特許 7677360 光非相反デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-05-07

(45)【発行日】2025-05-15

(54)【発明の名称】光非相反デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/28 20060101AFI20250508BHJP

   G02B 6/12 20060101ALI20250508BHJP

   G02B 6/126 20060101ALI20250508BHJP

【ＦＩ】

G02B27/28 A

G02B6/12 367

G02B6/126

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023015631

(22)【出願日】2023-02-03

(65)【公開番号】P2023172869

(43)【公開日】2023-12-06

【審査請求日】2024-05-27

(31)【優先権主張番号】P 2022084877

(32)【優先日】2022-05-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井上 大介

(72)【発明者】

【氏名】市川 正

【審査官】植田 裕美子

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－２４０００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０１６７２９８７（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１６９８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０２１８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１９６８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１５６５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５４９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１３４８４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／２８

Ｇ０２Ｂ ６／１２，６／１２６

Ｇ０２Ｆ １／０１，１／０９５

Ｇ０２Ｆ １／２１－１／２２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの２×２型のカプラと、２つの前記カプラの間を接続する２つの導波路と、前記導波路に挿入された光非相反移相器と、を有し、前記光非相反移相器は、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられた導波路コアと、磁気光学材料層と、を有したマッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスであって、
前記光非相反移相器の前記導波路コアの側面の少なくとも一方に、前記導波路コアの線路方向に周期的な凹凸が設けられ、
２つの前記カプラと前記光非相反移相器との間のそれぞれの前記導波路にモード変換器が設けられ、前記光非相反移相器への光入力側の前記モード変換器が光を低次モードから高次モードへ変換し、前記光非相反移相器からの光出力側の前記モード変換器が光を高次モードから低次モードへ変換する、
ことを特徴とする光非相反デバイス。

【請求項2】

前記モード変換器は、
前記導波路の幅が拡大される幅広導波路と、
前記幅広導波路の前記光非相反移相器とは反対側に設けられ、幅が前記幅広導波路へ向けて拡大されると共に、最大幅が前記幅広導波路の幅に比し小さくされるテーパ導波路と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の光非相反デバイス。

【請求項3】

２つの２×２型のカプラと、２つの前記カプラの間を接続する２つの導波路と、前記導波路に挿入された光非相反移相器と、を有し、前記光非相反移相器は、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられた導波路コアと、磁気光学材料層と、を有したマッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスであって、
前記光非相反移相器の前記導波路コアの側面の少なくとも一方に、前記導波路コアの線路方向に周期的な凹凸が設けられ、
前記光非相反デバイスは、ＴＥモードで動作させるものであり、
前記磁気光学材料層は、前記下部クラッド層上であって、前記導波路コアの側面の一方に隣接した領域に、その側面に接して設けられていて、
前記磁気光学材料層は、前記導波路コアよりも厚い、
ことを特徴とする光非相反デバイス。

【請求項4】

前記磁気光学材料層は、前記導波路コアの側面のうち前記凹凸が設けられた方に隣接して設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の光非相反デバイス。

【請求項5】

前記下部クラッド層のうち前記磁気光学材料層の下部に当たる領域に溝が設けられており、
前記磁気光学材料層は、前記溝の底面上に設けられており、
前記溝の深さは、前記磁気光学材料層の厚さと前記導波路コアの厚さの差の１／２に設定されている、
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光非相反デバイス。

【請求項6】

前記凹凸の周期に対する前記凹凸の凸部の幅の比は、０．２～０．９であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光非相反デバイス。

【請求項7】

前記凹凸の凸部における前記導波路コアの幅に対する前記凹凸の深さの比は、０．２～０．３であることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光非相反デバイス。

【請求項8】

伝搬させる光は近赤外線であり、前記導波路コアの材料はＳｉであり、前記導波路コアの厚さは０．２～０．３μｍ、前記凹凸の凸部における前記導波路コアの幅は０．４５～１．５μｍである、ことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光非相反デバイス。

【請求項9】

前記磁気光学材料層は、鉄、コバルト、ニッケル及びマンガンの少なくとも１つを含む
誘電層である、ことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の光非相反デバイス。

【請求項10】

前記テーパ導波路は、最小幅が０．４～０．６５μｍであり、最大幅が０．７～０．９μｍであり、長さが１．０μｍ以上である、ことを特徴とする請求項２に記載の光非相反デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスに関するものである。

【背景技術】

【0002】

光サーキュレータや光アイソレータなどの光非相反デバイスとして、マッハ・ツェンダー干渉計型のものが知られている（特許文献１）。マッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスは、２×２カプラによって２本の導波路に分岐させたのち２×２カプラによって合流させる構成であって、２本の導波路に非相反移相器を挿入したものである。非相反移相器は、光の伝搬方向によって位相差が生じる移相器である。非相反移相器は磁気光学材料を用いることで実現できる。

【0003】

また、特許文献２、３には、非相反移相器を有した導波路型の光アイソレータが記載されており、導波路コアに周期的に配列された複数の孔を設け、伝搬特性を調整することが記載されている。

【0004】

非特許文献１には、マッハ・ツェンダー干渉計型のモノリシック集積化サーキュレータが記載されている。非特許文献１では、導波路コアの側壁や上面に磁気光学材料の層を設けた構造が示されている。

【0005】

非特許文献２には、導波路のクラッドに周期的な孔を設けてフォトニック結晶を構成し、フォトニック結晶によって光が向きを変える時の位相を制御することで非相反性を実現できることが示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００３－３０２６０３号公報

【文献】特開２０２０－８６２５０号公報

【文献】特開２０２０－１３４８４５号公報

【非特許文献】

【0007】

【文献】John Bowers, Caroline A. Ross, Optica Vol 6, No. 4, April 2019

【文献】Applied Optics, 9741, Vol. 54, No. 33, November 20 2015

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、特許文献１や非特許文献１では、９０°の位相差を発生させるために必要な光導波路の長さが数ｍｍとなり、光集積回路素子としては素子面積が大きくなってしまい、コストが高くなってしまうことが問題であった。

【0009】

また、非特許文献２は数値計算上の実現可能性が示されているだけで、実際に作製されたという報告はない。それは、光の波長よりも小さな穴を空けてフォトニック結晶を形成し、その穴にセラミックに近い物性の材料である磁気光学材料を充填することは容易でなく、著しく歩留まりが悪くなると考えられるためである。

【0010】

そこで本発明の目的は、マッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスの小型化、低コスト化を図ることである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、２つの２×２型のカプラと、２つの前記カプラの間を接続する２つの導波路と、前記導波路に挿入された光非相反移相器と、を有し、前記光非相反移相器は、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられた導波路コアと、磁気光学材料層と、を有したマッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスであって、前記光非相反移相器の前記導波路コアの側面の少なくとも一方に、前記導波路コアの線路方向に周期的な凹凸が設けられている、ことを特徴とする光非相反デバイスである。

【0012】

本発明において、２つの前記カプラと前記光非相反移相器との間のそれぞれの前記導波路にモード変換器が設けられ、前記光非相反移相器への光入力側の前記モード変換器が光を低次モードから高次モードへ変換し、前記光非相反移相器からの光出力側の前記モード変換器が光を高次モードから低次モードへ変換してもよい。さらに、前記モード変換器は、前記導波路の幅が拡大される幅広導波路と、前記幅広導波路の前記光非相反移相器とは反対側に設けられ、幅が前記幅広導波路へ向けて拡大されると共に、最大幅が前記幅広導波路の幅に比し小さくされるテーパ導波路と、を有してもよい。また、前記テーパ導波路は、最小幅が０．４～０．６５μｍであり、最大幅が０．７～０．９μｍであり、長さが１．０μｍ以上であってもよい。

【0013】

本発明において、前記光非相反デバイスは、ＴＥモードで動作させるものであり、前記磁気光学材料層は、前記下部クラッド層上であって、前記導波路コアの側面の一方に隣接した領域に、その側面に接して設けられていて、前記磁気光学材料層は、前記導波路コアよりも厚くてもよい。また、前記磁気光学材料層は、前記導波路コアの側面のうち前記凹凸が設けられた方に隣接して設けられていてもよい。また、前記下部クラッド層のうち前記磁気光学材料層の下部に当たる領域に溝が設けられており、前記磁気光学材料層は、前記溝の底面上に設けられており、前記溝の深さは、前記磁気光学材料層の厚さと前記導波路コアの厚さの差の１／２に設定されていてもよい。

【0014】

また、本発明において、前記凹凸の周期に対する前記凹凸の凸部の幅の比は、０．２～０．９としてもよい。

【0015】

また、本発明において、前記凹凸の凸部における前記導波路コアの幅に対する前記凹凸の深さの比は、０．２～０．３としてもよい。

【0016】

また、本発明において、伝搬させる光は近赤外線であり、前記導波路コアの材料はＳｉであり、前記導波路コアの厚さは０．２～０．３μｍ、前記凹凸の凸部における前記導波路コアの幅は０．４５～１．５μｍであってもよい。

【0017】

また、本発明において、前記磁気光学材料層は、鉄、コバルト、ニッケル及びマンガンの少なくとも１つを含む誘電層であってもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、光非相反効果が増大するため、光非相反移相器の導波路を短くすることができ、光非相反デバイスの小型化や低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１実施形態の光非相反デバイスの構成を示した図。

【図2】第１実施形態の光非相反デバイスの断面を示した図。

【図3】第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の構成を示した図。

【図4】第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の断面を示した図。

【図5】凹凸の周期と非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図6】デューティ比と非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図7】凹凸の深さと非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図8】導波路コアの幅と非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図9】第２実施形態の光非相反デバイスの構成を示した図。

【図10】第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した図。

【図11】第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した図。

【図12】凹凸の周期と非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図13】第３実施形態の光非相反デバイスの構成を示した図。

【図14】第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した図。

【図15】（Ａ）および（Ｂ）は、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６における導波路コアの構成を示した図。

【図16】凹凸の周期と非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図17】凹凸導波路の凸部における幅と非相反位相シフト量の関係を示したグラフ。

【図18】幅広導波路の長さと透過率の関係を示したグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態について図を参照に説明する。
（第１実施形態）
図１、２は、実施形態１の光非相反デバイスの構成を示した図である。実施形態１の光非相反デバイスは、マッハ・ツェンダー干渉計型であり、導波路型であってＴＭモードで光を伝搬させる光集積回路である。図１は、実施形態１の光相反デバイスの平面図であり、図２は、図１におけるＡ－Ａでの断面図である。図１に示すように、実施形態１の光非相反デバイスは、２×２の第１カプラ１と、同じく２×２の第２カプラ２と、第１カプラ１と第２カプラ２の２つの入出力ポート同士を接続する第１導波路３、第２導波路４と、第１導波路３、第２導波路４それぞれに挿入された第１光非相反移相器５、第２光非相反移相器６と、によって構成されている。

【0021】

第１カプラ１および第２カプラ２は、２×２の導波路型カプラである。第１カプラ１および第２カプラ２は、下部クラッド層１０と、下部クラッド層１０上に位置する導波路コア１１と、導波路コア１１を覆う上部クラッド層１２と、を有している。導波路コア１１は、線路方向に垂直な断面が矩形である。導波路コア１１の厚さと幅は、光がＴＭモードで伝搬するように設定されている。また、第１カプラ１および第２カプラ２の導波路コア１１は、図１に示すように、２本の平行に走る導波路コア１１の一部を近接させた平面パターンである。下部クラッド層１０および上部クラッド層１２の材料は、ＳｉＯ２などである。また、導波路コア１１の材料は、Ｓｉなどである。

【0022】

第１カプラ１および第２カプラ２は、方向性結合器であり、一方の２つの入出力ポートのうち１つから入力された光は、分配されて他方の２つの入出力ポートから出力される。出力された２つの光は９０°位相が異なる。

【0023】

第１導波路３および第２導波路４は、第１カプラ１の一方の２つの入出力ポートと、第２カプラ２の一方の２つの入出力ポートとを接続する導波路である。第１カプラ１と第２カプラ２がこのようにして直列に接続されることでマッハ・ツェンダー干渉計が構成されている。第１導波路３および第２導波路４は、第１カプラ１および第２カプラ２と同様に、下部クラッド層１０と、下部クラッド層１０上に位置する導波路コア１１と、導波路コア１１を覆う上部クラッド層１２と、を有している。

【0024】

第１導波路３および第２導波路４の導波路コア１１の平面パターンは、図１に示すように、第１カプラ１と第２カプラ２を結ぶ線（対称軸Ｌ）に対して線対称であって、その対称軸Ｌに直交する方向に蛇行するような平面パターンとなっている。線対称であるから、第１導波路３と第２導波路４の導波路長は等しくなっている。このような平面パターンとすることで、第１導波路３と第２導波路４の導波路コア１１のうち対称軸Ｌに直交する方向に延びる区間は、光の伝搬方向が反転している領域となっている。

【0025】

第１光非相反移相器５、第２光非相反移相器６は、光の伝搬方向によって移相量が異なる光非相反性を有した移相器である。第１光非相反移相器５、第２光非相反移相器６は、第１導波路３、第２導波路４にそれぞれ挿入されている。その挿入位置は、対称軸Ｌに直交する方向に延びる区間である。つまり、第１光非相反移相器５と第２光非相反移相器６とで光の伝搬方向が反対となるようにしている。

【0026】

図３、４は、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の構成を示した図であり、図３は平面図、図４は断面図である。第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６は、図４に示すように、下部クラッド層１０と、下部クラッド層１０上に位置する導波路コア１１と、導波路コア１１の側面および上面を覆う磁気光学材料層１３と、磁気光学材料層１３および下部クラッド層１０を覆う上部クラッド層１２と、を有している。

【0027】

磁気光学材料層１３は、実施形態１では導波路コア１１の上面と側面の両方に接して覆うようにしているが、上面のみを覆うようにしてもよい。磁気光学材料層１３の材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎなどの磁性体を含む材料であり、たとえばＹＩＧなどの磁性ガーネットである。磁気光学材料は、光の伝搬方向に応じて異なる伝搬定数を有する。そのため、光の伝搬方向によって異なる位相差を生じさせる。磁気光学材料層１３の厚さは、たとえば、導波路コア１１の厚さの０．５～２倍である。

【0028】

第１光非相反移相器５と第２光非相反移相器６の導波路長は、第１カプラ１側から光が入力された場合には－９０°の位相差となり、第２カプラ２側から光が入力された場合（光の伝搬方向が反対となる場合）には９０°の位相差となるように設定されている。第１光非相反移相器５と第２光非相反移相器６とで光の伝搬方向が反対となるため、第１光非相反移相器５と第２光非相反移相器６とで印加する磁場の方向が一方向で済む。そのため、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６を動作させるための磁場の形成が容易となり、たとえば磁石の配置が簡単になる。

【0029】

第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路コア１１の両方の側面には、複数の凹部が導波路コア１１の線路方向に周期的に設けられ、凹凸１５を形成している。凹凸１５によって導波路コア１１の幅は、通常の幅の部分とそれよりも狭い部分が交互に繰り返している。なお、凹凸１５は導波路コア１１の両方の側面に設ける必要はなく、一方のみであってもよい。

【0030】

凹凸１５の周期Ｔは、光の波長程度であれば任意である。たとえば、光の波長の０．５～１．５倍とすることができる。

【0031】

凹凸１５のデューティ比Ｄ（凹凸１５の凸部の幅を周期Ｔで割った値）は、０．２～０．９が好ましい。この範囲であれば、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の非相反位相シフトをより大きくすることができ、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路長をより短くすることができる。

【0032】

凹凸１５の深さＨ（凹凸１５の凹部底面から凸部上面までの幅）は、凸部における導波路幅をＨ０として、Ｈ／Ｈ０が０．２～０．３となるようにすることが好ましい。この範囲であれば、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の非相反位相シフトをより大きくすることができ、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路長をより短くすることができる。

【0033】

光の波長を近赤外線（たとえば１０００～１６００ｎｍ）とし、導波路コア１１の材料をＳｉとする場合、導波路コア１１の厚さは０．２～０．３μｍ、凹凸１５の凸部における導波路コア１１の幅は０．４５～０．６μｍとすることが好ましい。このような範囲とすることで、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の非相反位相シフトをより大きくすることができ、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路長をより短くすることができる。特に１５５０ｎｍ付近で効果が大きい。

【0034】

なお、第１実施形態では第１導波路３と第２導波路４の双方に第１光非相反移相器５、第２光非相反移相器６をそれぞれ挿入しているが、一方にのみ挿入してもよい。ただし、双方に挿入する方が移相量を大きくすることができ、導波路長をより短くすることができる。

【0035】

次に、第１実施形態の光非相反デバイスの動作について説明する。説明のため、第１カプラ１の２つの入出力ポートを第１ポート、第２ポートとし、第２カプラ２の入出力ポートの２つの入出力ポートを第３ポート、第４ポートとし、第１ポートと第４ポート、第２ポートと第３ポートがそれぞれクロスしているものとする。また、磁界は図１に示すように対称軸Ｌと平行に第２カプラ２から第１カプラ１に向かう方向に印加する。

【0036】

第１実施形態の光非相反デバイスでは、第１カプラ１の第１ポートに入力された光は、２つに分配されて第１導波路３と第２導波路４に入力される。このとき、第１導波路３と第２導波路４とでは伝搬する光に９０°の位相差がある。さらに、第１導波路３と第２導波路４に挿入された第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６によって－９０°の位相差が付与される。その結果、第１導波路３と第２導波路４とでは光の位相差が０°となる。よって、第２カプラ２はクロスの状態となり、第１導波路３と第２導波路４から第２カプラ２に入力された光は、第４ポートから出力される。

【0037】

一方、第２カプラ２の第４ポートに入力された光は、２つに分配されて第１導波路３と第２導波路４に入力される。このとき、第２導波路４と第１導波路３とでは伝搬する光に９０°の位相差がある。さらに、第１導波路３と第２導波路４に挿入された第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６によって位相差が付与されるが、非相反作用によって－９０°ではなく９０°の位相差が付与される。その結果、第１導波路３と第２導波路４とでは位相差が１８０°となる。よって、第１カプラ１はストレートの状態となり、第１導波路３と第２導波路４から第１カプラ１に入力された光は、第２ポートから出力される。

【0038】

このように、第１ポートに入力された光は第４ポートから出力され、第４ポートに入力された光は第２ポートに出力されるので、第１実施形態の光非相反デバイスはサーキュレータとして動作する。また、第４ポートに入力された光は第１ポートに出力されないので、第２ポートを使用しなければアイソレータとして動作する。

【0039】

ここで、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路コア１１の側面には、周期的な凹凸１５が設けられている。そのため、凹凸１５がフォトニック結晶として作用し、群速度遅延を引き起こす。ここで群速度遅延は、凹凸１５を設けない通常の導波路コア１１の場合に比べて光の群速度が遅くなる現象であり、光から見ると導波路が長くなったように見える現象である。したがって、群速度遅延によって短い導波路であっても長い導波路と同等の光学的効果が得られる。実施形態１では、この群速度遅延を利用して第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の実際の導波路を短くしつつ、光にとっては導波路が長くなったように振舞わせている。これにより第１実施形態の光非相反デバイス全体として短くして小型化することができ、低コスト化することができる。

【0040】

さらに、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路コア１１を伝搬する光は、凹凸１５が設けられているためフィッシュボーンモードで伝搬する。フィッシュボーンモードでは、凹凸１５の凸部で光が強くなる特徴がある。そのため、凸部で光が反射する際に、凸部に接している磁気光学材料層１３との相互作用が強くなり、磁気光学効果の影響を強く受ける。その結果、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の光非相反効果も大きくなり、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路長もより短くすることができる。

【0041】

以上のように、第１実施形態の光非相反デバイスでは、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路長を短くすることができるので、光非相反デバイスの小型化、低コスト化を図ることができる。

【0042】

次に、第１実施形態の光非相反デバイスに関する実験結果について説明する。
（実験１）
ＦＤＴＤシミュレータを用い、第１光非相反移相器５の非相反位相シフト量をシミュレーションにより求めた。非相反位相シフト量は、順方向に光を単位長さ伝搬させたときと逆方向に光を単位長さ伝搬させたときの位相差とする。導波路コア１１の幅は０．６μｍ、凹部の深さ０．１５μｍ、凹凸１５のデューティ比（凸部の幅／周期）は０．５とし、周期を変化させた。また、上部クラッド層１２および下部クラッド層１０はＳｉＯ２とし、導波路コア１１はＳｉとし、磁気光学材料層１３はＣｅＹＩＧとした。また、印加する磁場の磁束密度Ｂは２０００ガウスとした。

【0043】

図５は、凹凸１５の周期（μｍ）と非相反位相シフト（ｒａｄ／ｍｍ）の関係を示したグラフである。図５のように、周期が０．９～１．１μｍで非相反位相シフト量は１３８０ｒａｄ／ｍｍとなった。一方、凹凸１５を設けなかった場合、非相反位相シフト量は０．６７ｒａｄ／ｍｍであった。この結果、凹凸１５を設けることで非相反位相シフト量を１０００倍以上にできることがわかり、第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６の導波路長を大幅に短縮できることがわかった。
（実験２）
凹凸１５の周期を１μｍとし、凹凸１５のデューティ比を変化させ、実験１と同様にして非相反位相シフトを求めた。図６は、デューティ比と非相反位相シフト量の関係を示したグラフである。図６のように、デューティ比が０．２～０．９で非相反位相シフト量は大きくなり、最大で１５６８ｒａｄ／ｍｍであった。よって、デューティ比は０．２～０．９が好ましいことがわかった。
（実験３）
導波路コア１１の幅０．６μｍ、凹凸１５の周期１μｍ、デューティ比０．５とし、凹凸１５の深さ（エッチング幅）を変化させ、実験１と同様にして非相反位相シフト量を求めた。図７は、凹凸１５の深さと非相反位相シフト量の関係を示したグラフである。図７のように、エッチング幅が０．１５μｍのときに非相反位相シフト量のピークがあり、大きな非相反位相シフト量が得られた。この結果、エッチング幅／導波路コア１１の幅は０．２～０．３が好ましいことがわかった。
（実験４）
凹凸１５の周期１μｍ、デューティ比０．５とし、導波路コア１１の幅を変化させ、実験１と同様にして非相反位相シフト量を求めた。凹凸１５の凹部における導波路コア１１の幅は０．３μｍに固定した。図８は、導波路コア１１の幅と非相反位相シフト量の関係を示したグラフである。図８のように、導波路コア１１の幅が０．４５～０．６μｍで非相反位相シフト量が大きくなることがわかった。
（第２実施形態）
図９は、第２実施形態の光非相反デバイスの構成を示した図である。第２実施形態の光非相反デバイスは、第１実施形態の光非相反デバイスにおける第１光非相反移相器５および第２光非相反移相器６を、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６に替えたものであり、ＴＥモードで光を伝搬させるものである。他の構成は第１実施形態と同様である。第２実施形態では、磁界は垂直方向に印加する。

【0044】

図１０、１１は、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した図であり、図１０は平面図、図１１は断面図である。第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６は、図１１に示すように、下部クラッド層２１０と、下部クラッド層２１０上に位置する導波路コア２１１と、磁気光学材料層２１３と、導波路コア２１１を覆う上部クラッド層２１２と、を有している。これらの各構成の材料は実施形態１と同様である。

【0045】

第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の導波路コア２１１の片方の側面には、複数の凹部が導波路コア２１１の線路方向に周期的に設けられ、凹凸２１５を形成している。なお、凹凸２１５は導波路コア２１１の片方の側面に設けるのではなく、両方に設けてもよい。

【0046】

下部クラッド層２１０は、導波路コア２１１の側面のうち凹凸２１５が設けられた方に隣接する領域に溝２１４が設けられている。

【0047】

磁気光学材料層２１３は、下部クラッド層２１０のうち溝２１４の底面上に設けられている。また、磁気光学材料層２１３は、導波路コア２１１の凹凸２１５に接している。磁気光学材料層２１３の厚さは、導波路コア２１１の厚さよりも大きい。たとえば、磁気光学材料層２１３の厚さは、導波路コア２１１の厚さの１．５～５倍である。磁気光学材料層２１３の幅は、たとえば厚さの１～５倍である。

【0048】

なお、実施形態２では、溝２１４および磁気光学材料層２１３は、凹凸２１５が設けられている側面の方に設けているが、凹凸２１５が設けられていない面一の側面の方に溝２１４および磁気光学材料層２１３を設けてもよい。ただし、光と磁気光学材料層２１３との相互作用をより強くし、非相反効果を大きくするためには、第２実施形態のように凹凸２１５が設けられている側に設けることが好ましい。

【0049】

溝２１４の深さは、磁気光学材料層２１３の厚さと導波路コア２１１の厚さの差の１／２に設定されている。そのため、磁気光学材料層２１３の厚さの中心線と導波路コア２１１の厚さの中心線は同一直線上である。すなわち、磁気光学材料層２１３は、垂直方向において導波路コア２１１に対し線対称に構成されている。なお、厳密に磁気光学材料層２１３の厚さと導波路コア２１１の厚さの差の１／２である必要はなく、後述の効果が得られる範囲で誤差は許容される。

【0050】

第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６における磁気光学材料層２１３、凹凸２１５は、対称軸Ｌに対して対称となるように配置されている。たとえば、第１ポートから入力された光の伝搬方向に対して、第１光非相反移相器２５では左側の側面に凹凸２１５と磁気光学材料層２１３が配置され、第２光非相反移相器２６では右側の側面に凹凸２１５と磁気光学材料層２１３が配置される。

【0051】

上部クラッド層２１２は、導波路コア２１１の側面のうち凹凸２１５の設けられていない方と、導波路コア２１１の上面とを覆うようにして設けられている。

【0052】

上記のように、第２実施形態では、溝２１４を設けて磁気光学材料層２１３の位置を下方に少し下げ、これによって垂直方向において導波路コア２１１に対し磁気光学材料層２１３が線対称となるように構成している。そのため、磁気光学材料層２１３の体積を十分に大きくすることができ、線対称であるため光学モードも安定に存在する。その結果、ＴＥモードにおける非相反位相シフト量を大きくすることができ、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の導波路長を短くすることができる。

【0053】

以上、第２実施形態の光非相反デバイスによれば、ＴＥモードで光を伝搬させる場合であっても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の導波路長を短くすることができるので、光非相反デバイスの小型化、低コスト化を図ることができる。

【0054】

次に、第２実施形態の光非相反デバイスに関する実験結果について説明する。
（実験５）
ＦＤＴＤシミュレータを用い、第１光非相反移相器２５の非相反位相シフトを実験１と同様にして求めた。図１２は、凹凸２１５の周期（μｍ）と非相反位相シフト（ｒａｄ／ｍｍ）の関係を示したグラフである。図１２のように、周期が０．６７μｍで非相反位相シフトは３ｒａｄ／ｍｍとなった。一方、凹凸２１５を設けなかった場合は１．１６ｒａｄ／ｍｍであった。よって、凹凸２１５を設けることで導波路長を大きく短縮できることがわかった。
（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態の光非相反デバイスの構成を示した図である。第３実施形態の光非相反デバイスは、第２実施形態とほぼ同様であるが、以下の点で異なる。

【0055】

第３実施形態では、第１導波路３および第２導波路４の導波路コア２１１の平面パターンが、Ｕ字状にされており、導波路コア２１１の通常部分（下記凹凸導波路２１７及びモード変換器２１８を除く部分、以下「通常導波路２１６」という）の幅は、０．４～０．５μｍにされている。第３実施形態では、磁界は、図１３紙面の垂直方向又は左右方向に印加する。

【0056】

図１４は、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した斜視図である。図１４に示すように、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６では、磁気光学材料層２１３が導波路コア２１１の上面と両方の側面に接して覆っている。

【0057】

図１５（Ａ）は、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した平面図であり、図１５（Ｂ）は、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の構成を示した側面図である。図１５の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６では、中間位置において、導波路コア２１１の両方の側面に、凹凸２１５が形成されている。導波路コア２１１の凹凸２１５位置は、凹凸導波路２１７にされており、凹凸導波路２１７では、凹部位置における幅狭部分と凸部位置における幅広部分とが交互に繰り返されている。また、凹凸導波路２１７の凹部位置における幅は、０．６μｍが好ましく、凹凸導波路２１７の凸部位置における幅は、１．０～１．５μｍであればよく、１．２～１．３μｍが好ましい。さらに、凹凸２１５の深さは、０．３μｍが好ましい。なお、凹凸２１５は導波路コア２１１の両方の側面に設けるのではなく、片方に設けてもよい。

【0058】

導波路コア２１１には、凹凸導波路２１７の両外側において、モード変換器２１８が形成されている。

【0059】

モード変換器２１８の凹凸導波路２１７側には、平面視矩形状の幅広導波路２１８Ａが形成されており、幅広導波路２１８Ａの幅は、凹凸導波路２１７の凸部位置における幅と同一が好ましく、幅広導波路２１８Ａの長さは、１．０μｍ以上が好ましい。

【0060】

モード変換器２１８には、幅広導波路２１８Ａの凹凸導波路２１７とは反対側において、平面視台形状のテーパ導波路２１８Ｂが形成されており、テーパ導波路２１８Ｂの幅は、幅広導波路２１８Ａ側へ向かうに従い徐々に拡大されている。テーパ導波路２１８Ｂの最小幅は、通常導波路２１６の幅と同一にされており、テーパ導波路２１８Ｂの最大幅は、幅広導波路２１８Ａの幅より小さくされている。また、テーパ導波路２１８Ｂの最小幅は、０．４～０．６５μｍが好ましく、テーパ導波路２１８Ｂの最大幅は、０．７～０．９μｍが好ましく、テーパ導波路２１８Ｂの長さは、１．０μｍ以上が好ましい。

【0061】

上記の第３実施形態では、第１導波路３および第２導波路４において、通常導波路２１６に比しモード変換器２１８の幅広導波路２１８Ａの幅が大きくされており、通常導波路２１６に幅広導波路２１８Ａが不連続に接続されている。このため、通常導波路２１６と幅広導波路２１８Ａとにおける光の実効屈折率の不連続（電磁波としてはインピーダンスのミスマッチ）により、通常導波路２１６を単一モード（一次モード、基本モード、低次モード）で伝搬されたＴＥモードの光が、幅広導波路２１８Ａにおいて高次モード（特に二次モード）で励振される。これにより、通常導波路２１６における光のエネルギーが、一部を単一モードと結合されると共に、一部を高次モードと結合されることで、単一モードの光と高次モードの光とが干渉しながら空間的なビートを形成して、光の空間的な強度分布が変化する。したがって、光が、幅広の分布と幅狭の分布とを交互に繰り返して伝播して、フィッシュボーンモードで励振される（モード変換される）ことで、光の幅広分布部分が第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の凹凸導波路２１７の凸部位置の形状に近くされる。この結果、凹凸導波路２１７の凸部位置において、光が反射により磁気光学効果を効率的に受けることができて、光非相反効果を効率的に大きくできる。

【0062】

さらに、モード変換器２１８では、通常導波路２１６と幅広導波路２１８Ａとの間にテーパ導波路２１８Ｂが設けられており、テーパ導波路２１８Ｂの幅が幅広導波路２１８Ａ側へ向かうに従い徐々に拡大されている。このため、通常導波路２１６と幅広導波路２１８Ａとにおける光の実効屈折率の不連続を緩和できて、光の反射及び散乱を低減できることで、光の損失を低減できる。但し、テーパ導波路２１８Ｂの最大幅が幅広導波路２１８Ａの幅より小さくされることで、通常導波路２１６と幅広導波路２１８Ａとの不連続を維持できて、幅広導波路２１８Ａにおいて光を高次モードに変換できる。

【0063】

また、光が凹凸導波路２１７からモード変換器２１８を介して通常導波路２１６に伝播される際には、モード変換器２１８によって光をフィッシュボーンモードから単一モードに変換できる。

【0064】

以上、第３実施形態の光非相反デバイスによれば、ＴＥモードで光を伝搬させる場合であっても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、第１光非相反移相器２５および第２光非相反移相器２６の導波路長を短くすることができるので、光非相反デバイスの小型化、低コスト化を図ることができる。
（実験６）
ＦＤＴＤシミュレータを用い、第１光非相反移相器２５の非相反位相シフト量を実験１と同様にして求めた。導波路コア１１の厚さは０．２μｍ、通常導波路２１６の幅は０．５μｍ、テーパ導波路２１８Ｂの最大幅は０．９μｍ、テーパ導波路２１８Ｂの長さは１．５μｍ、幅広導波路２１８Ａの幅は１．２μｍ、幅広導波路２１８Ａの長さは１．０μｍ、凹凸２１５の深さは０．３μｍ、凹凸２１５のデューティ比（凸部の幅／周期）は０．４とし、凹凸２１５の周期を変化させた。

【0065】

図１６は、凹凸２１５の周期（μｍ）と非相反位相シフト量（ｒａｄ／ｍｍ）の関係を示したグラフである。図１６のように、光の波長が１．２５～１．６５μｍの広い範囲で非相反位相シフト量が大きくなることが確認された。光の波長が１．３５～１．６５μｍの範囲では、非相反位相シフト量のピークが凹凸２１５の周期に比例している傾向がある。光の波長が１．２５μｍでは、１段高次のモードで非相反位相シフトが増大するため、凹凸２１５の周期が１．１μｍで非相反位相シフト量がピークになる。
（実験７）
ＦＤＴＤシミュレータを用い、第１光非相反移相器２５の非相反位相シフト量を実験１と同様にして求めた。導波路コア１１の厚さは０．２μｍ、通常導波路２１６の幅は０．５μｍ、テーパ導波路２１８Ｂの最大幅は０．９μｍ、テーパ導波路２１８Ｂの長さは１．５μｍ、幅広導波路２１８Ａの幅は１．２μｍ、幅広導波路２１８Ａの長さは１．０μｍ、凹凸２１５の深さは０．３μｍ、凹凸２１５のデューティ比（凸部の幅／周期）は０．３とし、凹凸導波路２１７の凸部における幅を変化させた。

【0066】

図１７は、凹凸導波路２１７の凸部における幅（μｍ）と非相反位相シフト量（ｒａｄ／ｍｍ）の関係を示したグラフである。図１７のように、非相反位相シフト量を大きくするためには、凹凸導波路２１７の凸部における幅が１．０～１．５μｍの範囲が最適である。
（実験８）
ＦＤＴＤシミュレータを用い、第１光非相反移相器２５の透過率を実験１と同様にして求めた。透過率は、一方の通常導波路２１６に入力される光のパワーで他方の通常導波路２１６から出力される光のパワーを除した値である。導波路コア１１の厚さは０．２μｍ、通常導波路２１６の幅は０．４μｍ、テーパ導波路２１８Ｂの最大幅は０．９μｍ、テーパ導波路２１８Ｂの長さは１．５μｍ、幅広導波路２１８Ａの幅は１．２μｍ、凹凸２１５の周期は１．０μｍ、凹凸２１５の深さは０．３μｍ、凹凸２１５のデューティ比（凸部の幅／周期）は０．５とし、幅広導波路２１８Ａの長さを変化させた。

【0067】

図１８は、幅広導波路２１８Ａの長さ（μｍ）と透過率（transmittance）の関係を示
したグラフである。図１８のように、幅広導波路２１８Ａの長さが１．０μｍ未満で透過率が大きくなり、幅広導波路２１８Ａの長さが１．０μｍ以上で透過率が小さくなる。透過率が大きい場合には凹凸導波路２１７を光が単一モードで伝播されており、透過率が小さい場合には凹凸導波路２１７を光がフィッシュボーンモードで伝播されている。この結果、幅広導波路２１８Ａの長さが１．０μｍ以上であれば、モード変換器２１８が光を単一モードからフィッシュボーンモードに変換できることが分かった。
（付記）
（技術案１）
２つの２×２型のカプラと、２つの前記カプラの間を接続する２つの導波路と、前記導波路に挿入された光非相反移相器と、を有し、前記光非相反移相器は、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられた導波路コアと、磁気光学材料層と、を有したマッハ・ツェンダー干渉計型の光非相反デバイスであって、
前記光非相反移相器の前記導波路コアの側面の少なくとも一方に、前記導波路コアの線路方向に周期的な凹凸が設けられている、
ことを特徴とする光非相反デバイス。
（技術案２）
２つの前記カプラと前記光非相反移相器との間のそれぞれの前記導波路にモード変換器
が設けられ、前記光非相反移相器への光入力側の前記モード変換器が光を低次モードから高次モードへ変換し、前記光非相反移相器からの光出力側の前記モード変換器が光を高次モードから低次モードへ変換する、ことを特徴とする技術案１に記載の光非相反デバイス。
（技術案３）
前記モード変換器は、
前記導波路の幅が拡大される幅広導波路と、
前記幅広導波路の前記光非相反移相器とは反対側に設けられ、幅が前記幅広導波路へ向けて拡大されると共に、最大幅が前記幅広導波路の幅に比し小さくされるテーパ導波路と、
を有することを特徴とする技術案２に記載の光非相反デバイス。
（技術案４）
前記光非相反デバイスは、ＴＥモードで動作させるものであり、
前記磁気光学材料層は、前記下部クラッド層上であって、前記導波路コアの側面の一方に隣接した領域に、その側面に接して設けられていて、
前記磁気光学材料層は、前記導波路コアよりも厚い、
ことを特徴とする技術案１から技術案３までのいずれかに記載の光非相反デバイス。
（技術案５）
前記磁気光学材料層は、前記導波路コアの側面のうち前記凹凸が設けられた方に隣接して設けられている、ことを特徴とする技術案４に記載の光非相反デバイス。
（技術案６）
前記下部クラッド層のうち前記磁気光学材料層の下部に当たる領域に溝が設けられており、
前記磁気光学材料層は、前記溝の底面上に設けられており、
前記溝の深さは、前記磁気光学材料層の厚さと前記導波路コアの厚さの差の１／２に設定されている、
ことを特徴とする技術案４または技術案５に記載の光非相反デバイス。
（技術案７）
前記凹凸の周期に対する前記凹凸の凸部の幅の比は、０．２～０．９であることを特徴とする技術案１から技術案６までのいずれかに記載の光非相反デバイス。
（技術案８）
前記凹凸の凸部における前記導波路コアの幅に対する前記凹凸の深さの比は、０．２～０．３であることを特徴とする技術案１から技術案７までのいずれかに記載の光非相反デバイス。
（技術案９）
伝搬させる光は近赤外線であり、前記導波路コアの材料はＳｉであり、前記導波路コアの厚さは０．２～０．３μｍ、前記凹凸の凸部における前記導波路コアの幅は０．４５～１．５μｍである、ことを特徴とする技術案１から技術案８までのいずれかに記載の光非相反デバイス。
（技術案１０）
前記磁気光学材料層は、鉄、コバルト、ニッケル及びマンガンの少なくとも１つを含む誘電層である、ことを特徴とする技術案１から技術案９までのいずれかに記載の光非相反デバイス。
（技術案１１）
前記テーパ導波路は、最小幅が０．４～０．６５μｍであり、最大幅が０．７～０．９μｍであり、長さが１．０μｍ以上であることを特徴とする技術案３から技術案１０までのいずれかに記載の光非相反デバイス。

【産業上の利用可能性】

【0068】

本発明は、光サーキュレータや光アイソレータとして用いることができる。

【符号の説明】

【0069】

１：第１カプラ
２：第２カプラ
３：第１導波路
４：第２導波路
５、２５：第１光非相反移相器
６、２６：第２光非相反移相器
１０、２１０：下部クラッド層
１１、２１１：導波路コア
１２、２１２：上部クラッド層
１３、２１３：磁気光学材料層
２１８：モード変換器
２１８Ａ：幅広導波路
２１８Ｂ：テーパ導波路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】