JPS62502712A - 反相反性偏光回転子を備えた光学システム - Google Patents
反相反性偏光回転子を備えた光学システムInfo
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- JPS62502712A JPS62502712A JP61503566A JP50356686A JPS62502712A JP S62502712 A JPS62502712 A JP S62502712A JP 61503566 A JP61503566 A JP 61503566A JP 50356686 A JP50356686 A JP 50356686A JP S62502712 A JPS62502712 A JP S62502712A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
反相現性偏光回転子を備えた光学システム】・又里p分団
本発明は一般に光学システム、例えば光フアイバ通信システムや光学的大容量記
憶装置に関し、特に反相現性偏光回転子を備えた光学システムに関する。
2・五五阿互塁
情報通信や情報記憶のための光学システムは公知のものであり、現在では商業的
に重要な位置にある。例えば、第1図に概略図示したように、光通信システムは
通常半導体レーザを備えており、この半導体レーザは光信号、例えば情報搬送光
信号を光ファイバに送り、この光ファイバは上記光信号を光検出器に送出してい
る。
第2図に概略図示したように、光学的大容量記憶装置は情報を記憶するように処
理され得るか、或いは処理されている光ディスクを通常備えている。この情報は
異なる光学的性質、例えば異なる光反射宰領域として上記ディスク上に符号化(
処理を通して)される。次に、このディスクは読取られる。即ち、ディスクに記
憶された情報は光源、例えば半導体レーザをディスクに照射することにより(通
常はビームスプリフタを通して)検出される。次に、ディスクからの反射光が光
検出器に入射される(即ち、ビームスプリフタにより反射される。)。1方、デ
ィスクを透過した光が他の光検出器に送られる。
多くの光学システムには、直線偏光の偏光方向をその伝搬方向とは関係なく、同
じ方向に回転させる装置が含まれている0例えば、光学システムに用いられる半
導体レーザにより放射された光の周波数とパワー強度スペクトルは反射光がレー
ザに入射すると変化する。このような変化は、検出情報に誤りを与えるので望ま
しくはない。従って、光アイソレータと呼ばれる、反射光から半導体レーザを隔
離する装置を開発する試みがなされている。第3図には、直線偏光の回転に基づ
く光アイソレータが、偏・検光子の間に配置したばらの(bulk) [性ガー
ネット材料、例えばばらの単結晶インドリウム・鉄・ガーネット(Y3Fes(
1+z、 YIGと呼ぶ、)材料により例示されている。この光アイソレータは
、単結晶YIGが赤外波長領域では(約0.8μm〜約6μm)はぼ透明(入射
光の少なくとも50%が透過する。)なので、約1.3μmの波長で動作する光
フアイバ通信システムに用いることが提案されている。
このアイソレータを動作させる場合は、磁石によりYIGを磁化して用いる(光
の伝搬方向に)。レーザがら放射され、偏光子を通った直線偏光はyrc材料に
入射する。(磁化された)材料内の正味の磁気能率の作用により、この直線偏光
は回復屈折(circularbirefringence)を受ける。(ばら
材料、例えば、clらの単結晶YIGにおいては、直線偏光は右および左回りの
円偏光成分からなる。
回復屈折とは、これ等の2成分が異なる屈折率を見た結果として、材料内を伝搬
する上記成分の1方が他方より速くなることを意味する。)その結果、光は直線
偏光のままであるが、その偏光方向は、光が材料を伝搬するにつれて時計方向或
いは反時計方向(第3図に示したように)のいずれかに連続的に回転されること
になる。〔この現象は、一般にファラデー効果、または磁気光学旋光と呼ばれ、
例えばマグロ−ヒル科学技術大事典、第5版、第5巻(マグロ−ヒル社、 19
82年)第314頁(the McGraw HillEncyclopedi
a on 5cience and Technology、5 Lh edi
tion+ Vol。
5 (McGraw Hill、 19B2)、 P、 314)に説明されて
いる。〕材料の寸法を適切に定めると、光は例えば45″回転(旋光)され、従
って適切な方向の検光子により透過されることになる。検光子を通った反射光も
YrG材料に入射し、初めに材料を通った光と同じ方向に45″′回転される。
従って、YIG材料を通った後の反射光は偏光子の光透過方向に対して90″を
なすようになり、これによりレーザへの入射が阻止さ“れることになる。(磁化
された材料が前方および後方に伝搬する直線偏光を同じ方向に45° (或いは
45″′の奇数倍)回転させる現象は反相及性(anti−reciproca
l) N気光学旋光と呼ばれる。このような材料を含む装置は反相反性装置と呼
ばれる。)
直線偏光の回転に基づく第2のタイプの装置としてサーキュレータ(circu
lator)がある。このような装置を、例えば光通信システムに用いると、半
導体レーザからの光信号を光ファイバの1端部に効率的に結合し、更に同じファ
イバ端部から出た逆伝搬光信号の検出が可能になる。第4図には、このような光
サーキュレータの1例(光を光フアイバ端部に有効に結合させたり、それから取
出すのに適した構成を持つ)が例示しである。このサーキュレータは、上記のア
イソレータと同様に、ばら状態の単結晶YIGを存し、更に偏光を検出する反射
装置を有している。このサーキュレータを動作させる場合は、YIGを光の伝搬
方向に磁化させる磁石が用いられる。光フアイバ端部がら出射した直線偏光、例
えば水平に(第4で見て)直線偏光した光が磁化されたYIGに入射される。(
この光ファイバは、例えば、偏光保持ファイバである。
1方、適切な方向の偏光子が非偏光保持ファイバとYIGO間に配置される。)
YIGの大きさを適当に選ぶと、光は、例えば45″(第4図のファイバから
見て時計回りに)回転され、偏光検出反射装置により検出器に送られる。レーザ
がら放出された直線偏光で、例えば−45″の方向を持っ(ファイバから出射し
たこの直線偏光に対して)光が偏光検出反射装置により磁化されたYIGに反射
される。YIGを伝搬した後のこの光は45’(第4図のファイバから見て時計
方向に)回転されており、従って水平方向に直線偏光してファイバに入射するこ
とになる。
ばら材料に基づく反相展性光回転装置、例えば、単結晶YIGアイソレータおよ
びサーキュレータは有用であるが、粗大であり(通常の寸法が3m*X 3wm
X 3mm) 、大きな磁場を(通常は約1000エールステツド(Oe)以上
)印加する必要があり、更に高価であり(通常は約1000ドル)、従って商品
としては不適当である。1方、薄膜(厚さが入射光波長の約10倍以下)導波路
形反相反性装置、例えば平面状に磁化された光アイソレータ或いはサーキュレー
タの方が商業的にははるかに魅力のある装置である。例えば、薄膜装置を用いる
と、導波光学系の使用が可能になり(従って、第1図および2図では省略した集
光レンズを必要としない)、印加磁場の大きさは比較的小さくて済み(約100
08より小さい)、更に比較的安価になる。その上、この薄膜装置は光学システ
ムに用いられる集積形光学装置(種々の機能を持ち、同一基板上に形成された2
つ以上の構成成分を有する光学装置。)の構成単位としても使用可能である。
薄膜及相反性装置は魅力があるように見えるが、薄膜導波路は、直線複屈折を受
ける。(薄膜の場合、直線偏光は2つの直交する直線偏光成分からなるものとし
て表わすことができる。)これ等の成分の1つにおいては、光の電場(電磁波)
は薄膜表面に平行に向けられ、TM酸成分称される。他の成分では、電場は薄膜
表面に垂直に向けられ、TE酸成分称される。上記線形複屈折とは、上記2つの
成分が異なる屈折率に出合い、結果としてこれ等の成分の1方が他方より速い速
度で薄膜を伝搬することを意味する。
薄膜導波路における線形複屈折に関しては、例えば、ピー・ケー・ティアン、「
応用光学」第10巻、第2395頁、 1971年(P、K。
Tien、 App、 Opt、、 Vol、10. P、2395(1971
))を参照されたい。このようにして、磁化された薄膜を伝搬量る時楕円複屈折
、即ち直線偏光成分と円偏光成分を共に含む複屈折を受けることになる。従って
、初めに直線偏光した光は振動的に回転することになる。(1つの振動を完了し
た場合に光が伝搬した距離は複屈折周期P、と呼ばれる。)この振動を第5図に
示すが、そこでは入射光は、例えば角度ゼロ(y軸に対して)で磁化薄膜に入射
している。薄膜を伝Hする光は初めは比較的小さな角度、例えば3゜時計回りに
回転される。更に伝搬すると反対方向に一3″回転し、なお伝搬して距Klpに
到ると初めの状態に復帰する(即ち、y軸に平行になる。)。この振動回転の間
に、光の偏光も直線偏光から楕円偏光へ、そして更に直線偏光に連続的に変化す
る。振動の振幅は一定であり、また殆んどの材料に対して小さく、例えば、3″
或いは4eなので正味の回転は殆んどないか、または全くないことになる。既に
説明したように、反相展性装置は直線複屈折性材料で通常得られるもの以上の回
転をなさなければならず、また出射する時の光はほぼ直線的に偏光されて、光ア
イソレークの検光子の所での、例えば、光パワーの損失を回避できなければなら
ない、このようにして、直線複屈折装置は、補償がなければ、それ等の都合の良
い使用を排除する作用を存するものである。光学スイツチ或いは光変調器として
都合良く用いられる磁化された薄膜光学装置で、直線複屈折作用を補償するもの
が報告されている。(ビー・ケー・ティアン等の、「磁気光学導波ガーネットフ
ィルムにおける光のスイッチングと変調」応用物理論集、第21巻、第8号、
1972年10月15日、第394〜396頁(”Swi LchingAnd
Modulation or Light in Magnets−Opti
c Waveguide GarnetFilms”、Applied Phy
sics Letters、Vol、21 、No、 8 、 0ctober
15 、1972) 、および(Blank et al )ブランク等の米国
特許3.764,195.1973年10月9日付、を参照されたい、)第6図
に示したように、この装置はガーネット基板上にエピタキシャル成長された磁性
ガーネット基板上およびこのガーネット薄膜の上面に形成された蛇紋石マイクロ
回路とを備えている。このマイクロ回路は、これを通して流れる電流の方向が複
屈折周期の半分毎に反転されるように形成される。このようにして、薄膜中の磁
化方向(光の伝搬方向に沿った)が複屈折周期の半分毎に反転され、これにより
直線複屈折材料で通常得られたちの以上の回転が可能になるが、偏光の楕円性は
除去されない。
直線複屈折を受け、サーキュレータ或いはアイソレータとして用いられる装置も
報告されている。(アール・エイチ・ストールン(RoH,5tolen)等の
、「高複屈折性を存する光ファイバにおけるファラディ回転」 「応用光学J、
第第1拳月15日.第842 〜845頁( ” Faraday Rotat
ion in )lighlyBirefringent 0ptical F
ibers+” Applied 0ptics+ Vol. 1 9 、 N
o。
6 、 March 15. 1980)−およびE.H. Turner等の
、「ファイバのファラディサーキュレータまたはアイソレータ」 「光学論集j
第68、第7号, 1981年7月第322〜323頁(Fjber Fara
dayCirculator or l5olator,” 0ptics L
etters. Vol. 6. No. 7。
July 1981)、を参照)この装置は直線複屈折光ファイバと、一連のフ
ァイバ領域を磁化する(光の伝搬方向に)複数の隔置された磁石とを備えている
。各磁石の極性は先行する磁石とは逆であり、1方位石の間隔はファイバの複屈
折周期の半分である。これ等の隔置された磁石の個数、従ってこれに対応して隔
置された磁化ファイバ領域の数は経験的に選択され(特定のファイバに関係して
)、従って最後の磁化ファイバ領域を出射した光は楕円偏光になり、更にファイ
バの2つの複屈折軸に沿った光の強度は等しくなる。
動作に際しては、最後の磁化ファイバ領域から延在するファイバの比較的長い(
約6複屈折周期)、非磁化、加熱部分を通して光を伝搬させることにより楕円偏
光が直線偏光に変化される。加熱の量は経験的に決定される。1方、上記の光は
外部補償板を通るようにされ、この補償板も楕円偏光を直線偏光に変換するもの
である。この補償板の設定(直線偏光を得るのに必要な)も経験的に行われる。
以上により、直線複屈折材料で通常得られるもの以上の回転、偏光の楕円性の除
去、従って反相展性装置としての使用が可能になる。しかしながら、光学システ
ムの開発に従事する研究者等は、未だ成功はしてないが、楕円偏光を都合よく
(経験的というよりも)直線偏光に変換する直線複屈折光アイソレータ/サーキ
ュレータ装置を検討しているのが現状である。
光皿亘見!
本発明は、直線複屈折の、はぼ反相反的な装置、例えば、光フイソレータ或いは
サーキュレータを備えた光学システムを提供する。この装置は入射光が受けた振
動の振幅を(整流されているか、或いはされていないかのいずれか)増加させて
、有限の距離内でほぼ45″に等し”い正味の回転(直線複屈折材料で通常得ら
れるもの以上の)を与えるものである.更に、この装置は熱或いはその他の経験
的な手段によらずに楕円偏光を直線偏光に変換するものである.更に、この変換
はこの装置内に組込まれた装置の構成成分により実現される。
本発明の光学システムに用いられる上記装置は、材料領域毎に変化する楕円複屈
折の直線成分或いは円成分のいずれかの符号および/または大きさと共に光伝搬
方向に楕円複屈折を(動作時に)示す一連の材料領域を有している。(例えば、
薄膜の場合、直線成分の符号および/または大きさの変化は、磁化がない場合は
、TEおよびTM酸成分速度差の符号および/または大きさの変化を意味する。
円成分の符号および/または大きさの変化は、直線複屈折がない場合は、ファラ
デイ回転(旋光)の方向および/または大きさの変化を意味する。)装置の各領
域(1つを除いて)はこの領域の複屈折周期の2にほぼ等しい長さく光の伝搬方
向の)を有する。但し、従来のかかる装置とは対照的に、初めの、或いは最後の
材料領域が複屈折周期のAにほぼ等しい長さを持つ場合はほぼ反相反的な(an
tireciprocal)動作が得られるに過ぎない。
最後の領域の長さが×周期の場合は、第1の2周期領域に入射した直線偏光の偏
光方向が装置の直線複屈折軸の1つにほぼ平行な場合にのみ、はぼ反相反的な動
作が達成される。第1領域の長さがZ周期の時は、この領域に入射した光の偏光
方向が装置の直線複屈折軸の1つに対してほぼ45″をなすように偏光された場
合にのみ、はぼ反相反的な動作が得られる。
皿血(2)呈単ム脱里
以下、本発明を添付図面を参照して説明する。
第1図および2図は、それぞれ、従来の光フアイバ通信システムの概略図、およ
び従来の光学的大容量記憶装置の概略図であり、第3図は、従来のばら単結晶磁
性ガーネット光アイソレータを備えた光学システムの概略図であり、
第4図は、従来のばら単結晶磁性ガーネット光サーキュレータを備えた光学シス
テムの概略図であり、第5図は、磁化された直線複屈折媒体中を伝搬する光の振
動的な回転の様子を示したものであり、
第6図は、光スイッチ或いは変調器として有用な薄Wi磁性ガーネット材料を用
いた公知の装置を示すものであり、第7〜9図は本発明による光学システムの3
つの実施例の概略図であり、
第10〜13図は本発明による光学システムに用いられた光アイソレータの4つ
の実施例を示したものであり、第14図は本発明による光学システムに用いられ
た光サーキュレータの1実施例を示したものであり、第15図は、本発明による
光学システムで用いられる反相反装置の1実施例を用いて得られる、光の伝搬距
離の関数としての、偏光方向の回転度(旋光度)を示したものであり、第16図
は、不要の導波モードを低減させる公知の2層装置を示したものであり、更に、
第17〜21図は本発明による反相反装置の実施例を示したものである。
詳1巳I
【肌
本発明は光学システム、例えば、光ファイバ通信システム或いは光学的大記憶容
量装置を含むものである。この光学システムは、検出情報に誤りがないようにし
、そして/またばばらの、すなわちバルクの光アイソレータ或いはバルクの光サ
ーキュレータを用いずに光を光フアイバ端部に有効に結合させるものである。
第7〜9図に示したように、本発明による光学システム1oは、反相反装置、例
えば光アイソレータ或いは光サーキュレータであり、且つ直vA複屈折材料を用
いるシステム成分3oにより構成される。上記成分30が、例えば、光アイソレ
ータの場合は、システム10は更に第7〜8図に示した諸構成成分により一般に
構成される。即ち、このシステムは、半導体レーザなどの光源2oと、この光源
20から放射され、光アイソレータ3oを通る光が入射するシステム成分50と
、光検出器80とを備えている。このシステム成分50は、第7図に示したよう
に、例えば光ファイバ60を備えている。1方、第8図に示したように、上記シ
ステム成分50はビームスプリンタ65と光ディスク70とを備えている。
例えば、上記システム要素30が光サーキュレータの場合は、第9図に示したよ
うに、システム10は一般に光tA20と光検出器25、および光ファイバ50
とを備えている。この光源20から出た光はサーキュレータ30を介してファイ
バ50の1方の端部に結合される。上記サーキュレータ30はまた、ファイバ端
部から出射した光を検出器25に結合させるためにも用いられる。
−tCには、他の光検出器および/または光源(サーキュレータ30の有無に係
らず)が上記ファイバの反対側に配置される。
(本実施例では、上記光ファイバ50は例えば偏光性保持ファイバであると考え
る。そうでない時は、上記システムは更にファイバ50と光サーキュレータの間
に偏光子を備えるものとする。)上記システム成分30が光アイソレータの場合
は(第10〜13図の4実施例を参照、)、アイソレークは偏光子32と検光子
48の間に材料40を有する。これ等の偏光子32および検光子48には例えば
偏光光ファイバが用いられる。偏光子があると都合が悪い時は、これは金属(回
路)、例えばアルミニウムや金、チタンなどの領域により直ちに置換えることが
でき、その場合この領域は材料40 (光が通る)の一部の上で光源20の隣り
に配置される。このような金属領域は、光源20から放射された光(前方に伝搬
)の偏光方向に交差する偏光方向を持つ反射光を吸収する。この金属領域の厚み
は約0.01μm〜約10μmの間にあると好ましい、約0.01μm以下の厚
みは、得られた薄膜の吸光度が低下するので望ましくない。約10μm以上の厚
みは、得られた′fR膜が薄いものより大きな吸光度を与えることがなく、また
製造時間が長くなるので、排除はしないとしても、余り望ましいものではない。
検光子48および材料40は、動作時には、偏光子にほぼ垂直に反射光の偏光方
向(後方伝搬)を調節するために用いられ、従って光源20への光透過は排除さ
れる。光源20がこのような垂直方向に整合された光の影響を殆んど受けない時
は、偏光子32(或いは金属領域)は不要になる。
システム成分30が光サーキュレータの時は、このサーキュレータは材料40を
有する(第13図に示した実施例を参照)。更に、このサーキュレータは、偏光
の異なる2木の光ビームを異なる光路、例えば、偏光惑知反射器或いはルチル板
(単数の、或いは複数の)などの公知の光学装置に振り向ける手段9oを備えて
いる。
反相反装置、例えば、アイソレータ或いはサーキュレータに用いられる材料40
は前方および後方伝搬光が通過する一連の材料領域44を有している。これ等の
領域の各々は光透過性であり(入射光の少なくとも50%が透過する。)、これ
等の領域の少なくとも若干のものは磁性体である(即ぢ、磁化可能である。)。
これ等の材料領域の厚みも組成も同じである必要はないが、一般に製造が容易だ
と厚みや組成も一様にし易い。更に、材料領域44は連続する薄膜として(入射
光波長の約10倍以下の厚みを持つ)製造されると好ましいが、厚膜も有用であ
り、排除されるものではない、このような薄膜および厚膜は直線複屈折を受け、
従って上記磁性領域は、磁化されると(光の伝搬方向に)楕円複屈折を示す、薄
膜として形成された場合の材料領域44は約0.1μmから約100μmの範囲
の厚みを持つことが好ましい。約0.1μm以下の厚みの薄膜は、先導波路とし
ては比較的貧弱であり好ましくない。厚みが約100μm以上だと、このような
厚膜を通る光は望ましくない程広がってしまい(厚み方向に)、従ってこの光を
他の光学成分に直接結合させ難くなり、やはり望ましくない。
このような直線複屈折の作用を都合良く克服するには、即ち、入射直線偏光を4
56にほぼ等しい角度を(或いは45″の奇数倍)通して回転させ、楕円偏光を
都合良く直線偏光に変換するには、反相反装置30は2つの条件を満足しなけれ
ばならない。先ず、(磁化された)領域44が示す楕円複屈折の、直線成分の符
号および/または大きさ、或いは同成分の符号および/または大きさは領域毎に
変化するべきである。第2に、初めの、或いは最後の領域を除く上記材料領域の
各々は、この領域の複屈折周期(P)の2にほぼ等しい光伝搬方向の長さを持つ
べきである。
(各領域に対する複屈折周期は、光がその領域を伝搬してその偏光方向の1つの
完全な振動(osci I Iation)を完了する距離として与えられる。
)1方、最初の領域、或いは最後の領域は、これ等のいずれかの領域の×複屈折
周期にほぼ等しい長さを持つべきである。このような初めの領域或いは最後の領
域が無い場合は、出射光は(入射光に対して)45°向きを変えられることはな
く、また一般に楕円偏光されなくなることをここに強調してお(。
(領域44の各々における複屈折周期Pは、この周期が一連のバラータ、例えば
、その領域の組成やその領域の磁化の程度、および入射光の波長に依存するので
、必らずしも同じではない、従って、各領域の複屈折周期は一般にその領域が動
作する特定条件に対して測定されることになる。これに対する有用な測定法が、
例えば、ケー・アンド−(K、 Ando)等のrLPE−成長型二重基層鉄ガ
ーネッI−膜における成長誘導型光学複屈折」 r応用物理J第22巻、第】0
号、 1983年10月、第L6t8〜L620 (”GrowthInduc
ed 0pttcal Birefringence in L P E−Gr
oiin B1−Ba5edIron Garnet Films、” Jap
anese J、Appl、Phys、、Vol、 2 2. No。
10 、0ctober 1983)に記載されている。
第10〜14図には上記の2つの条件を考慮した光アイソレータ/サーキュレー
タ30の実施例が示しである。例えば、第10図に示した実施例においては、楕
円複屈折の円成分の符号は領域毎に変化し、即ち磁化の方向(単−頭の矢印によ
り示した)が領域毎に変化する。(長さP/2の非磁化領域、或いは磁化が光の
伝搬方向に垂直に向けられ、磁化領域の間に介在された長さP/2の領域は排除
されない。このような領域の存在は単に回転方向に影響するだけである。即ち、
成る場合にはこのような領域は、例えば+45″の回転を−456の回転に変え
るだけである。)第11図の実施例においては、w4域毎に変化するのは円成分
の大きさである(第11図の第2.第4.および第6領域は、磁化が光の伝搬方
向に平行に揃えられるのでゼロでない円成分を持つが、第1.第3.第5.およ
び第7領域は、磁化が光の伝搬方向に垂直に揃えられるのでゼロの円成分を有す
る。)1方、楕円複屈折の直線成分の符号は第12図に示した実施例では交互に
変化するくこれは以Fに詳述する。)。第13図に示した実施例の場合は、領域
毎に変化するのは直線成分の大きさである。直線成分の大きさを変える1つの方
法は厚さの異なる1つおきの材料領域を形成することで与えられる。)1方、ま
た第13図に示したように、全ての領域は初めは一様な厚さで製造され、次に屈
折率が下の領域44のものより小さな屈折率の材料領域46が従来の選択的な付
着(depos i t 1on)および/またはエツチング法により1つおき
の領域44にわたって形成される。)
一般に、456にほぼ等しい(或いは45″の奇数倍)回転を得るのに必要なほ
ぼP/2に等しい長さの領域の個数は経験的に決められる(例えば、領域数が異
なる対照サンプルに得られる、直線複屈折材料で通常達成されるもの以上の回転
を測定することによって)。本発明の目的を達成するためには、回転角は、もし
光n2oからの光の強度が偏光子20を透過した反射光強度の少なくとも10倍
以上の場合は、456或いはその奇数倍にほぼ等しくなければならない。更に、
また本発明の目的を達成するためには、上記材料領域は、もし領域の個数が例え
ば45°の回転を発生するように選択され、また光源20からの光の強度がこの
場合も偏光子32を透過した反射光強度の少なくとも10倍以上の場合は、P/
2およびP/4にほぼ等しい長さを持たなければならない。
材料領域44の組成と厚みが基本的には同じで、偏光の回転が磁化方向の反転に
より得られる時は、45″の回転を実現するのに必要なP/2の長さを存する領
域の個数Nは、関係式により十分近似できることが見出されている。ここでFは
材料領域内での比ファラディ回転(単位長さ当りの回転度数)の(一様な)大き
さを示すものである。1方、Δβは上記領域内での直線複屈折の(一様な)大き
さを示している(即ち、但し、nTMとnetはそれぞれ、TM波が見た実効屈
折率およびTE波が見た実効屈折率であり、更にλは真空中の光の波長を示して
いる。)
式fi+を満たさない(特定の光の波長Aに対して)材料領域の数(N)を用い
ることが望ましい時は、この数はなお使用可能であり、また式(1)はなお、F
および/またはΔβを変えることにより満足され得る(特定の光の波長λに対し
て)ものである。例えば、Fは光の伝搬方向の磁化成分を変えることにより直ち
に変えることができる。このような変更は、例えば、磁化方向を揃えるために用
いられる磁場を、磁化が光の伝搬方向に平行にならないように(従って光の伝搬
方向の磁化成分を減らすように)、回転させることにより直ちに実現することが
できる。1方、Δβは、材料領域44の厚みを(一様に)変化させることにより
、或いは領域44の上に、および/または下にある、この領域44のものより小
さな屈折率の、1つ以上の材料層を形成することにより直ちに変えることができ
る。この材料には、例えば、二酸化珪素や窒化珪素やガドリニウム・ガリウム・
ガーネットが考えられる。
45@の回転を得るのに必要な領域数が決定されたら(経験的に、或いは例えば
式(1)を用いることにより、45″の所望の倍数に等しい回転は領域の(元の
)数の倍数を用いることにより直ちに得られる。但し、それぞれの連続する領域
の組の順序は前回の紐の逆であるべきである。−14Jえば、3つのP/2tJ
I域とP/4領域(例えば、磁化反転を存する)が45″の回転を与える時は、
付加的なP/4f+I域(2つのp/4Gi域の間に磁化反転がない場合)およ
びこれに続ぐ付加的な3つのP/26i域(磁化反転を示す)は90°の回転を
与える。更に、P/46N域を伴った3つのP/2領域を付加すると135°の
回転が得られる。
2つの条件のいずれか1つが満たされた場合は、本発明の装置によりほぼ反相及
的な動作が直ちに得られる(これが45@の回転を与えるか、45@の奇数倍の
回転を与えるかに関わらず)ことが見出されている。第1の条件は、P/48N
域が最後の材料領域の時は、入射光は本装置の直線複屈折の2軸の1つにほぼ平
行する第1の材料領域に入射するべきであるということで与えられる。
(直線複屈折軸は、磁化がない場合に経験的に直ちに決定できる装置の2方向を
示す。)例えば、直線偏光が任意の方向の装置の非磁化対照サンプルに入射した
場合、直線複屈折軸は偏光の変化を与えない方向の軸である。)第2の条件は、
P/4領域が第1材料領域の時は、入射光は直線複屈折軸のいずれかに対してほ
ぼ45″に等しい角度で(即ち、+45”或いは一45″′)上記領域に入射す
べきである。(本発明の目的のためには、入射光は複屈折軸の1つにほぼ平行す
るか、複屈折軸の1つに対して45@にほぼ等しい角度になるように方向づけら
れ、従ってもし2つの条件が満足される場合はほぼ反相反的動作が実現される。
先ず、材料領域の個数と長さを選択して45°或いは45°の奇数倍の回転を与
えるべきである。次に、光源20からの光の強度は偏光子32を透過した反射光
の強度より少なくとも10倍以上でなければならない。)
本発明の装置には多くの(磁性)材料を用いることができ、その実用性は部分的
には入射光に対する透過度に従って与えられる。
例えば、YIGは赤外光(波長領域が約0.8μmから約6μmの間の光)をほ
ぼ透過させる有用な材料である。8酸鉄(FeBOs)も有用であり、波長領域
が約0.5μmから約3μmの光にほぼ透明である。更に、カドミウム・マンガ
ン・テルル化物も有用であり、波長領域が約0.6μmから約5μmの光にほぼ
透明である。その他の有用な材料が、例えば、ダブリュ・ジエイ・タボ゛−ル(
W、 J。
Tabor )による「磁気光学材料J (”Magneto−Optic M
aterjals”)の章〔エフ・ティー・アレフチおよびイー・オー・シュル
ッーデュボア編集の「レーザーハンドブックJ北オランダ出版アムステルダム、
1972年(Laser l1andbook、 edited by F、
T、 Arecchi andE、O,5chultz−DuBois+ No
rth tlolland Publishing Company。
Amsterdam、 1972))にリストしである。
(符号が)変化する直線或いは同棲屈折を与える材料領域を形成する多くの方法
が可能である。例えば、磁性材料の硼酸鉄(FeBOa)は同棲屈折(磁化され
た時)と結晶性の(直線状の)複屈折を共に与える。(FeBOzの2つの結晶
軸は第12図では土および互と示しである。)このようにして、反対向きの結晶
部位を互いに隣接するように積重ねることにより (第12図に示したように)
、交互(符号)直線複屈折領域を持つ磁性材料が得られる。
(この方法に関しては、引用によりここに取込まれる、1971年11月2日付
のクルツィッヒ(Kurtzig)等の米国特許第3、.617,942号を参
照されたい6)交互(符号)同棲屈折を有した材料領域を形成する方法は反対向
きの磁場を隣接する磁性領域に印加することからなる。これは、例えば、磁性材
料の表面に蛇紋石のマイクロ回路を形成し、これに電流を流すこ°とにより実現
される(ここで引用により与える1973年10月9日付ブランク(Blank
)等に対する米国特許第3.764,195号に記載されたように。)。
例えば薄膜磁性ガーネット導波路、例えば薄膜YIG導波路に直ちに適用出来、
交互円複屈折を持つ材料領域を形成する他の方法が有り、これはサブラチス磁化
の変化を与えるものである。例えば、YIG (Y3FegO+z)の構造は、
各分子の5個の鉄原子のうちの3つが四面体格子サイトに配置され、残る2つの
原子が八面体サイトに配置されるように与えられる。更に、四面体サイトの3っ
の磁気能率(四面体鉄原子に関係する)は互いに平行であるが、八面体サイトの
2つの磁気能率に対しては反平行である。従って、外部磁場が有ると、(主要な
)四面体能率が印加磁場に平行になり、1方式面体能率が磁場に反平行になる。
重要なことには、ファラディ回転(旋光)の方向を主として決定するのは八面体
能率の方向である。
YTGの交互(符号)回復屈折領域は、例えば、選択した材料領域における四面
体能率の大きさを、これ等の領域における八面体能率が主要になる点まで減らす
ことにより形成される。従って、磁場が存る場合は、選択された領域における(
現在主要な)八面体能率が印加磁場に平行に揃えられるが、非選択領域(ここで
は四面体能率がなお支配的である)の八面体能率は磁場に反平行になり、従って
選択領域および非選択領域に逆符号のファラデ4回転が与えられる。
選択されたYIG材料領域の四面体能率の減少は、非磁性イオン、例えばガリウ
ム或いはアルミニウム或いはゲルマニウムイオンで四面体サイトに配置された鉄
原子を置き換える(少なくとも部分的に)ことにより直ちに実現できる。このよ
うな置換は、例えば、YIG材料を八面体および四面体格子サイトの非磁性イオ
ンで先ず形成し、即ち成長させ、次に非磁性イオン(以下に説明するように)を
選択領域の八面体格子サイlから四面体格子サイトに移動させることにより実現
される。
上記の格子サイト間の非磁性イオンの移動は、ここで引用する1974年10月
29日付はル・クロー(Le Craw)等の米国特許第3.845,477号
に記載された手順により直ちに実現される。
ここでは、非磁性イオンをドープした薄膜YIGを、例えば、ガドリニウム・ガ
リウム・ガーネット(GGG)の基板45 (第7図参照)に従来の方法により
エピタキシャル成長させる。ドープしたYIG3膜は「補償点」に近接した組成
(正味の磁気能率がゼロの組成)を有すべきであるが、正味の四面体能率がなお
正味の八面体能率より支配的になるようなものでなければならない。このように
して、非磁性イオンが例えばガリウムの時はその組成は好ましくは、1.05≦
X≦1,45としてY3GaXFes−xo+ zとして与えられる。約1.0
5以下の王の値は、得られた四面体能率が以下に説明する処理の後でも支配的な
ままである、即ち八面体能率が優勢な所はないために望ましくはない。約1.4
5以上の王値も、得られた八面体能率が支配的であり、従って四面体能率が優勢
になる所はないため望ましくない。
選択された材料領域の四面体配置鉄原子を例えばガリウムイオンで選択的に置換
することは、厚みが約1000人から約5000人の範囲のSi領域を、選択し
た材料領域の各々にわたって先ず形成することにより実現される。このS i
ii域は、従来の選択的付着手順によるか、或いはYIGFii膜の全上部面を
被うSi層を形成し、次に従来のエツチング法により選択した5iJiJ部分を
除去することにより形成される。次に、このYIGの薄膜が、例えば温度範囲が
約400℃から約800℃の窒素雰囲気内で約2時間から約24時間にわたって
アニールされる。約400℃以下および約A時間以下のアニール時間は、ガリウ
ムイオンの転送を殆んど或いは全く与えないので、望ましくない、約800℃以
上のアニール温度および約24時間以上のアニール時間は、Siで被膜されない
ものを含む全ての領域が同様量のガリウムイオン転送を受けるので望ましくない
。室温に冷却した後(所望の時間期間にわたって)Siによりカバーされない領
域は基本的には変化しないが、シリコンで被膜された領域は八面体から四面体の
格子サイトへのガリウムイオンの転送を受けることになる。
薄膜YIG内に交互(符号が)同棲屈折を有する材料領域を形成する新しい方法
があり、これは非磁性イオンを十分にドープして一様な八面体支配領域を形成す
る薄膜を用いるものである。この方法では、次に、非磁性イオンを選択された材
料領域の四面体から八面体格子サイトに移動させることにより、これ等の領域が
四面体で支配されるようになる。従って、また磁場が存在する場合は、選択され
た材料領域の八面体能率(モーメント)はそれ等自体磁場に反平行に揃えられ、
1方非選択領域の八面体能率(モーメント)はそれ等自体磁場に平行に揃えられ
る。
この方法で用いられるYIG膜は、既に注目したように、「補償点」に近接して
いるが、八面体支配をもたらす組成を有している。
ガリウムが非磁性イオンの場合は、上記薄膜の組成は、1.1≦2≦1.5とし
てY3GagFes−zo+ tで与えられる。約1.1以下の土の値は、得ら
れた薄膜が優勢な四面体(優勢な八面体よりむしろ)能率を持つので、望ましく
ない、1方、約1.5以上の1値は、以下に与える処理の後も、得られた八面体
能率が依然として支配的なので、望ましくない。
選択された材料領域における四面体サイトから八面体サイトへのガリウムイオン
の転送は、これ等の選択された材料領域を少なくとも1マイクロ秒に等しい時間
幅にわたって少なくとも1200℃の温度に加熱し、次にこれ等の領域を約10
秒以下、好ましくは約Q、 L sec以下の時間幅にわたって室温に冷却する
ことにより実現される。約1200℃以下の加熱温度、および約1マイクロ秒以
下の加熱時間は、その結果として望ましくない程少数のガリウムイオンが四面体
サイトから八面体サイ1−に転送されるので望ましくない、1方、約10秒以上
の冷却時間は、望ましくない程多くのガリウムイオンが初めは四面体サイトから
八面体サイトに移動され、次に四面体サイトに戻され、サブラチス(subla
ltice)を支配的なままに残すので、望ましくない。上記の加熱および冷却
手順は、1ノ−ザ、例えば連続波(CW)アルゴンイオンl/−ザで選択的に走
査することにより選択された材料領域で直ちに実現される。
サブラチスC1:i化を改変する上記の方法は、YIG膜(非磁性イオンでドー
プされた)が薄膜の上面に平行な(従って光の伝搬方向に揃えられた)磁化容易
軸を有するものと仮定している。しかしながら、ヒ素成長薄膜は通常、成長誘起
異方性および磁気歪の、例えば圧縮性の異方性を示す。前者は膜面に垂直な磁化
容易軸をもたらすが、後者は膜面に平行する磁化容易軸を与える。これ等の成長
誘起異方性が非常に大きく、従って磁化容易軸が膜表面に垂直な時は、これ等の
異方性は排除されなければならない。殆んどの場合、これは従来のアニール法(
例えば、エイ・ジェイ・クルツィンヒおよびエフ・ビー・ヘイグドーン(A、
J、 KurtzigとF、 B、 Hagedorn)等の、「バルク状、薄
膜状ガーネットにおける非立方体磁石の異方性J rlεEE)ランス磁性学」
第7巻、 1971年。
第473頁(” Noncubic Magnetic Anisotropi
es in Bulk and丁hin Film Garnets、” IE
EE Trans、Magnetism、Vol、MAG7. P。
473)を参照されたい。)により直ちに実現できる。
公知のように、ビスマスによるYIG膜のドーピングは(Yを置換する。)ファ
ラディ回転(旋光)度をかなり増加させるが、成長誘起異方性も増強する。更に
、これ等の増強された成長誘起異方性は、必要な温度が非常に高く (約130
0℃より高い)、従ってYIG膜がかなり損傷或いは破壊されるので、材料から
アニールにより除くことはできないと長く考えられている。(例えば、ピー・ハ
ンセン(P、 Hansen)等の、「ビスマス置換ガドリニュウム鉄ガーネ−
/ ト膜の磁性的、磁気光学的性質」 「物理研究BJ第第2啓
Optical Properties of Bismutn −5ubst
ituted Gadolinium IronGarnet Films”+
Physical Review B, Vol. 2 7 、 No. 7
+ Aprill、1983)第4375−4383頁を参照されたい。)。
ビスマスドープYIG膜の成長誘起異方性は、アニール前に膜をCaで(Yを置
換する)ドープすることにより膜を傷つけずに膜から直ちにアニールで除けるこ
とが見出されている。好ましくは、ビスマスおよびカルシウムドープ膜の組成は
Y3−B−bBi@CaJes−eXco+zで与えられる。ここに、0.2≦
a≦2.0、0、001≦b≦0,1、であり、Xは、例えば非磁性イオン、例
えばガリウムを示し、更に上は単位の配合物当りのXの量を示すものである。更
に、アニール温度は約900℃から約1300℃の間が好ましく、アニール時間
は約×時間から約24時間の間が好ましい。約0.2以下の土の値は、得られた
ファラデイ回転(旋光)が増加よりむしろ減少されるので、望ましくない。約2
.0以上の土の値は、光学的品質が高い薄膜の成長が困難なので望ましくない。
約0.001”以下の上の値は、必要なアニール温度が望ましくなく高いので、
好ましくない。約0.1以上の互の値は、得られた膜が、例えば、赤外光に対し
て望ましくない程透過率が低いので、好ましくない。約900℃以下のアニール
温度、および約2時間以下のアニール時間は、得られた膜の成長誘起異方性が望
ましくない程大きいので、好ましくない。約1300℃以上のアニール温度およ
び約24時間以上のアニール時間は、得られた膜が分解され易いので、望ましく
ない。
例えばYIG内に、光の伝搬方向に平行且つ垂直に揃えられた磁化を存する材料
領域を形成する方法も多くのものが報告されている。このような方法の1つが、
例えば、イー・エム・ギョージイ(E. M. Gyorgy)等により、rL
PE気泡ガーネット膜における重り異方性の位置制御」 r応用′物理論集J第
25巻.第3号。
1974年,第167〜168頁( ” Local Control of
tlniaxialAnisotropy In L P E Bubble
Garnet Fi[ms”+ Applied PhysicsLetter
s+νo1. 2 5. No. 3, (1974))に記載されている。
通常、光導波装置、例えば、薄膜或いは光ファイバ、反相及偏光回転子(APR
3 )は唯1つの、或いは幾つかの選択された導波モードを回転させるように設
計される。(電磁波を光線として近似した場合、ここに示した導波モードは、例
えばAPRの薄膜或いは光フアイバコア内を全内部反射する光線である。このよ
うな全内部反射は、下側の、或いは周囲の媒体、例えば薄膜を支承する基板或い
は光フアイバコアを囲繞するタラノデイングなどより屈折率の大きな薄膜或いは
光フアイバコアにより実現される。)従って、このようなAPR,の性能は、望
ましくない導波モード(即ち、APR3により正しくは回転されない導波モード
)の個数が減少するにつれ次第に増強されると考えられている。これは、APR
lの動作に重要なのは導波モードだけという仮定に基づくものである。
導波モードの個数を減らした導波APRsを形成しようとする従来の研究(他の
人による)は、導波モードの個数が2つのパラメータのいずれかを減らすことに
より低減され得るという認識に基づくものであった。即ち、導波APRの厚みが
一定にしである場合、APRと、その下の、或いは周囲の媒体との間の屈折率差
を減らすと、臨界角(光線が全内部反射される、APRと、その下の、或いはそ
の周囲の媒体との間の界面から測定された、最大角)が低減され、従って導波モ
ードの可能な個数が低減される。1方、Δnが一定の場合、
例えば、APRの厚みを減らすと、薄膜或いはAPR光ファイバコアの直径は隣
接モードの光線間の角度間隔を増加させ、これは再び導波モードの個数を低減さ
セる。
例えば、GGG基板上に形成されたYtGの膜の場合には、YIGとGGGの間
の比較的大きな屈折率差( YIGの屈折率はGGGのそれより約lO%高い。
)によりYIGllKにより導波されるモード数が多くなる。従って、単一モー
ド動作を実現するには、YIG膜の厚みは約1μm以下に低減されるべきである
。このような非常に薄いYIG膜は例えば従来の液相エピタキシ(LPE)法を
用いて直ちに形成されるが、このような薄膜は、例えば光源を、例えば半導体レ
ーザをこのような膜に整合させ、従って光をこのような膜に結合させることが難
しいので不都合になることが多い。しかも、これ等の超薄膜は望ましくない程多
量の直線複屈折をAPRに導入することが多い。
超薄膜を用いずに隼−モード動作を実現するには、装置は予め製造されており(
他で)、シかもGGG基板上に形成された(第16図に示したように)YIG(
m成が改質された)の2Nを有している。(ニー・シブカワ(A. Shibu
kawa)等のr応用光学j第20号,第2444頁, 1981年(Appl
ied 0ptics, 2 0, page2 4 4 4 (1981)
)を参照のこと。)底部YIG層は、上部YIG層のものよりわずかに小さい(
組成がわずかに異なるため)がGGG暴板のものよりは高い(第16図に示した
屈折率分布を参照のこと。)屈折率を有する。上部YIG層の厚みは数ミクロン
である。
上部および下部YTGliの間の屈折率差は上部(或いは下部) YIG層とG
GGの間のものよりはるかに小さいので、単−モード導波は上部YIG層で実現
される。
導波APR内の導波モードの個数を(APRを設計したモードに)滅らしても、
多くの場合にAPRの性能を改善する程それ自身十分ではないことが(本発明者
等により)見出されている。例えば、導波用APRが光アイソレータの1成分(
第10図を参照)の時は、導波された偏光回転(旋光)モード(或いは複数モー
ド)は光アイソレータの検光子により、例えば、光ファイバに伝達される。
この透過光のいずれかが光ファイバにより検光子を通してAPRに向けて反射さ
れたとすると、この光は導波API?、例えばYTG層と、(低屈折率の)第2
YTG層或いはGGG基板などの下の材料層との間の界面に臨界角以上の角度
で照ることが多いと思われる。従って、この反射光はAPRにより導波もされず
、正しく回転されることもない。しかしながら、多くの場合に反射光はAPRと
その下の基板材料とを有する導波路により導波されると思われる。この、基板お
よびAPRにより導波される後方伝搬光は基板を出射して、光アイソレータによ
りしゃへいされた光源に照ることが多く、従って光アイソレータの有効性が低減
される。
更に、例えば、光アイソレータやサーキュレータに用いられる導波APR,の有
効性は、もし2つの条件が満足されたなら、かなり増加することが見出されてい
る。先ず、APRsにより導波されたモードの個数は、APR,により正しく回
転されるものに(実際と同程度に)低減されるべきである。第2に、また同じよ
うに重要なことであるが、APRの下にある基板材料、例えば、導波薄膜を支承
する基板、或いは光ファイバの導波コアを囲繞するクラツディングは、API?
の長さにわたって少なくとも因子10だけ基板およびAPRにより導波された光
の電磁エネルギーを低減させる材料を含むべきである。
第1の条件は、例えば、厚みが比較的小さい(望ましくない導波モードの本数を
凍らずように選択された厚み) APRを形成することにより満足される。(こ
の適切な厚みは種々の厚みの対照サンプルを用いることにより経験的に決定され
る。)1方、APRとその下の或いはそれを囲繞する媒体の屈折率差は低減され
る。これは、例えば、屈折率が領域10のものよりは小さいが下の基板130の
ものよりは大きい材料の領域(或いは複数の領域)110にわたってAPR,例
えば、導波領域100 (第1図参照〕を形成することにより実現される。所望
数のモードを導波するのに必要な領域100と110(これ等は共に、第17図
に示したように一様な屈折率を有するものと仮定される。)の間の屈折率差Δn
は、例えば、経験的に決定される(屈折率の異なる対照サンプルを用いて)。1
方、最高−モード(m=0.1,2.・・・)なる要件により十分良く近似され
る。但し、n、。。とn、。はそれぞれ領域100と110の屈折率を示し、土
は導波領域100の厚みであり、更にλ。は導波光の波長(真空中)を示してい
る6(上記の式に関しては、アール・シイ−・ハンスバーガー(R,G。
Hunsperger)による「集積光学、その理論と技術Jスジリンガ出版。
ベルリン、 1982年、第37頁(Integrated 0ptics:
Theoryand Technology (Springer−Berla
g、 Berlin、 1982)+ page37)を参照されたい、)
第2の条件は、例えば、導波APRの下の材料、例えば、基板材料或いは領域1
10などの下にある領域(第17図参照)がAPRに限定されないモードを吸収
すれば満足される。この吸収材料、例えば、固有に吸収性の基板材料或いは基板
材料に付加された吸収性ドーパントはAPRの材料のものより少なくとも10倍
は大きい吸収係数1(1は当該波長)を持つべきである。更に、この吸収材料は
(光源を再放射光から保護するために)当該波長で非発光性(無輻射)でなけれ
ばならない。好ましくは、導波モードの強度が望ましくない程大きく減少するの
を避けるために、吸収材料はAPRから十分隔置され、それにより導波モードの
電磁エネルギーがAPRの長さにわたって約50%だけ低減されるようにしなけ
ればならない。(導波モードの消えやすい場、即ち、導波光に関係する電場の指
数減衰部はかなりの量のエネルギーを含み、APRの範囲以上に延在して存在す
ることが多い。)この場合、適当な間隔は一般に経験的に決定される。(光を吸
収するより散乱する材料は、散乱光が、例えば、しやへいされるべき光源に照た
る可能性があるため、あまり望ましくない。)第17図に示したAPRlooが
、例えば、YTGのビスマス(Bi)ドープ層内に形成され(上記のように)、
基板130がGGGO時は、第1の条件は、領域110が領域100のものより
小さい屈折率(但しGGG基板130のものよりは大きい。)のBiドープYI
G層の場合に満足される。これは、例えば、領域110内のBiの量を減らすこ
とにより実現される。このような減少は成長温度を上げることにより、或いは領
域100に対して用いられたものと同じ溶融体を形成する領域110のLPF成
長時に回転速度を減らすことにより直ちに達成される。1方、領域110は異な
るt8融体から成長され、構成要素に含まれるBiの濃度は低減される。
第2の条件を実現するためには、プラセオジム(Pr)或いはゲルマニウム或い
はコバルト或いはニッケル(これ等は吸収スペクトルが異なる。)などの吸収性
ドーパントがBiドープYIG層110に(初3tIIWJ融体を介して)取込
まれる。(例えば、Prの吸収スペクトルは1.48μmおよび1.54μ「n
の波長に吸収ピークを示すが、1.51μmでは比較的低い吸収を示す。)例え
ば、もしPrが吸収ドーパントとして用いられた場合、PrO量は式の単位当り
約0.05から約2原子の間にある。約0.05以下の量は、望ましくない程吸
収が低いため、好ましくない。約2以上の量は、得られた層が、不可能ではない
としてもGGG基板上に良好なエピタキシャル成長を実現するのが困難となるよ
うな大きな格子定数を持つので、望ましくない、(より大きな格子定数を持つ基
板を用いた時は、PrO量は式の単位当り最高約3原子になることができる。)
上部YIGSi域100の厚みは約1μmから約100μmの間にあるのが好ま
しい。約1μm以下の厚みは、排除されるものではないが、このような薄MWに
光を結合させるのが難しい場合が多く、また薄膜の直線複屈折が望ましくない程
大きい場合が多いので、余り好ましくない。約100μm以上の厚みは、排除は
されないが、このような厚膜を伝搬する光が厚み方向に望ましくない程大きく拡
散し、光を他の光学成分に直結するのが難しくなるので、望ましくない。更に、
このような厚膜はエピタキシャル法で成長させるのが困難である。
下部YIGvJ域110の厚みは約0.01.crmから約100μmの間にあ
る。約0.01μm以下の厚みは、このような薄膜が2つのYIGGi域により
導波された光を望ましくない程少量吸収するので、好ましくない。約100μm
以上の厚みは、このような厚膜のエピタキシャル法による成長が困難なため、望
ましくない。
第18図に示した本発明の好ましい実施例によると、APRlooにより導波さ
れたモードに関係する消えやすい場の吸収は、APRI Q Oと基板130の
間に2つの材料領域115と120を形成することにより、回避できるか、かな
り低減できる。ここで、吸収材料を含むのは領域120であるが、領域115は
(これは強い吸収材1は何等含まない。)APRにより導波されたモードに関係
する消えやすい場の、領域120による吸収を回避できるよう十分厚く形成され
る。第18図に示したように、APRl、00内で光導波路を得るため(全内部
反射)、領域115はAPRlooより小さな屈折率を存している。但し、領域
115と120の間の界面における全内部反射を避けるため、従って望ましくな
いモードを避けるため、領域120の屈折率は領域115のものに等しいか、そ
れより大きく構成される。
領域100.115.および120が、例−ば、BiドープYIGの場合は、屈
折率の必要な変化は上記のようにB4C量を変えることにより実現される。更に
、Prなどの吸収性ドーパントが領域120に(初期溶融体を介して)取込まれ
る。Prの景の範囲は上記の理由から上記のように与えられる。
領域100の厚みは上記の理由から上記の範囲にわたって延在する。
領域115の厚みは約0.1μmから約100μmの間にある。
約0,1μm以下の厚みは、このような薄膜が領域100により導波されたモー
ドに関係する消えやすい場の望ましくない程わずかな部分を含むので、望ましく
ない、約100μm以上の厚みは、このような厚膜がエピタキシャル法による成
長が囚難なため、望ましくない。
領域120の厚みは上記の理由から領域110に対し”ζ上記の範囲にわたって
延在する。
第19図に示した好ましい実施例の1変形例においては、APR領域100は領
域115と120に機能的に類似して2つの材料領域125と135を上部に有
している。材料領域125は、強い吸収性材料は含まないが、APR領域100
のものよりは低く、但し周囲大気のものよりは高い屈折率を有している。従って
、APR領域の直線複屈折が低減される。領域135は強い吸収材料を含み、領
域125と135の境界における全内部反射を避けるため領域125のものに等
しいか、それより高い屈折率を有している。
第17〜19図に示したものを含む上記本発明の実施例の全ては異なる材料領域
を含み、各領域は基本的に一狸な組成を持ち、その厚みに沿って基本的に一定の
屈折率を持ち、更に、異なる領域の間の界面には屈折率の不連続(と仮定される
もの)が存在する。但し、本発明は、光導波がグレーデッド屈折率、即ち滑らか
に変化する屈折率を持つ装置を用いて直ちに実現されるので、上記のような不連
続を有した装置に必らずしも限定されるものではない。例えば、第20図は本発
明の実施例を示したもので、この実施例はグレーデッド屈折率分布を持ち、第1
7図に示した2つの領域100と110に機能的に等価な単一材料領域】40を
有している。1本以上の選択されたモードの光導波は、領域140の屈折率分布
の(第20図参照)局所的な光導波最大150(以下で説明する)を利用して実
現される。局所的な光導波最大により導波されないモードの吸収は、例えば、こ
の光導波最大の下の領域140の少なくとも1部に吸収性ドーパントを取込むこ
とにより実現される。
第21図には本発明の更に他の実施例が示しであるが、これはグレーデッド屈折
率分布を持ち、第18図に示した3つの領域110.11.5.および120に
機能的に等価な単一材料領域を有するものである。1本以上の選択したモードの
導波は領域160の屈折率分布の局所的な導波最大170(第21図を参照)を
用いて実現される。局所的な最小175により第1の局所導波最大170から分
離された第2の局所導波最大180は望ましくないモードを防止するように動作
する。上記の局所導波最大170により導波されないモードの吸収は、例えば、
局所的最小175の下にあり、局所的最大部180を横切って延在する領域16
0の少なくとも1部に吸収性ドーパントを取込むことにより実現される。
以上説明したように、屈折率分布の局所的光導波最大の存在は1本以上のモード
の導波には不可欠である。本発明の目的に対して、局所的光導波最大の概念はグ
レーデッド屈折率分布に限定されるものでなく、不連続分布を含む任意の分布に
適用可能である。
即ち、および本発明の目的を実現するために、屈折率分布は、2つの要件が満足
されるという条件の下で、局所薄波最大を有する。
先ず、屈折率分布のフーリエ解析を実施した後、0.05λ。(真空中の導波さ
れるべき光の波長)より小さな波長成分を除いたフーリエ成分の和により規定さ
れる曲線は局所的な最大値を持つべきである。第2に、この局所的な最大値は(
上記曲線上の点)そのいずれかの側へ少なくとも0.02λ。にある2点の高さ
より少なくとも0.001%大きな高さく振幅)を持つべきである。
co、oot%より小さな高さも可能であるが、このような小さな高さは、これ
等が望ましくない程小さな光導波を与えるので、即ぢ、導波モードの消えやすい
場が導波領域から望ましくない程離れて延在するので、−Sには望ましくない。
)例えば、もし上記のフーリエ解析が第17図および18図に示した不連続分布
に対して行われた場合、対応するフ・−リエ成分(0,05λ。より小さな波長
の成分を除く)の和により規定された曲線は、それぞれ、第20図および21図
に示した屈折率分布に非常に類似したものになる。これ等の曲線の局所的な最大
値は、もし元の分布の屈折率の不連続的な変化の大きさが対応する、より小さな
屈折率の0.001%より大きな場合は、局所的な光導波最大値になる。
桝−土
磁性膜’/3−3−bBi@CaJe5−cGacO+zを従来の液相エピタキ
シ法によりガドリニウム・ガリウム・ガーネット(GGG)基板の(III)面
上に成長させた。但し、土は約0.5、互は約0.03、工は約1.3で、膜の
厚さは2.8μmである。成長温度は約900℃であった。
この膜は膜面に垂直な磁化容易軸を与える成長誘起異方性を有するものであった
。更にこの膜は、成長誘起異方性がない場合は膜面に平行な磁化容易軸を与え、
(Yを置換する)BiとCaの存在下で誘起される圧縮異方性も有していた。(
Biはまた膜内でのファラデー回転度を増加させる。)
この膜を支承したGGG基板を磁石のポールピースの間に配置し、20000e
の飽和磁場により膜を磁化した(膜面に垂直に揃えられた正味の能率を形成する
ために)。次に、光をモノクロメータに通して波長が1.5μmの光を発生させ
、これを膜面に垂直に入射させた。ニー・パオレソティ編集の「磁性ガーネット
の物理J北オランダ1978年(Physics of Magnetic G
arnets、 edtted byA、 Paoletti (North
Ho1land、 1978))のジェイ・エフ・ディロン・ジュニア(J、
F、 Dillon、 Jr、)による章に記載の従来の方法により、1.5μ
m光の受けたファラデー回転度(旋光度)を測定したら140度/c−であり、
回転の符号は磁化の八面体サブラチス支配に対応するものであった。
この膜の成長誘起異方性は、初めに約1000℃の窒素雰囲気中で約17時間膜
をアニールすることにより除去された(膜面に平行する磁化容易軸を与える。)
。次に、この膜を約17時間かけて室温(約23℃)に徐々に冷却した。
膜面に平行に揃えた小さな棒磁石(これは約1ooseの飽和磁場を発生した。
)により上記アニールした膜を磁化した(正味の能率は膜面に平行である。)。
ニューヨーク州のバーレイ・インストルメンツ・カンパニ・オブ・フイシャズ(
BurleighInstruments Company of Fishe
rs+ New York)から購入した1((1:T2′6’ カラーセンタ
レーザ(1,4,c+m 〜1.6μmで同調自在)からの直線偏光赤外光(波
長は1.45μm)をルチルプリズムにュージャージイ州、コードウェル研究用
光学機器会社0ptics for Re5earch Corporatio
n of Caldwell、 1leh Jersey)から購入)を通して
膜に結合させた。(膜に結合できる若干のモードはここで用いた7M6モードで
あった。)膜を仏殿する場合の光の受ける回転度(旋光度)は、透過光強度の最
小値が得られるまで(膜の入力端に隣接して置かれた)偏光子に対して(膜の出
力端に隣接して置かれた)検光子を回転させて測定した。この手順を、結合プリ
ズムを膜の長さに沿って位置を変えながら、繰返した。得られた偏光の回転(旋
光度)を、光の伝搬距離の関数として、第15(a)図にプロットした。このプ
ロット(これは、約+4″から約−4″まで振動した回転を示した)から、膜の
複屈折周期を1.84 mmと決定した。
焦点距離が20(2)のレンズにより光出力を集束させたCW(連続波)アルゴ
ンイオンレーザを用い膜のレーザアニール領域に照射した(従ってまた反転サブ
ラチス磁化領域を形成した。)。アニールはレーザパワーを0.85ワツトに(
膜を損傷させるしきい値の約10%下)セソ!・シ、レーザに対して膜を2cm
/secで、20μm間隔のレイク(rater)パターンをなして移動させて
行った。0.92 mm4ft+の(複屈折周期の半分)幾つかのバンドをアニ
ールし、このアニールしたバンドをやはり0.92 l1幅の非アニールバンド
により分離した。膜の研磨したエツジに隣接する0、 46 ays幅(複屈折
周期のA)のハンドはアニールしないで残した。得られたレーザアニール領域は
非アニール領域に比べて暗く見えた。
この暗くなったレーザアニール領域を漂白させるため、350℃のN2(85体
積%)とI’+2(15%)の雰囲気中で約1時間加熱した。
カラーセンタレーザからの直線偏光をルチルプリズムを通して再び漂白レーザア
ニール膜に結合させた。膜の研磨エツジからのプリズムの距離(光が仏殿した距
離)の関数としての得られた光の回転(旋光)を第15(ト))図にプロットし
である。図から明らかなように、回転は距離と共にjiltlに増加した。(即
ち、光の受けた振動の振幅は距離に従って増加した。)更に、また5%複屈折周
期および×複屈折周期伝搬(全距離5.06m1)した後、光は+ 456回転
し、直線偏光になった。
この光の回転の反相成性を験証するため、+45”偏光した光(そして逆方向に
伝搬する)を膜の研磨エツジに結合させた。この光は膜の×複屈折周期および5
シ≦複屈折周期長w4域を伝搬した後+90°の方向を持つことが見出された。
班−1
3つの鉄・ガーネット膜を従来の液相エピタキシ法によりGGG基板の(III
)方向面上に成長させた。上部の磁気光学活性膜を950℃の温度で成長させ、
Yt、 sRi、o、 5Fes、 bGa+、 ac+zの公称組成を有して
いた。この組成は、上記のレーザアニール法により磁化方向に周期的反転を与え
得るように選択した。小量のCa (単位式当り約0.2原子以下)もまた上部
膜に取込んで光吸収を低くし、更に高温炉アニールにより成長誘起−軸磁気異方
性を除去し易くする酸素空格子点を与えるようにした。
中間のガーネット膜を上部膜に用いたものと同じ溶融体から成長させたが、成長
温度は15℃高くした。従って、この膜は上部膜よりゆっくりと成長させ、より
少ないBiを膜に取込み(弐の単位当り約0.1少ないRi) 、従って屈折率
は上部膜よりわずかに低かった。
底部ガーネット膜の公称組成は
Y+、 Jto、 5Pr6.2LLlo、 5Fe3.6Ga 1.40+
2であった。このPrはGGG基板に格子を合わせるために付加したものである
。
3種の膜の屈折率は(上部から下部へ)2.17.2.16.および2.1El
(波長1.5μmで)と評価された。これ等の評価は3種の対応する単一膜の屈
折率の測定値に基づいて行われ、これ等の測定は従来のプリズム結合法を用いて
行われた。
上記3種のガーネット膜(GGG基板上の)の厚みは従来の干渉法(45@入射
角の可視光を用いた。)により測定した。これ等の厚みは(上部から下部へ)3
,5μm、4.4μm、オヨヒ5.9pmであった。
3種の膜構造の導波モードは赤外光をこの構造のエツジから8鶴の距離でルチル
プリズムを通してこの構造に結合させることにより検討した。このエツジからの
光は赤外検出TVカメラにュージャージイのナソトリイ電気物理器材会社(El
ectrophysicsCorporation of Nutey、 Ne
w Jersey )からのモデルNo、7290)により)食出した。1.4
μmから1.6μmにわたって同調可能なKCl: tl (01カラーセンタ
レーザ(バーレイ・インストルメンツ・カンパニー・オブ・フィッシャ、ニュー
ヨークから購入)を赤外光源として用いた。レーザ光の入射角は約3aから約2
5゜まで(45°−45”−90°プリズムの斜辺面に垂直な方向から測定して
)変化させ、3種の膜の構造中に各種TEモードを入射させた。光の波長も下部
Pr含有膜が十分透明な波長1.51μmから1.48μmへ、更に、下部膜が
十分吸収性になる波長の1.54μmへ変化させた。
1.51μmでは17本のTEモードを3種の膜の構造に入射させ、それから出
射するのを検出した。1.48μmおよび1.51μmでは、TE、モードの強
度だけが基本的には影響を受けなかった。上記構造から出射したその他の16本
のTEモードの各々の強度は少な(とも因子]00だけ減少した。
FIG、 1
芙つ1イハ゛
FIG、 6
FIG、 7
FIG、9
FIG、 14
FIG、 10
FIG、 II
FIG、 12
FIG、 13
FIG、 15
FIG、16
FIG、17
FIG、旧
FIG、 19
FIG、20
FIG、 21
国際調査報告
ANNEX To −n’E INTERNATIONAL 5EARCHRE
POR,T ON−+−−+−+−−中一――+−―嚇−−―・−+++一時軸
−−働一嗜一―神−−−−−−−INTERNATIONAL APPLICA
TION No、 PCT/US 8610O8aS (SA 13692)−
陶一・−m−−++・−一−−暢−+−―――−−―――++ +御・伽++・
−―+―−・+拳 ・・++一時曽一拳−+−
Claims (14)
- 1.光学システムにして、 電磁放射源と、 該放射源と光通信ができ、該放射源により放射された電磁放射の少なくとも1部 を送出或いは反射する前記光学システムの成分と、更に、 前記光源および前記成分と光通信が可能な、ほぼ反相反的な偏光回転子とから構 成された光学システムであって、該光学システムは更に前記偏光回転子を備えた 装置から構成され、該装置は更に前記偏光回転子内に位置づけられた第1局所光 導波最大値を持つ屈折率分布を有する材料を含み、更に該装置は、この装置は通 るが、前記システムの動作中に前記回転子により導波されることのない電磁放射 の少なくとも1部の電磁エネルギーを低減させる手段を備えることを特徴とする 光学システム。
- 2.前記屈折率分布は、前記装置内にあるが前記回転子外にある第2局所導波最 大値を有する請求の範囲第1項に記載の光学システム。
- 3.前記手段は電磁放射を吸収できる材料を有する請求の範囲第1項に記載の光 学システム。
- 4.前記装置は第1および第2材料領域を有し、前記第1局所導波最大値は前記 第1領域内に位置づけられ、且つ前記第2領域は前記吸収材料を含む請求の範囲 第3項に記載の光学システム。
- 5.前記手段は電磁放射を吸収できる材料を有する請求の範囲第2項に記載の光 学システム。
- 6.前記装置は第1,第2,および第3材料領域を有し、前記第1局所導波最大 値は前記第1領域内に位置づけられ、前記第2局所導波最大値は前記第3領域内 に位置づけられ、更に前記第3領域は前記吸収材料を含む請求の範囲第5項に記 載の光学システム。
- 7.前記材料はイットリウム,鉄,および酸素を含む請求の範囲第1項に記載の 光学システム。
- 8.前記材料は更にビスマスを含む請求の範囲第7項に記載の光学システム。
- 9.前記装置は光アイソレータを有する請求の範囲第1項に記載の光学システム 。
- 10.前記装置は光サーキュレータを有する請求の範囲第1項に記載の光学シス テム。
- 11.前記成分により伝達され、或いは反射された電磁放射の少なくとも1部を 検出する光検出器から更に構成された請求の範囲第1項に記載の光学システム。
- 12.前記放射源は半導体レーザを含む請求の範囲第1項に記載の光学システム 。
- 13.前記成分は光ファイバを含む請求の範囲第1項に記載の光学システム。
- 14.前記成分は光ディスクを含む請求の範囲第1項に記載の光学システム。
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