JP2570826B2 - Solid state circulator - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、複数のポートの間のうち、予め定められた
一定の関係のポート間で光を伝播させる固体光サーキュ
レータに関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid-state optical circulator that propagates light between ports having a predetermined fixed relationship among a plurality of ports.

従来の技術およびその課題 光の非相反回路の一種に光サーキュレータがある。こ
れは、複数のポート間のうち、予め定められた一定の関
係のポート間において光を伝播させる。たとえば、第１
ポート、第２ポート、第３ポートを備えた光サーキュレ
ータでは、第１ポートから第２ポートへ、第２ポートか
ら第３ポートへ、第３ポートから第１ポートへそれぞれ
光が伝播させられるように構成される。通常、このよう
な光サーキュレータは、ファラデー回転子、偏向ビーム
スプリッタ、プリズム、補償板などの複数の光学素子を
組み合わせて構成されるので、各光学素子間の光軸調整
が煩雑となり、また各光学素子の相互の光軸を高精度に
保持するための剛性の高いフレームが必要となるため、
光サーキュレータが複雑且つ大型となる欠点があった。
また、植木・宮崎による電子情報通信学会技術研究報告
MW86−124（1986）および・滝・宮崎による電子情報通
信学会技術研究報告MW86−126（1986）に示されるよう
な光集積型アイソレータでは、光を一方向へ通すのみで
サーキュレータ動作はできなかった。2. Description of the Related Art An optical circulator is one type of non-reciprocal circuit of light. This causes light to propagate between ports having a predetermined fixed relationship among a plurality of ports. For example, the first
In an optical circulator having a port, a second port, and a third port, light can be propagated from the first port to the second port, from the second port to the third port, and from the third port to the first port. Be composed. Usually, such an optical circulator is configured by combining a plurality of optical elements such as a Faraday rotator, a deflecting beam splitter, a prism, and a compensating plate. Since a highly rigid frame is required to hold the mutual optical axes of the elements with high accuracy,
There is a disadvantage that the optical circulator is complicated and large.
In addition, IEICE Technical Report by IEICE and Miyazaki
In optical integrated type isolators such as those shown in MW86-124 (1986) and IEICE Technical Report MW86-126 (1986) by Taki and Miyazaki, the circulator could not operate only by passing light in one direction. .

本発明は以上の事情を背景として為されたものであ
り、その目的とするところは、光軸調整が不要であり、
しかも簡単且つ小型に構成される光サーキュレータを提
供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to eliminate the need for optical axis adjustment,
In addition, an object of the present invention is to provide an optical circulator that is simple and small.

課題を解決するための手段 斯る目的を達成するため、本発明の要旨とするところ
は、第１ポート、第２ポート、および共通ポートを有
し、その第１ポートに供給された光を供給ポートへ専ら
伝播させ、その共通ポートに供給された光を上記第２ポ
ートへ専ら伝播させる形式の固体光サーキュレータであ
って、（ａ）前記共通ポートに接続された共通導波路
と、この共通導波路から分岐されて前記第１ポートに接
続された第１分岐導波路と、その共通導波路から分岐さ
れて前記第２ポートに接続された第２分岐導波路とを備
えて基板の一面から結晶成長させられた磁性薄膜内に設
けられ、第１ポートから共通ポートへ向かう光は分波し
ないでその共通ポートへ専ら伝播させるが、共通ポート
から第１ポートへ向かう光は分波して前記第２ポートへ
も伝播させる三次元光導波路と、（ｂ）前記第１分岐導
波路上を覆う金属膜を有し、その第１分岐導波路内を伝
播する光のうち、予め定められた伝播モードの光のみを
通過させ他の伝播モードの光を金属膜による減衰作用に
基づいてその通過を阻止するモード選択部と、（ｃ）前
記共通導波路における光の伝播方向と直角を成す平面内
において、前記基板の一面に垂直な垂直線から所定角度
傾斜した方向の磁界を形成する磁界形成装置を有し、上
記モード選択部を通過した光の通過に際してはその伝播
モードを変換しないが、前記共通ポートから前記第１ポ
ートおよび第２ポートへ向かう光の伝播モードを上記モ
ード選択部によって通過が阻止される伝播モードへ変換
する一方向性モード変換部とを、含むことにある。Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the gist of the present invention is to have a first port, a second port, and a common port, and to supply light supplied to the first port. A solid-state optical circulator of the type that propagates light exclusively to a port and propagates light supplied to the common port exclusively to the second port, comprising: (a) a common waveguide connected to the common port; A first branch waveguide branched from the waveguide and connected to the first port; and a second branch waveguide branched from the common waveguide and connected to the second port. Provided in the grown magnetic thin film, light traveling from the first port to the common port is propagated exclusively to the common port without being demultiplexed, but light traveling from the common port to the first port is demultiplexed and demultiplexed. 2 ports A three-dimensional optical waveguide that propagates through the first branch waveguide, and (b) a light of a predetermined propagation mode among the light that propagates in the first branch waveguide. A mode selection unit that passes only the light of the other propagation mode based on the attenuation effect of the metal film, and (c) in a plane perpendicular to the light propagation direction in the common waveguide. It has a magnetic field forming device that forms a magnetic field in a direction inclined at a predetermined angle from a vertical line perpendicular to one surface of the substrate, and does not change its propagation mode when passing light passing through the mode selection unit, but from the common port. A unidirectional mode converter for converting a propagation mode of the light toward the first port and the second port into a propagation mode in which the light is blocked by the mode selector.

作用および発明の効果 このようにすれば、モード選択部が、基板の一面から
結晶成長させられることにより形成された三次元光導波
路の第１分岐導波路上を覆う金属膜により構成されると
ともに、一方向性モード変換部が、共通導波路の光の伝
播方向と直角を成す平面内において、基板の一面に垂直
な垂直線から所定角度傾斜した方向の磁界を形成する磁
界形成装置により構成されることから、上記モード選択
部および一方向性モード変換部は、共通の基板上におい
て、その基板の一面から結晶成長させられることにより
形成された三次元光導波路に一体に設けられるので、そ
れらモード選択部、一方向性モード変換部、光導波路間
の相互の光軸調整が不要となるとともに、独立した光学
素子を組み合わせて構成する従来の場合に比較して、光
サーキュレータが簡単且つ小型に構成されるものであ
る。In this way, the mode selecting unit is configured by the metal film that covers the first branch waveguide of the three-dimensional optical waveguide formed by growing crystals from one surface of the substrate, The unidirectional mode converter is configured by a magnetic field forming device that forms a magnetic field in a direction inclined at a predetermined angle from a vertical line perpendicular to one surface of the substrate in a plane perpendicular to the light propagation direction of the common waveguide. Therefore, the mode selection unit and the unidirectional mode conversion unit are integrally provided on a three-dimensional optical waveguide formed by growing a crystal from one surface of the common substrate on the common substrate. Unit, unidirectional mode conversion unit, mutual optical axis adjustment between the optical waveguides is not required, and compared with the conventional case configured by combining independent optical elements, The optical circulator is simple and compact.

実施例 以下、本発明の一実施例を示す図面に基づいて詳細に
説明する。Embodiment Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第１図および第２図において、GGG（ガドリニウム・
ガリウム・ガーネット,Gd₃Ga₅O₁₂）、SGG（サマリウム
・ガリウム・ガーネット）、NGG（ネオジウム・ガリウ
ム・ガーネット）などの透光性材料からなる基板10の一
面には、YIG（イットリウム・鉄・ガーネット,Y₃Fe
₅O₁₂）、GdIG（ガドリニウム・鉄・ガーネット,Gd₃Fe₅O
₁₂）、それらのうちの一部をビスマスにて置換したBi_x
Y_3-x Fe₅O₁₂（Bi:YIG、Bi:GdIG）等の磁気光学効果を有
する磁性薄膜11,12が液相成長法（LPE）として良く知ら
れた薄膜形成手段により、基板10の一面から結晶成長さ
せられることによって固着されている。なお、磁性薄膜
11は、磁性薄膜12とGGG等の基板10との中間にあり、そ
れの屈折率は磁性薄膜12よりも僅かに小さくされてい
る。そして、通常のフォトリソグラフィ技術により得ら
れる導波路形状のマスクパターンを磁性薄膜12上に作製
し、たとえば熱燐酸による化学エッチングあるいはイオ
ンビームエッチング、スパッタエッチングによりマスク
パターン部分以外の磁性薄膜12の膜厚を局部的に減少さ
せる形式のエッチング手法を適用して不要部分を除去す
ることにより、３次元光導波路14が形成されている。こ
の３次元光導波路14は、第２図にも示すように、基板10
の互いに平行を成す端面16および端面18間にわたって磁
性薄膜12から凸設されたリッジによりＹ字型に構成され
ており、共通ポート20に接続された共通導波路22と、そ
の共通導波路22から分岐されて第１ポート24に接続され
た第１分岐導波路26と、共通導波路22から分岐されて第
２ポート28に接続された第２分岐導波路30とを備えてい
る。これにより、第１ポート24から共通ポート20へ向か
う光は専ら共通ポート20へ伝播させられるが、共通ポー
ト20から第１ポート24へ向かう光は分岐点にて分波され
て第１ポート24のみならず第２ポート28へも伝播させら
れる。In FIGS. 1 and 2, GGG (gadolinium
One surface of a substrate 10 made of a translucent material such as gallium garnet, Gd ₃ Ga ₅ O ₁₂ ), SGG (samarium gallium garnet), or NGG (neodymium gallium garnet) has YIG (yttrium, iron, Garnet, Y ₃ Fe
₅ O ₁₂ ), GdIG (gadolinium, iron, garnet, Gd ₃ Fe ₅ O
₁₂ ), Bi _x with some of them replaced with bismuth
Magnetic thin films 11 and 12 having a magneto-optical effect such as Y _3-x Fe ₅ O ₁₂ (Bi: YIG, Bi: GdIG) are formed on the substrate 10 by a thin film forming means well known as liquid phase epitaxy (LPE). It is fixed by growing crystals from one side. The magnetic thin film
Numeral 11 is between the magnetic thin film 12 and the substrate 10 such as GGG, and the refractive index thereof is slightly smaller than that of the magnetic thin film 12. Then, a waveguide-shaped mask pattern obtained by a normal photolithography technique is formed on the magnetic thin film 12, and the film thickness of the magnetic thin film 12 other than the mask pattern portion is formed by, for example, chemical etching with hot phosphoric acid or ion beam etching or sputter etching. The three-dimensional optical waveguide 14 is formed by removing unnecessary portions by applying an etching technique of a type that locally reduces the wavelength. As shown in FIG. 2, the three-dimensional optical waveguide 14
Are formed in a Y-shape by ridges protruding from the magnetic thin film 12 between the end face 16 and the end face 18 which are parallel to each other, and a common waveguide 22 connected to a common port 20, and the common waveguide 22. A first branch waveguide 26 is branched and connected to the first port 24, and a second branch waveguide 30 is branched from the common waveguide 22 and connected to the second port 28. As a result, light traveling from the first port 24 to the common port 20 is exclusively propagated to the common port 20, but light traveling from the common port 20 to the first port 24 is split at the branch point, and only the first port 24 is transmitted. Instead, it is also propagated to the second port 28.

上記第１分岐導波路26上には、アルミニウム、ニッケ
ル、金などの材料から成る金属膜32が良く知られた薄膜
形成手段により固着されている。３次元光導波路14の金
属膜32によって覆われた部分が、TMモードの伝播光を専
ら減衰させることによりTEモードの伝播光のみを通過さ
せるモード選択部34を構成するのである。A metal film 32 made of a material such as aluminum, nickel, or gold is fixed on the first branch waveguide 26 by a well-known thin film forming means. The portion of the three-dimensional optical waveguide 14 covered by the metal film 32 constitutes a mode selector 34 that allows only the propagation light in the TE mode to pass by attenuating the propagation light in the TM mode exclusively.

また、前記共通導波路22には、一方向性モード変換部
36が設けられている。すなわち、磁界形成装置38によ
り、基板10の一面に対して垂直を成し、光の伝播方向と
直角を成す平面内において、磁性薄膜12の磁化方向が上
記基板10の一面からθだけ傾斜するように方向Ｍの外部
磁界が共通導波路22に形成されることによって、一方向
性モード変換部36が形成されているのである。磁界形成
装置38は、永久磁石40とその両端に接続されて先端部に
磁極ＳおよびＮを形成する一対のヨーク42とから成り、
その磁極ＮからＳへ向かう磁界の方向が前記方向Ｍとな
るように配置されているのである。なお、磁極Ｎを形成
するヨーク42は基板10の下側に位置しているので、図に
は表されていない。The common waveguide 22 has a unidirectional mode converter.
36 are provided. That is, the magnetic field forming device 38 causes the magnetization direction of the magnetic thin film 12 to be inclined by θ from the one surface of the substrate 10 in a plane perpendicular to one surface of the substrate 10 and perpendicular to the light propagation direction. By forming an external magnetic field in the common waveguide 22 in the direction M, the unidirectional mode converter 36 is formed. The magnetic field forming device 38 includes a permanent magnet 40 and a pair of yokes 42 connected to both ends of the permanent magnet 40 to form magnetic poles S and N at the distal end thereof.
The magnetic field is arranged so that the direction of the magnetic field from the magnetic pole N to S is the direction M. The yoke 42 forming the magnetic pole N is not shown in the figure because it is located below the substrate 10.

以下、本実施例の作用効果を説明する。 Hereinafter, the operation and effect of the present embodiment will be described.

図示しない半導体レーザ素子から発射されたレーザ光
は、第１ポート24へ入射させられた後、第１分岐導波路
26により導かれる。通常、このように導かれるレーザ光
は、この第１分岐導波路26により導かれる過程において
は、光の伝播方向をｚ軸、磁性薄膜12の厚み方向をｘ
軸、それらｚ軸およびｘ軸と直交する方向をｙ軸とする
と、界成分（H_x,E_y,H_z）を備えたTEモード波と、界成分
（H_x,E_y,H_z）を備えることにより偏向面がTEモード波に
対して垂直なTMモード波との２伝播モードにて伝播す
る。A laser beam emitted from a semiconductor laser device (not shown) is made incident on a first port 24, and then a first branch waveguide.
Guided by 26. Normally, in the process of being guided by the first branch waveguide 26, the laser light guided in this manner has the light propagation direction along the z-axis and the thickness direction of the magnetic thin film 12 along the thickness direction x.
Axis, the direction orthogonal to their z-axis and x-axis and y-axis, the field component (H _x, E _y, H _z) and the TE mode wave having a field component (H _x, E _y, H _z) , The deflecting surface propagates in two propagation modes: a TM mode wave perpendicular to the TE mode wave.

このように、レーザ光は２伝播モードにて第１分岐導
波路26内を反射を繰り返しながら伝播するが、第１分岐
導波路26の一部が直接に金属膜32により覆われたモード
選択部34内において伝播する過程では、TMモード波に対
する減衰定数が極めて大きいためそれが専ら減衰を受け
るので、結局、ｙ方向に電界の振動面を有するTEモード
波のみが通過させられる。上記金属膜32の長さ寸法は、
TMモード波が充分に減衰させられる距離が得られるよう
に決定されているのである。As described above, the laser light propagates while repeating reflection in the first branch waveguide 26 in the two-propagation mode, and the mode selection unit in which a part of the first branch waveguide 26 is directly covered with the metal film 32. In the process of propagating in 34, the attenuation constant for the TM mode wave is extremely large, so that it is exclusively attenuated. Consequently, only the TE mode wave having the vibration surface of the electric field in the y direction is passed. The length dimension of the metal film 32 is
It is determined so that a distance at which the TM mode wave can be sufficiently attenuated is obtained.

モード選択部34を通過したTEモードのレーザ光は共通
導波路22に設けられた一方向性モード変換部36を通過す
るに際してはモード変換を受けない。すなわち、一方向
性モード変換部36では、磁界形成装置38によって、基板
10の一面に対して垂直を成し且つ光の伝播方向と直角を
成す平面内において、上記基板10の一面に垂直な垂直線
からθだけ傾斜した方向Ｍの磁界が共通導波路22に形成
されている。The TE-mode laser light that has passed through the mode selector 34 does not undergo mode conversion when passing through the one-way mode converter 36 provided in the common waveguide 22. That is, in the unidirectional mode converter 36, the magnetic field forming device 38
In a plane perpendicular to one surface of the substrate 10 and perpendicular to the light propagation direction, a magnetic field in a direction M inclined by θ from a vertical line perpendicular to the one surface of the substrate 10 is formed in the common waveguide 22. ing.

ここで、磁性膜の誘電率テンソル は、次式 で示される。Here, the dielectric constant tensor of the magnetic film Is Indicated by

このとき、 ε_lxy＝2f₄₄M²sinθ cosθ ・・・（２） ε_lyz＝jf₁ ^eM sinθ ・・・（３） ε_lzx＝jf₁ ^eM cosθ ・・・（４） 但し、f₁ ^e:一次の磁気光学因子 f₄₄:二次の磁気光学因子 である。At this time, ε _lxy = 2f ₄₄ M ² sin θ cos θ (2) ε _lyz = jf ₁ ^e M sin θ (3) ε _lzx = jf ₁ ^e M cos θ (4) where f ₁ ^e : Primary magneto-optical factor f ₄₄ : Secondary magneto-optical factor

すなわち、ε_lxyによるTEモードのE_yとTMモードのE_x
との結合によるモード変換と、ε_lyzによるTEモードのE
_yとTMモードのE_zとの結合によるモード変換とが同時に
生じる。一般に、ε_lyzによるモード変換はε_lxyの場合
と比べて非常に小さい。ここで、中間層である磁性薄膜
11の屈折率が導波層である磁性薄膜12の屈折率に近い場
合、位相整合点がカット・オフの近くとなるため、E_z成
分が大きくなる。さらに、θを適当に選ぶことにより、
ε_lxyとε_lyzによるモード変換の大きさを等しくするこ
とができる。このε_lxyとε_lyzによるモード変換は、順
方向に対しては打ち消し合い、逆方向に対しては加え合
わさるため、順方向ではモード変換が生じずTEモードの
まま出射され、逆方向ではTEモードが完全にTMモードに
変換されることにより、一方向のモード変換が生じる。
すなわち、モード選択部34を通過したTEモードのレーザ
光は、共通導波路22に設けられた一方向性モード変換部
36を通過するに際しては、モード変換を受けない。そし
て、TEモード波が共通ポート20から出力される。たとえ
ば、上記共通ポート20から外部へ出力された光（TEモー
ド波の偏光）が反射されることにより共通ポート20から
入射させられたとすると、ε_lyzとε_lxyによるモード変
換が加え合わさり、TMモードへ変換される。That, E of the TE mode by epsilon _{lxy y} and TM modes of E _x
And TE conversion by ε _lyz
Mode conversion by combining _y and TM mode E _z occurs simultaneously. In general, the mode conversion by epsilon _Lyz is very small as compared with the case of epsilon _lxy. Here, the magnetic thin film as the intermediate layer
When the refractive index of 11 is close to the refractive index of the magnetic thin film 12, which is a waveguide layer, the phase matching point is close to the cutoff, and the _Ez component increases. Furthermore, by appropriately selecting θ,
The magnitude of the mode conversion by ε _lxy and ε _lyz can be made equal. This mode conversion by ε _lxy and ε _lyz cancels out in the forward direction and adds in the reverse direction, so that mode conversion does not occur in the forward direction and the _light is emitted in the TE mode, and the TE mode in the reverse direction. Is completely converted to the TM mode, thereby causing a one-way mode conversion.
That is, the TE mode laser light that has passed through the mode selection unit 34 is transmitted to the unidirectional mode conversion unit provided in the common waveguide 22.
When passing through 36, no mode conversion is performed. Then, the TE mode wave is output from the common port 20. For example, if the light (polarized light of the TE mode wave) output from the common port 20 to the outside is reflected and made incident from the common port 20, the mode conversion by ε _lyz and ε _lxy is added, and the TM mode Is converted to

このように一方向性モード変換部36においてTMモード
波とされた反射光は、３次元導波路14の分岐点において
分波されることにより第１分岐導波路26および第２分岐
導波路30へ伝播されるが、第１分岐導波路26へ伝播した
反射光モードは選択部34において減衰させられる。この
ため、反射光は専ら第２分岐導波路30を通して第２ポー
ト28へ導かれるのである。The reflected light converted into the TM mode wave in the unidirectional mode conversion unit 36 is branched at the branch point of the three-dimensional waveguide 14 to the first branch waveguide 26 and the second branch waveguide 30. The reflected light mode propagated to the first branch waveguide 26 is attenuated in the selector 34. Therefore, the reflected light is guided exclusively to the second port 28 through the second branch waveguide 30.

上述のように、本実施例の固体光サーキュレータによ
れば、モード選択部34が第１分岐導波路26上を覆う金属
膜32により構成されるとともに、一方向性モード変換部
36が光の伝播方向と直角を成す平面内において、基板10
の一面に垂直な垂直線から所定角度傾斜した方向の磁界
を形成する磁界形成装置38により構成されることから、
モード選択部34および一方向性モード変換部36は基板10
の一面に形成された３次元導波路14の第１分岐導波路26
および共通導波路22上に一体に設けられるので、それら
モード選択部34、一方向性モード変換部36、３次元導波
路14間の相互の光軸調整が不要となるとともに、独立し
た光学素子を組み合わせて構成する従来の場合に比較し
て、固体光サーキュレータが簡単且つ小型に構成される
のである。As described above, according to the solid-state optical circulator of the present embodiment, the mode selector 34 is constituted by the metal film 32 covering the first branch waveguide 26 and the unidirectional mode converter
In the plane perpendicular to the light propagation direction, the substrate 10
From a magnetic field forming device 38 that forms a magnetic field in a direction inclined at a predetermined angle from a vertical line perpendicular to one surface,
The mode selection unit 34 and the unidirectional mode conversion unit 36
The first branch waveguide 26 of the three-dimensional waveguide 14 formed on one surface of
In addition, since they are provided integrally on the common waveguide 22, the mode selector 34, the unidirectional mode converter 36, and the mutual optical axis adjustment between the three-dimensional waveguide 14 become unnecessary, and independent optical elements can be used. The solid-state optical circulator is configured to be simpler and smaller than in the conventional case configured in combination.

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の
実施例において前述の説明と共通する部分には同一の符
号を付して説明を省略する。Next, another embodiment of the present invention will be described. In the following embodiments, the same reference numerals are given to portions common to the above description, and the description will be omitted.

前述の一方向性モード変換部を、第３図に示すよう
に、非相反部と相反部の２つから構成してもよいのであ
る。図において、非相反部44には、図示しない磁界形成
装置によって順方向の光の伝播方向と同じ方向に方向Ma
の磁化が形成されており、相反部46には、図示しない磁
界形成装置によって順方向の光の伝播方向と直角な平面
内において基板10の鉛直線から所定の角度θだけ傾斜し
た方向Mbの磁化が形成されている。これにより、非相反
部44ではファラデー効果に基づくモード変換が発生し、
相反部46ではコットンムートン効果に基づくモード変換
が発生するのである。モード選択部34を通過したTEモー
ド波のレーザ光は、上記非相反部44においてたとえば50
％程度の割合でTEモード波からTMモード波で伝播モード
が変換され、その後相反部46においてTMモード波がTMモ
ード波へたとえば50％程度の割合で伝播モードが変換さ
れ、通過光の電界の振動方向はｙ方向に戻される。この
ような順方向の光の伝播では、非相反部44および相反部
46が互いに反対の方向へモード変換を行うので、それら
のモード変換が互いに打ち消しあって、結局TEモード波
が共通ポート20から出力される。As shown in FIG. 3, the one-way mode converter may be composed of two non-reciprocal parts and reciprocal parts. In the figure, a non-reciprocal portion 44 has a direction Ma in the same direction as the forward light propagation direction by a magnetic field forming device (not shown).
The reciprocal part 46 has a magnetization Mb in a direction Mb inclined by a predetermined angle θ from a vertical line of the substrate 10 in a plane perpendicular to the forward light propagation direction by a magnetic field forming device (not shown). Are formed. As a result, mode conversion based on the Faraday effect occurs in the non-reciprocal portion 44,
At the reciprocal portion 46, mode conversion based on the Cotton Mouton effect occurs. The laser beam of the TE mode wave that has passed through the mode selection unit 34
%, The propagation mode is converted from the TE mode wave by the TM mode wave, and then the TM mode wave is converted into the TM mode wave at the reciprocal portion 46 at a rate of, for example, about 50%. The vibration direction is returned to the y direction. In such forward light propagation, the non-reciprocal part 44 and the reciprocal part
Since the mode conversion is performed in the directions opposite to each other, the mode conversions cancel each other, and the TE mode wave is output from the common port 20 after all.

上記共通ポート20から外部へ出力された光（TEモー
ド）が反射されることにより、共通ポート20から入射さ
せられたとすると、一方向性モード変換部36では、先ず
上記相反部46においてTEモード波からTMモード波へ伝播
モードが変換されるが、前述のように50％程度の割合で
変換されるので、TEモード波成分とTMモード波成分との
合成により電界の振動方向がｙ方向からｚ軸を中心とし
て伝播方向（−ｚ方向）に向かって右まわりに45度旋回
させられた状態となる。すなわち、このときの反射光の
電界の振動面は、順方向の光が非相反部44を通過した状
態と同じ振動面となるのである。このように電界の振動
方向がｙ方向からｚ軸を中心として伝播方向に向かって
右まわりに旋回させられた反射光（TEモード波およびTM
モード波）は、非相反部44においてファラデー効果に基
づくモード変換が行われる結果、反射光の電界の振動面
がｚ軸を中心として伝播方向（−ｚ方向）へ向かってさ
らに右まわりに旋回させられるので、電界の振動面がｘ
−ｚ平面となってTMモード波とされる。Assuming that the light (TE mode) output from the common port 20 to the outside is reflected and made incident from the common port 20, the unidirectional mode converter 36 first outputs the TE mode wave at the reciprocal part 46. Is converted to a TM mode wave, but as described above, the propagation mode is converted at a rate of about 50%, so that the vibration direction of the electric field is changed from the y direction to the z direction by combining the TE mode wave component and the TM mode wave component. The vehicle is turned 45 degrees clockwise around the axis in the propagation direction (-z direction). That is, the vibrating surface of the electric field of the reflected light at this time is the same vibrating surface as the state where the light in the forward direction has passed through the non-reciprocal portion 44. In this way, the reflected light (TE mode wave and TM) in which the oscillation direction of the electric field is turned clockwise from the y direction to the propagation direction around the z axis.
As a result of the mode conversion based on the Faraday effect being performed in the non-reciprocal portion 44, the vibration surface of the electric field of the reflected light is further rotated clockwise around the z axis in the propagation direction (−z direction). The vibration plane of the electric field is x
It becomes a −z plane and is a TM mode wave.

また、第４図（ａ）に示すように、磁気光学効果を有
する材料から成る基板47上に誘電体製あるいは磁気光学
効果を有する光導波路48を形成し、その基板47の一方向
性モード変換部36に対応する位置に、第２図に示す方向
Ｍの磁界、または第３図に示す方向MaおよびMbの磁界を
形成するようにしてもよい。また、第４図（ｂ）のよう
に、GGG等の基板10上にBi:YIG等の磁性薄膜12を形成
し、磁性薄膜12の屈折率よりも僅かに小さい屈折率を有
する誘電膜あるいは磁性膜50を設けてもよい。Further, as shown in FIG. 4 (a), a dielectric or an optical waveguide 48 having a magneto-optical effect is formed on a substrate 47 made of a material having a magneto-optical effect, and the unidirectional mode conversion of the substrate 47 is performed. A magnetic field in the direction M shown in FIG. 2 or a magnetic field in the directions Ma and Mb shown in FIG. 3 may be formed at a position corresponding to the portion 36. Further, as shown in FIG. 4 (b), a magnetic thin film 12 such as Bi: YIG is formed on a substrate 10 such as GGG, and a dielectric film or a magnetic film having a refractive index slightly smaller than the refractive index of the magnetic thin film 12. A film 50 may be provided.

また、３次元光導波路14は、第１図および第２図に示
すように対称形である必要はなく、第５図、第６図、お
よび第７図に示すように、非対称であっても差支えな
い。特に、共通ポート20から第２ポート28へ伝播する光
は、分岐点において分波されたものであるから、第６図
および第７図に示すように、第２分岐導波路30側へ多く
分波される形状が望ましい。また、第８図に示すよう
に、上記３次元導波路14に替えて、３つに分岐された３
次元光導波路51が用いられても差し支えない。Further, the three-dimensional optical waveguide 14 does not need to be symmetrical as shown in FIGS. 1 and 2, and may be asymmetrical as shown in FIGS. 5, 6, and 7. No problem. In particular, since the light propagating from the common port 20 to the second port 28 is split at the branch point, as shown in FIGS. 6 and 7, the light is largely split to the second branch waveguide 30 side. A waved shape is desirable. In addition, as shown in FIG. 8, the three-dimensional waveguide 14 is replaced with three branches instead of the three-dimensional waveguide 14.
The two-dimensional optical waveguide 51 may be used.

第９図は、上記のように構成された固体光サーキュレ
ータの応用例を示している。図において、一対の固体光
サーキュレータ43の共通ポート20は偏波面保存光ファイ
バ52によって相互に連結されており、第１ポート24には
半導体レーザ素子54が、第２ポート28にはフォトダイオ
ードなどの光センサ56がそれぞれ設けられている。この
ようにすれば、双方向光通信モジュールが構成される。FIG. 9 shows an application example of the solid-state optical circulator configured as described above. In the figure, a common port 20 of a pair of solid-state optical circulators 43 is mutually connected by a polarization-maintaining optical fiber 52, a semiconductor laser device 54 is provided in a first port 24, and a photodiode or the like is provided in a second port 28. Optical sensors 56 are provided, respectively. In this way, a two-way optical communication module is configured.

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明した
が、本発明はその他の態様においても適用される。As mentioned above, although one Example of this invention was described based on drawing, this invention is applied also in another aspect.

たとえば、第１図および第２図の磁界形成装置38に替
えて、ヨークに電磁石が設けられた形式のもの、或いは
電流を流すことにより磁界を形成する電流を光導波路の
近傍に配置する形式のものが用いられても良いのであ
る。For example, instead of the magnetic field forming device 38 shown in FIGS. 1 and 2, a type in which an electromagnet is provided in a yoke, or a type in which a current for forming a magnetic field by flowing a current is arranged near an optical waveguide is used. Things may be used.

また、３次元光導波路14上に、SiO₂などの誘電体製の
保護層が積層されても差し支えない。Further, a protective layer made of a dielectric material such as SiO ₂ may be laminated on the three-dimensional optical waveguide 14.

また、３次元光導波路14の上層に、異方性結晶層が設
けられてもよい。Further, an anisotropic crystal layer may be provided on the three-dimensional optical waveguide 14.

また、モード選択部34の金属膜32と磁性薄膜12との間
に、光の伝播効率を良くするためのバッファ層が設けら
れてもよい。Further, a buffer layer for improving light propagation efficiency may be provided between the metal film 32 and the magnetic thin film 12 of the mode selection unit.

また、共通導波路22の一方向性モード変換部36と共通
ポート20との間にも、モード選択部34同様に専らTMモー
ド波を減衰させるモード選択部が設けられてもよい。こ
のようにすれば、共通ポート20にTMモード波が入射させ
られても、好適に減衰させられる。In addition, a mode selector that attenuates the TM mode wave exclusively may be provided between the unidirectional mode converter 36 of the common waveguide 22 and the common port 20, similarly to the mode selector 34. In this way, even if the TM mode wave is made incident on the common port 20, it is appropriately attenuated.

また、前述の実施例において、磁性薄膜12の替わり
に、ファラデー回転ガラスが用いられてもよい。このよ
うにすれば、相互に異なる材料からなる基板を用いるこ
とができる。In the above-described embodiment, a Faraday rotating glass may be used instead of the magnetic thin film 12. In this case, substrates made of different materials can be used.

また、第１図および第２図の一方向性モード変換部36
内の共通導波路22をＬ字型に形成してもよい。このよう
にすれば、光の進行方向に傾斜した一方向の磁界によっ
て効率良く非相反部および相反部を構成できる。この場
合、曲げられた後の部分が相反部に相当する。The unidirectional mode converter 36 shown in FIGS.
May be formed in an L-shape. In this case, the non-reciprocal portion and the reciprocal portion can be efficiently formed by the magnetic field in one direction inclined in the traveling direction of light. In this case, the bent portion corresponds to the reciprocal portion.

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であ
り、本発明はその他の精神を逸脱しない範囲で種々変更
が加えられ得るものである。The above is merely an example of the present invention, and the present invention can be variously modified without departing from other spirits.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図および第２図は、本発明の一実施例の構成を示す
平面図および斜視図である。第３図、第４図（ａ），
（ｂ）は、本発明の他の実施例の要部をそれぞれ示す斜
視図である。第５図、第６図、第７図は、本発明の他の
実施例の３次元光導波路をそれぞれ示す図である。第８
図は本発明の他の実施例の平面図である。第９図は第１
図および第２図に示す実施例の応用例を説明する図であ
る。 10:基板 14,51:3次元光導波路（光導波路） 20:共通ポート 22:共通導波路 24:第１ポート 26:第１分岐導波路 28:第２ポート 30:第２分岐導波路 34:モード選択部 36:一方向性モード変換部FIGS. 1 and 2 are a plan view and a perspective view, respectively, showing the configuration of an embodiment of the present invention. 3 and 4 (a),
(B) is a perspective view which shows the principal part of other Example of this invention, respectively. FIGS. 5, 6, and 7 are views showing a three-dimensional optical waveguide according to another embodiment of the present invention. 8th
The figure is a plan view of another embodiment of the present invention. FIG. 9 shows the first
FIG. 3 is a diagram for explaining an application example of the embodiment shown in FIG. 2 and FIG. 2; 10: substrate 14, 51: three-dimensional optical waveguide (optical waveguide) 20: common port 22: common waveguide 24: first port 26: first branch waveguide 28: second port 30: second branch waveguide 34: Mode selector 36: Unidirectional mode converter

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】第１ポート、第２ポート、および共通ポー
トを有し、該第１ポートに供給された光を該共通ポート
へ専ら伝播させ、該共通ポートに供給された光を該第２
ポートへ専ら伝播させる形式の固体光サーキュレータで
あって、 前記共通ポートに接続された共通導波路と、該共通導波
路から分岐されて前記第１ポートに接続された第１分岐
導波路と、該共通導波路から分岐されて前記第２ポート
に接続された第２分岐導波路とを備えて基板の一面から
結晶成長させられた磁性薄膜内に設けられ、該第１ポー
トから共通ポートへ向かう光は分波しないで該共通ポー
トへ専ら伝播させるが、該共通ポートから該第１ポート
へ向かう光は分波して前記第２ポートへも伝播させる三
次元光導波路と、 前記第１分岐導波路上を覆う金属膜を有し、該第１分岐
導波路内を伝播する光のうち、予め定められた伝播モー
ドの光のみを通過させ他の伝播モードの光を該金属膜に
よる減衰作用に基づいてその通過を阻止するモード選択
部と、 前記共通導波路における光の伝播方向と直角を成す平面
内において、前記基板の一面に垂直な垂直線から所定角
度傾斜した方向の磁界を形成する磁界形成装置を有し、
前記モード選択部を通過した光の通過に際してはその伝
播モードを変換しないが、前記共通ポートから前記第１
ポートおよび第２ポートへ向かう光の伝播モードを前記
モード選択部によって通過が阻止される伝播モードに変
換する一方向性モード変換部と、 を含むことを特徴とする固体光サーキュレータ。A first port, a second port, and a common port, wherein the light supplied to the first port is exclusively transmitted to the common port, and the light supplied to the common port is transmitted to the second port.
A solid-state optical circulator of a type that propagates exclusively to a port, comprising: a common waveguide connected to the common port; a first branch waveguide branched from the common waveguide and connected to the first port; A second branch waveguide branched from the common waveguide and connected to the second port, provided in a magnetic thin film crystal-grown from one surface of the substrate, and light traveling from the first port to the common port. A three-dimensional optical waveguide that propagates exclusively to the common port without demultiplexing, but demultiplexes light traveling from the common port to the first port to the second port; A metal film that covers the road, and of the light propagating in the first branch waveguide, passes only light of a predetermined propagation mode and passes light of another propagation mode based on the attenuation effect of the metal film. Block the passage And over mode selection section, in a plane forming a propagation direction at right angles with the light of the common waveguide has a magnetic field forming device for forming a direction of the magnetic field inclined at a predetermined angle from the vertical perpendicular line to the one surface of the substrate,
When the light passing through the mode selection unit passes, the propagation mode is not converted, but the first port is transmitted from the common port.
A solid-state optical circulator, comprising: a unidirectional mode converter that converts a propagation mode of light toward the port and the second port into a propagation mode that is blocked by the mode selector.