clear from FIG. This configuration is described in the literature (Appl. Phys. Lett. 59 (11), p.
p. 1278-1280, 9 Sep. 1991).
【0027】同様の機能を果たすのに、図6の如き構成
でもよい。図6では、埋め込み導波路27の両側に交互
に凹部28a、28bを形成して、複屈折の主軸20を
法線方向から角度±ρだけ傾かせる。A configuration as shown in FIG. 6 may be used to perform the same function. In FIG. 6, concave portions 28a and 28b are alternately formed on both sides of the buried waveguide 27, and the main axis 20 of birefringence is inclined by an angle ± ρ from the normal direction.
【0028】以上の構成の非相反部11に、図1に示す
如く、TE波が入射すると、この光は非相反部11の出
力端で45度回転した直線偏光になり、次に相反部12
を通ることで45度逆方向に回転されて、相反部12を
出るときには再びTE光になって次段に伝わる。一方、
TE波が相反部12に入ってくると、これは、相反部1
2で、前の相反部12での回転とは逆の方向(前の非相
反部11での回転と同方向)に45度回転され、更に非
相反部11に入ることでここでも同方向に45度回転さ
れる。よって、非相反部11を出るときにはTM波とな
る。このTM波を、非相反部11の前段に設けられた偏
光板の如き手段で除去すれば、光アイソレータの機能が
果たされることになる。As shown in FIG. 1, when the TE wave is incident on the non-reciprocal portion 11 having the above structure, this light becomes linearly polarized light rotated by 45 degrees at the output end of the non-reciprocal portion 11, and then the reciprocal portion 12
When the light passes through the reciprocal portion 12, the light is again turned into TE light and transmitted to the next stage. on the other hand,
When the TE wave enters the reciprocal part 12, this is the reciprocal part 1
At 2, it is rotated by 45 degrees in the opposite direction to the rotation at the previous reciprocal part 12 (the same direction as the rotation at the previous non-reciprocal part 11). Rotated 45 degrees. Therefore, when exiting the non-reciprocal portion 11, a TM wave is generated. If this TM wave is removed by means such as a polarizing plate provided in a stage preceding the non-reciprocal portion 11, the function of the optical isolator is achieved.
【0029】[0029]
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によって、C
dTe膜はGaAs基板などにMBEやMOCVD法に
よって良質の膜を成長させることができるので、同一基
板上に非相反部と相反部を形成することができるように
なった。従って、従来、戻り光の存在によって集積化が
難しいと考えられてきたDBR/DFBレーザや光アン
プを一つの基板に集積化することが可能となり、光集積
回路等が実現できるようになった。As described above, according to the present invention, C
Since a high-quality dTe film can be grown on a GaAs substrate or the like by MBE or MOCVD, a nonreciprocal portion and a reciprocal portion can be formed on the same substrate. Therefore, it has become possible to integrate a DBR / DFB laser or an optical amplifier, which has conventionally been considered difficult to integrate due to the presence of return light, on a single substrate, and an optical integrated circuit or the like can be realized.
【図1】本発明の光アイソレータの第1実施例の斜視
図。FIG. 1 is a perspective view of a first embodiment of an optical isolator according to the present invention.
【図2】図1の第1実施例の非相反部の動作原理を説明
するポアンカレ球の図。FIG. 2 is a diagram of a Poincare sphere for explaining the operation principle of the non-reciprocal portion of the first embodiment of FIG.
【図3】図1の第1実施例の非相反部の光の導波の経路
を説明するポアンカレ球の図。FIG. 3 is a diagram of a Poincare sphere for explaining a light guiding path of a non-reciprocal portion in the first embodiment of FIG. 1;
【図4】図1の第1実施例の相反部の動作原理を説明す
る部分断面図。FIG. 4 is a partial cross-sectional view for explaining the operation principle of the reciprocal portion of the first embodiment of FIG.
【図5】図1の第1実施例の相反部の光の導波の経路を
説明するポアンカレ球の図。FIG. 5 is a diagram of a Poincare sphere for explaining a light guide path of a reciprocal portion in the first embodiment of FIG. 1;
【図6】他の実施例の非相反部の動作原理を説明する部
分断面図。FIG. 6 is a partial cross-sectional view illustrating the operation principle of a non-reciprocal portion according to another embodiment.
【図7】従来例の構成を示す斜視図。FIG. 7 is a perspective view showing a configuration of a conventional example.
【図8】レーザ光を膜中に導波させるときの形状複屈折
によるTE/TM伝播定数差を説明する図。FIG. 8 is a diagram illustrating a TE / TM propagation constant difference due to shape birefringence when a laser beam is guided through a film.
【図9】従来例の場合の偏波の様子をポアンカレ球で説
明する図。FIG. 9 is a diagram illustrating a state of polarization in the case of the conventional example using a Poincare sphere.
1 GaAs基板 2 CdTeバッファ層 3 GaAsバッファ層 4 CdMnTe下部クラッド層 5 AlGaAs下部クラッド層 6 CdTe/CdMnTe超格子コア層 7 GaAs/AlGaAs超格子コア層 8 CdMnTe上部クラッド層 9 AlGaAs上部クラッド層 11 非相反部 12 相反部 13 グレーティング 14 非対称グレーティング 20 複屈折の主軸 27 埋め込み導波路 28a,28b 交互の凹部 Reference Signs List 1 GaAs substrate 2 CdTe buffer layer 3 GaAs buffer layer 4 CdMnTe lower cladding layer 5 AlGaAs lower cladding layer 6 CdTe / CdMnTe superlattice core layer 7 GaAs / AlGaAs superlattice core layer 8 CdMnTe upper cladding layer 9 AlGaAs upper cladding layer 11 Non-phase Part 12 reciprocal part 13 grating 14 asymmetric grating 20 main axis of birefringence 27 buried waveguide 28a, 28b alternate concave part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 27/28 G02F 1/09 505 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 27/28 G02F 1/09 505
Claims (7)
成る光アイソレータであって、該非相反部はファラデー
効果を有する磁性半導体からなり、該非相反部における
導波路上部に形成されたグレーティングにより水平偏波
を45度の直線偏波に非相反に変換する構成を有し、該
相反部は非磁性化合物半導体からなり、45度の直線偏
波を相反に水平偏波に戻す構成を有し、かつ該グレーテ
ィングの周期数NとTE/TM伝搬定数差Δβ+、Δβ
−(±はそれぞれグレーティングの凸部と凹部に対応)
及びファラデー回転角θFとが次の関係を持つことを特
徴とする光アイソレータ: 2NΔθ=(θ+Δθ/2)−π/2 ここで、θ=(θ++θ−)/2, Δθ=θ+−θ−, tanθ+=θF/(Δβ+/2), tanθ−=θF/
(Δβ−/2)とする。1. An optical isolator comprising a non-reciprocal part and a reciprocal part connected in series, wherein the non-reciprocal part is made of a magnetic semiconductor having a Faraday effect, and is formed by a grating formed above the waveguide at the non-reciprocal part. It has a configuration for converting horizontal polarization into non-reciprocal 45-degree linear polarization, and the reciprocal portion is made of a non-magnetic compound semiconductor, and has a configuration for reversing 45-degree linear polarization back to horizontal polarization. And the number of periods N of the grating and the TE / TM propagation constant difference Δβ + , Δβ
− (± corresponds to the convex and concave portions of the grating, respectively)
And an optical isolator and a Faraday rotation angle theta F characterized as having the following relationship: 2NΔθ = (θ + Δθ / 2) -π / 2 where, θ = (θ + + θ -) / 2, Δθ = θ + −θ − , tan θ + = θ F / (Δβ + / 2), tan θ − = θ F /
(Δβ − / 2).
部が直列に接続されて集積化されていることを特徴とす
る請求項1記載の光アイソレータ。2. The optical isolator according to claim 1, wherein said non-reciprocal part and said reciprocal part are connected in series and integrated on the same substrate.
れたグレーティング上に電界印加用の電極が設けられて
いることを特徴とする請求項1記載の光アイソレータ。3. The optical isolator according to claim 1, wherein said non-reciprocal portion is provided with an electrode for applying an electric field on a grating formed above said waveguide.
を同時にかけて電気光学効果と磁気光学効果によるモー
ド変換を同一領域内に起こさせることにより水平偏波を
45度の直線偏波に非相反に変換することを特徴とする
請求項1記載の光アイソレータ。4. The non-reciprocal part is characterized in that an electric field and a magnetic field are simultaneously applied to the waveguide to cause mode conversion by an electro-optic effect and a magneto-optic effect in the same region, thereby converting a horizontally polarized wave into a linearly polarized wave of 45 degrees. 2. The optical isolator according to claim 1, wherein the optical isolator is converted into a non-reciprocal.
対して異方性軸が交互に反対向きに傾くように非対称な
グレーティングが形成されて、45度の直線偏波を相反
に水平偏波に戻すことを特徴とする請求項1記載の光ア
イソレータ。5. The reciprocal portion includes an asymmetrical grating formed on an upper portion of the waveguide such that an anisotropic axis is alternately inclined in the opposite direction with respect to a surface normal. 2. The optical isolator according to claim 1, wherein the polarization is returned to horizontal polarization.
に、面法線に対して異方性軸が交互に反対向きに傾くよ
うに、凹部が形成されて、45度の直線偏波を相反に水
平偏波に戻すことを特徴とする請求項1記載の光アイソ
レータ。6. A reciprocal portion is formed on both sides of the waveguide such that a concave portion is formed so that an anisotropic axis is alternately inclined in the opposite direction with respect to a surface normal. 2. The optical isolator according to claim 1, wherein the polarization is reversed to the horizontal polarization.
記非対称なグレーティングの周期数をN、異方性の軸が
導波路法線となす角をρとすると、次の関係を持つこと
を特徴とする請求項5記載の光アイソレータ: ρ=π/16N。7. The reciprocal part of the optical isolator has the following relationship, where N is the period number of the asymmetric grating, and ρ is the angle between the anisotropic axis and the waveguide normal. The optical isolator according to claim 5, wherein ρ = π / 16N.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04170193A JP3130131B2 (en) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Optical isolator |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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JPH05341231A JPH05341231A (en) | 1993-12-24 |
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- 1992-06-04 JP JP04170193A patent/JP3130131B2/en not_active Expired - Fee Related
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Appl.Phys.Lett.59(11),9 September 1991 |
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JPH05341231A (en) | 1993-12-24 |
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