JP2015135386A - 光リング共振器および波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長帯域において、選択される共振波長を変更可能であるとともに、その波長変更に伴う損失を小さくすることができる、波長選択性に優れた光リング共振器および波長選択スイッチを提供する。【解決手段】線状導波路１１と環状導波路１２とが、光学的に結合可能に、近接して配置されている。環状導波路１２は、環状部の２箇所に、導波路が直接接続されず、上流側および下流側の導波路が光学的に結合可能に近接して配置された光結合部１２ｃを有している。移動手段１３が、環状導波路１２の環状部の長さと、各光結合部１２ｃでの結合長とを同時に変更可能に、環状導波路１２の一部を移動させるよう設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、光リング共振器および波長選択スイッチに関する。

一般的な光リング共振器は、一端から信号光が入力され、他端から出力される線状導波路と、その線状導波路と光結合可能に近接して配置された環状導波路とを有している。光リング共振器では、線状導波路を信号光が伝播すると、その信号光の一部または全部が光結合部から環状導波路に入り、環状導波路を周回する。このとき、環状導波路内では、環状導波路の周長Ｌで決定される波長λ＝Ｌ／Ｎ（Ｎ：整数）で、信号光が定在波を形成するため、この波長の信号光のみが選択的に環状導波路内に存在した状態になる。このように、光リング共振器は、共振波長による波長選択性を有しており、光フィルタや光スイッチ等として利用されている。

従来の光リング共振器として、電気光学効果や熱光学効果により誘電率が温度とともに変化する誘電体材料を利用して環状導波路の周長を変化させ、共振波長を可変にしたものがある（例えば、非特許文献１または２参照）。電気光学効果は、高速であるため、変調器への応用が期待されているが（例えば、非特許文献３参照）、変化率が0.1nm/V程度であるため、広い範囲で共振波長を変化させると消費電力が大きくなってしまうという問題があった。また、熱光学効果の大きいシリコンが広範囲での共振波長の変化に用いられているが、必要な消費電力が1mW/1nm程度であり（例えば、非特許文献４または５参照）、大規模な集積においては消費電力が大きくなってしまうという問題があった。

このような問題を解決するため、本発明者等は、図１１に示す静電マイクロアクチュエータを利用した周長可変のマイクロリング共振器を開発している（例えば、非特許文献６乃至８参照）。すなわち、図１１に示すように、環状導波路が、２つの方向性結合器（カプラー）によりリング状に結合された有限長の２つの導波路で構成されており、一方の有限長導波路は固定され、他方の有限長導波路はアクチュエータに接続されて、各方向性結合器の間隙を一定に保ったまま環状導波路の周長を変更可能に、線状導波路の伸長方向に対して垂直方向に移動するよう構成されている。また、環状導波路では、２つの方向性結合器により、特定波長において、理想的には１００％の結合で、２つの有限長導波路の間を信号光が損失なく伝搬して周回するよう構成されている。

A. H. Atabaki, E. Shah Hosseini, A. A. Eftekhar, S. Yegnanarayanan,and A. Adibi, "Optimization of metallic microheaters for high-speedreconfigurable silicon photonics", Optics Express, 16 August 2010, Vol. 18, No.17, p.18312-18323 Sasikanth Manipatruni, Kyle Preston, Long Chen, and Michal Lipson, "Ultra-lowvoltage, ultra-small mode volume silicon microring modulator", Optics Express,16 August 2010, Vol. 18, No. 17, p.18235-18242 Q. Xu, B. Schmidt, S. Pradhan, and M. Lipson, "Micrometer-scalesilicon electro-optic modulator", Nature, May 2005, vol. 435, No. 7040,p.325-327 M. Geng, L. Jia, L. Zhang, L. Yang, P. Chen, T. Wang, and Y. Liu,"Four-channel reconfigurable optical add-drop multiplexer based on photonicwire waveguide", Opt. Express, Mar. 2009, vol. 17, No. 7, p.5502-5516 K. Padmaraju, J. Chan, L. Chen, M. Lipson, and K. Bergman, "Thermalstabilization of a microring modulator using feedback control", Opt. Express,Dec. 2012, vol. 20, No. 27, p.27999-28008 Taro Ikeda, Yoshiaki Kanamori, Kazuhiro Hane, "Si Photonic nano-wiretunable micro-ring resonator composed of triply-liked variable couplers",International workshop of MEMS 2012 Paris FRANCE, 29 January - 2 February 2012,p.660-663 T. Ikeda and K. Hane, "A microelectromechanically tunable microringresonator composed of freestanding silicon photonic waveguide couplers", Appl.Phys. Lett., Jun. 2013, vol. 102, No. 22, p.221113-1-221113-4 T. Ikeda and K. Hane, "A tunable notch filter usingmicroelectromechanical microring with gap-variable busline coupler", Opt.Express, Sep. 2013, vol. 21, No. 19, p.22034-22042

非特許文献６乃至８に示すマイクロリングフィルタは、環状導波路の２つの方向性結合器での各導波路の間隙および結合長が一定であるため、特定の波長においてのみ損失のない環状導波路を構成することができる。しかし、波長を変化させたときには、各方向性結合器の結合率が低下するため、環状導波路での周回損失が増加し、波長選択性が劣化するという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、広い波長帯域において、選択される共振波長を変更可能であるとともに、その波長変更に伴う損失を小さくすることができる、波長選択性に優れた光リング共振器および波長選択スイッチを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光リング共振器は、一端から信号光が入力され、他端から出力される線状導波路と、前記線状導波路と光学的に結合可能に、前記線状導波路と近接して配置された環状導波路と、移動手段とを有し、前記環状導波路は、環状部の１箇所または複数箇所に、導波路が直接接続されず、上流側および下流側の導波路が光学的に結合可能に近接して配置された光結合部を有し、前記移動手段は、前記環状導波路の前記環状部の長さと、前記光結合部での結合長とを変更可能に、前記環状導波路の一部を移動させるよう設けられていることを特徴とする。

特に、本発明に係る光リング共振器で、前記光結合部は２つから成り、各光結合部の前記導波路全てが平行を成すよう配置されており、前記環状導波路は、各光結合部に挟まれた前記環状部の一方の側から成る第１環状構成部と、各光結合部に挟まれた前記環状部の他方の側から成る第２環状構成部とを有し、前記移動手段は、前記環状導波路の前記環状部の長さと各光結合部での前記結合長とを同時に変更可能に、各光結合部の一方の導波路が他方の導波路に対して長さ方向に沿って相対的に平行移動するよう、前記第１環状構成部または前記第２環状構成部の少なくともいずれか一方を移動させるよう構成されていることが好ましい。

本発明に係る光リング共振器は、共振波長を変更するとともに、その波長変更に伴う損失を小さくするために、以下の原理に基づいて構成されている。すなわち、図１に示すように、環状導波路が、２つのＵ字型導波路と、２つの光結合部（空隙カプラ；Ｃｏｕｐｌｅｒ）とから構成されたものを考える。図１（ａ）に示すように、各Ｕ字型導波路は、それぞれの端部同士が互いに平行に近接して配置されるよう、互いに向かい合って設けられ、各光結合部は、各Ｕ字型導波路の互いに近接して配置された端部同士を光学的に結合するよう構成されている。

このとき、共振波長は、一方のＵ字型導波路を動かして環状導波路の周長を変えることにより調整することができる。なお、低損失の光リング共振器を構成するためには、可変波長にかかわらず、各光結合部の結合割合ができるだけ１に近くなるように最大化されている必要がある。しかし、共振波長を変えるために一方のＵ字型導波路を動かすと、一定の間隙と結合長とを有する従来の光結合部の場合、結合割合が最大値から低下してしまう。そこで、各光結合部の結合長を、一方のＵ字型導波路を動かしたときでも、最大の結合割合を保つよう変化させる構成を考える。なお、光結合部の結合長とは、光結合部内での１対の導波路のうち、互いに光学的に結合するよう近接して配置された部分の長さである。また、環状導波路の環状部の長さとは、環状導波路の周長のことであり、環状部の導波路の長さから、光結合部ごとに、光結合部で近接して配置された２つの導波路のうちの一方の導波路の長さ、すなわち光結合部の結合長を除いた長さである。

各光結合部において、透過光強度Ｉ_ｄは、（１）式により与えられる。
ここで、Ｉ_ｄはドロップポート強度に対応している。Ｉ_０、χ（Ｇ_０，λ_０）、Ｌ_Ｃは、それぞれ図１（ａ）に示す初期状態での入力光強度、結合係数、結合長である。パラメータＧ_０およびλ_０は、それぞれ光結合部での各導波路の空隙および共振波長である。

図１（ｂ）に示すように、一方のＵ字型の導波路を変位ｄだけ動かすと、結合係数χ（Ｇ，λ）は、図１（ａ）の共振波長λ_０から図１（ｂ）の共振波長λ_０＋Δλまで、小さい波長変化Δλを伴って、（２）式のように変化する。また、このとき、結合係数と結合長との積である結合の位相は、式（１）において最大値を保つために、（３）式のように、π／２と等しくならなければならない。

（２）式および（３）式から、（４）式が得られる。ここで、共振波長シフトΔλは、同じ縦モードにおいて、初期のリング周長Ｌ_Ｒおよび変位ｄに対して、Δλ＝（２ｄλ_０）／Ｌ_Ｒ と与えられるため、最大の結合状態を保つために、（５）式が得られる。

また、ｄ≪Ｌ_Ｃの条件では、（４）式および（５）式から、（６）式および（７）式が得られる。

（５）式または（７）式に従ってＬ_Ｃの値を設計することにより、光結合部の波長依存損失を受けることなく共振波長を変えることができる。すなわち、波長の増加とともに結合係数が増加するが、これを補償するよう光結合部の結合長が減少し、最大結合条件がほぼ維持されるようになっている。本発明に係る光リング共振器は、このような原理に基づいて構成することにより、広い波長帯域において、選択される共振波長を変更可能であるとともに、その波長変更に伴う損失を小さくすることができ、優れた波長選択性を有することができる。

結合係数χの波長依存性を求め、図２（ａ）に示す。また、図２（ａ）と（７）式とを用いて求められた結合長Ｌ_Ｃと初期のリング周長Ｌ_Ｒとの関係を、図２（ｂ）に示す。ここで、導波路の幅を３２０ｎｍ、高さを３４０ｎｍ、光結合部での各導波路の間隙を２００ｎｍとした。また、図２（ａ）では、ＴＥモードで計算を行い、図２（ｂ）では、共振波長λ_０を１．５５μｍとした。図２（ｂ）に示すように、初期のリング周長Ｌ_Ｒを定めると、最適な結合長Ｌ_Ｃが１つに決まる。

また、（７）式に基づいて設計された本発明に係る光リング共振器について、環状導波路の周長を変えて共振波長を変化させたときの透過率の計算を行った。透過率は、（８）式により計算した。
ここで、Ｔは透過率、ｘは環状導波路一周の振幅透過率、ｙは線状導波路と環状導波路との光結合箇所での振幅透過率、φは相対位相（−π〜π）である。

また、環状導波路の初期の周長を１２０μｍ、環状導波路の２つの光結合部の初期の結合長を１０μｍ、導波路の幅を３２０ｎｍ、高さを３４０ｎｍ、共振波長を１．５５μｍ、ｙを０．９、ｘの最大値を０．８５とした。共振波長をそれぞれ０ｎｍ、３０ｎｍ、６０ｎｍシフトしたときの透過率の計算結果を、図３（ａ）に示す。なお、比較のため、図１１に示す従来の光リング共振器についても同様の透過率の計算を行い、その結果を図３（ｂ）に示す。このとき、結合長は一定（１０μｍ）としている。なお、図３（ａ）および（ｂ）では、シフトさせた共振波長を中心（相対波長０ｎｍ）にして図示している。

図３（ｂ）に示す結合長が一定の場合には、共振波長がシフトすると、シフト量が大きくなるに従って、透過率の凹みの深さも浅くなっており、共振波長の変更に伴って損失が発生していることがわかる。これに対して、図３（ａ）に示す本発明に係る光リング共振器では、共振波長がシフトしても、凹みの深さは変化していない。このことから、本発明に係る光リング共振器は、共振波長の変更に伴う損失を小さくすることができ、優れた波長選択性を有していることがわかる。

このように、本発明に係る光リング共振器は、前記環状導波路の前記環状部の長さを変更することによる前記光結合部での結合割合の低下を抑制可能に、前記環状導波路の前記環状部の長さを長くしたとき、前記光結合部での前記結合長を短くし、前記環状導波路の前記環状部の長さを短くしたとき、前記光結合部での前記結合長を長くするよう構成されていることが好ましい。特に、本発明に係る光リング共振器で、前記光結合部は、前記移動手段により前記環状導波路の一部を移動させたとき、その移動量をｄ、移動前の前記環状導波路の前記環状部の長さおよび共振波長をそれぞれＬ_Ｒおよびλ_０とすると、移動前の結合係数χおよび前記結合長Ｌ_Ｃが（５）式または（７）式の関係を満たすよう設けられていることが好ましい。（５）式および（７）式は、図１に示すような光結合部が２つの場合のみに限らず、光結合部が１つ、または３つ以上の場合であっても成り立つ。（７）式の関係を満たす場合には、各光結合部の結合長Ｌ_Ｃが環状導波路の一部の移動量ｄに依存しないため、容易に構成することができる。

本発明に係る光リング共振器またはその光結合部は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板上に配設したＳｉＯ_２から成る犠牲層と、犠牲層上に配設したＳｉ層とで構成されるＳＯＩ基板に形成されていてもよい。また、コアが上層のＳｉ層から成り、クラッドが空気から成ることが好ましい。移動手段は、環状導波路の一部を移動可能であればいかなるものから成っていてもよく、例えば、静電マイクロアクチュエータから成っている。また、移動手段は、環状導波路の環状部の長さを、１台で変更しても複数台で変更してもよい。

本発明に係る光リング共振器は、前記環状導波路と前記線状導波路とを光学的に結合したり切断したりするよう、前記環状導波路と前記線状導波路との間隔を変更可能に設けられた分岐制御手段を有していてもよい。この場合、分岐制御手段により、線状導波路から環状導波路への信号光の入出力のスイッチ動作を行うことができる。また、分岐制御手段により、線状導波路から環状導波路に流れる信号光の割合を表す分岐比を制御することもできる。分岐制御手段は、線状導波路の全体または一部を移動可能であればいかなるものから成っていてもよく、例えば、静電マイクロアクチュエータから成っている。

本発明に係る波長選択スイッチは、本発明に係る光リング共振器を複数有し、各光リング共振器の前記線状導波路を直列に接続して成ることを特徴とする。特に、本発明に係る波長選択スイッチは、分岐制御手段を有する本発明に係る光リング共振器を複数有していることが好ましい。

本発明に係る波長選択スイッチは、本発明に係る光リング共振器が特定の波長に共振して帯域の狭いノッチフィルタとして動作するため、これを複数接続することにより、容易に構成することができる。各光リング共振器による共振波長が環状導波路の周長で決まるため、その周長を直接あるいは等価的に変えることにより、各光リング共振器の選択波長を変えることができる。分岐制御手段を有する場合には、分岐制御手段により、線状導波路から環状導波路を切り離した状態で共振周波数を変えることができ、線状導波路を通る波長多重信号を乱さない。また、分岐制御手段により、線状導波路から環状導波路に流れる信号光の分岐比を変えて、線状導波路と環状導波路との結合を臨界結合状態が得られるように調節することができ、高い消光比を得ることができる。

本発明によれば、広い波長帯域において、選択される共振波長を変更可能であるとともに、その波長変更に伴う損失を小さくすることができる、波長選択性に優れた光リング共振器および波長選択スイッチを提供することができる。

本発明に係る光リング共振器の原理を説明するための（ａ）２つのＵ字型導波路と、２つの光結合部とを有する構成を示す平面図、（ｂ）一方のＵ字型の導波路を変位ｄだけ動かしたときの平面図である。 本発明に係る光リング共振器の原理に基づいて計算された（ａ）光結合部の結合係数の波長依存性、（ｂ）結合長と初期のリング周長との関係を示すグラフである。 共振波長をシフトさせたときの（ａ）本発明に係る光リング共振器の原理に基づいて計算された透過率、（ｂ）従来の結合長が一定の光リング共振器について計算された透過率を示すグラフである。 本発明の実施の形態の光リング共振器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態の光リング共振器の（ａ）全体を示す顕微鏡写真、（ｂ）環状導波路を拡大した顕微鏡写真である。 図５に示す光リング共振器の、透過光強度の測定結果を示すグラフである。 図５に示す光リング共振器の、移動手段の変位に対する共振波長シフトを示すグラフである。 本発明の実施の形態の光リング共振器の、分岐制御手段を有する変型例を示す顕微鏡写真である。 図８に示す光リング共振器の、（ａ）分岐制御手段への電圧を変えたときの、透過光強度の測定結果、（ｂ）環状導波路と線状導波路との間隙に対する、透過光強度の変化を示すグラフである。 （ａ）本発明の実施の形態の波長選択スイッチを示す平面図、（ｂ）本発明の実施の形態の波長選択スイッチを用いた、３信号波に対する波長選択フィルタの構成例を示す平面図である。 従来の、静電マイクロアクチュエータを利用した周長可変のマイクロリング共振器を示す（ａ）斜視図、（ｂ）平面図である（非特許文献６から引用）。

［本発明の実施の形態の光リング共振器］
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図４乃至図９は、本発明の実施の形態の光リング共振器を示している。
図４に示すように、光リング共振器１０は、線状導波路１１と環状導波路１２と移動手段１３とを有している。

線状導波路１１（Ｂｕｓｌｉｎｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）は、線状に真っ直ぐ伸びるよう配置され、一端（Ｉｎｐｕｔ ｐｏｒｔ）１１ａから信号光が入力され、他端（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｒｔ）１１ｂから出力されるよう構成されている。

環状導波路１２は、概ねＵ字型に形成された２つのＵ字型導波路１２ａ，１２ｂを有している。一方のＵ字型導波路１２ａは、両端部の先端が外側に向かって伸びている。他方のＵ字型導波路１２ｂは、一方のＵ字型導波路１２ａよりも両端部の間隔が小さく形成され、両端部の先端が内側に曲げられている。環状導波路１２は、各Ｕ字型導波路１２ａ，１２ｂで環状部を形成するよう、他方のＵ字型導波路１２ｂを一方のＵ字型導波路１２ａの内側に配置して、各Ｕ字型導波路１２ａ，１２ｂが互いに向かい合うよう設けられている。また、環状導波路１２は、各Ｕ字型導波路１２ａ，１２ｂの端部同士が、所定の間隔をあけて互いに平行に近接して配置されている。

環状導波路１２は、各Ｕ字型導波路１２ａ，１２ｂの互いに近接して配置された環状部の２箇所に、光結合部１２ｃを有している。環状導波路１２は、各光結合部１２ｃでの全ての導波路が平行を成している。各光結合部１２ｃは、各Ｕ字型導波路１２ａ，１２ｂの端部が直接接続されず、光学的に結合可能に近接して配置されており、方向性結合器（カプラー）になっている。

環状導波路１２は、一方のＵ字型導波路１２ａの中央付近で、線状導波路１１と光学的に結合可能に、線状導波路１１に近接して配置されている。なお、環状導波路１２は、一方のＵ字型導波路１２ａの内、各光結合部１２ｃに挟まれた環状部を構成する部分が第１環状構成部を成し、他方のＵ字型導波路１２ｂの内、各光結合部１２ｃに挟まれた環状部を構成する部分が第２環状構成部を成している。

移動手段１３は、静電マイクロアクチュエータから成り、他方のＵ字型導波路１２ｂの中央付近の外側に配置され、他方のＵ字型導波路１２ｂを移動可能に構成されている。移動手段１３は、各光結合部１２ｃでの一方の導波路が他方の導波路に対して長さ方向に沿って相対的に平行移動するよう、他方のＵ字型導波路１２ｂを移動させるよう構成されている。これにより、移動手段１３は、環状導波路１２の環状部の長さと各光結合部１２ｃでの結合長とを同時に変更可能になっている。

各光結合部１２ｃは、移動手段１３により他方のＵ字型導波路１２ｂを移動させたとき、その移動量をｄ、移動前の環状導波路１２の環状部の長さおよび共振波長をそれぞれＬ_Ｒおよびλ_０とすると、移動前の結合係数χおよび前記結合長Ｌ_Ｃが、（５）式または（７）式の関係を満たすよう設けられている。

次に、作用について説明する。
光リング共振器１０は、（５）式または（７）式に従ってＬ_Ｃの値が設計されているため、光結合部１２ｃの波長依存損失を受けることなく共振波長を変えることができる。すなわち、波長の増加とともに結合係数が増加するが、これを補償するよう光結合部１２ｃの結合長が減少し、最大結合条件がほぼ維持されるようになっている。このため、光リング共振器１０は、広い波長帯域において、選択される共振波長を変更可能であるとともに、その波長変更に伴う損失を小さくすることができ、優れた波長選択性を有することができる。

なお、光リング共振器１０は、環状導波路１２と線状導波路１１とを光学的に結合したり切断したりするよう、環状導波路１２と線状導波路１１との間隔を変更可能に設けられた分岐制御手段を有していてもよい。分岐制御手段は、静電マイクロアクチュエータから成り、線状導波路１１に対して環状導波路１２とは反対側に配置されている。また、分岐制御手段は、環状導波路１２に近接した線状導波路１１の一部を、その伸長方向に対して垂直方向に移動可能になっている。この場合、分岐制御手段により、線状導波路１１から環状導波路１２への信号光の入出力のスイッチ動作を行うことができる。また、分岐制御手段により、線状導波路１１から環状導波路１２に流れる信号光の割合を表す分岐比を制御することもできる。

また、光リング共振器１０は、環状導波路１２の環状部の長さを変更することによる各光結合部１２ｃでの結合割合の低下を抑制可能であれば、（５）式または（７）式の関係を満たしていなくてもよい。この場合、例えば、（５）式または（７）式の関係からある程度ずれてはいても、環状導波路１２の環状部の長さを長くしたとき、各光結合部１２ｃでの結合長を短くし、環状導波路１２の環状部の長さを短くしたとき、各光結合部１２ｃでの結合長を長くするよう構成することにより、環状導波路１２の環状部の長さを変更することによる各光結合部１２ｃでの結合割合の低下を抑制することができる。この場合にも、波長変更に伴う損失を小さくすることができ、優れた波長選択性を有することができる。

［光リング共振器１０の製作］
光リング共振器１０を製作する前に設計を行った。２０ｎｍ程度の広い自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する光リング共振器１０を、１．５５μｍの波長において設計した。ｄχ／ｄλの値は、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションにより求め、Ｇ_０が１２０ｎｍにおいて、０．６３ｒａｄμｍ^−２である。Ｇ_０が１２０ｎｍ、λ_０が１．５５μｍにおいて、Ｌ_Ｒの値が１９μｍのとき、（７）式から、最適のＬ_Ｃの値は、３．９μｍとなる。

導波路は３２０ｎｍ幅、２６０ｎｍの高さとした。可動する他方のＵ字型導波路１２ｂは、自立の導波路を補強するために光絶縁構造で終端させ、移動手段１３と接続するために楕円ブリッジにより支持する。各Ｕ字型導波路１２ａ，１２ｂの半径は、それぞれ１．８５μｍと１．４１μｍとした。線状導波路１１と環状導波路１２との間隙は、１２０ｎｍとした。移動手段１３のアクチュエータは、引張型で、３０櫛歯対により構成され、各櫛歯の長さを１．７３μｍ、幅を２００ｎｍとした。梁のばねは、幅２００ｎｍで長さ１５μｍである。全体のばね定数は、０．２３Ｎ／ｍで、移動手段１３の質量は、２．３×１０^−１３ｋｇである。質量とばねによる機械共振周波数は、１５８ｋＨｚ程度と計算される。

以上の設計に基づいて、光リング共振器１０の製作を行った。製作にはＳＯＩウエハを用い、上層のシリコンの厚みが２６０ｎｍ、埋め込み酸化膜の厚みが２μｍ、シリコン基板の厚みが６２５μｍである。まず、３５０ｎｍ厚さのポジレジスト（ＺＥＯＮ社製「ＺＥＲ５２０Ａ」）をＳＯＩウエハの上にスピンコートし、電子線描画装置（ＪＥＯＬ社製「ＪＢＸ−５０００ＬＳ」）により露光した。レジストを現像後、上層シリコンを高速原子線（Ｅｂａｒａ社製「ＦＡＢ−６０ＭＬ」）によりエッチングした。環状導波路１２および線状導波路１１の表面は、水素アニール装置により滑らかにした。部分的にダイシングした後、線状導波路１１に端面を製作するため、ＳＯＩウエハを劈開した。

こうして製作された光リング共振器１０を、図５に示す。製作された光リング共振器１０では、線状導波路１１および環状導波路１２のコアがＳｉ層から成り、クラッドが空気から成っている。図５では、電子線の帯電のため、移動手段１３のアクチュエータは最大変位で移動している。また、図５に示すように、環状導波路１２、線状導波路１１および移動手段１３のアクチュエータにおいて、２μｍ厚さの埋め込み酸化膜は完全に取り除かれている。図５から推定すると、環状導波路１２および線状導波路１１の表面粗さは、１ｎｍ程度である。また、環状導波路１２および線状導波路１１は、設計値より１０％ほど狭くなっている。

［光リング共振器１０の波長可変特性］
図５に示す光リング共振器１０を用いて、各波長に対して、線状導波路１１の他端のスルーポート（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｐｏｒｔ）からの光強度の測定を行った。その結果を、図６に示す。なお、スルーポートからの出力信号は、波長可変レーザ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製「８１６８２Ａ」）と、レンズ付単一モードファイバーとを用いて測定した。また、レンズ付ファイバーを用いて、入出力ポートと結合した。

図６に示すように、波長に対して、周期的な透過率の凹みが観測されている。測定されたＦＳＲは２１ｎｍであり、２０ｎｍの設計値とほぼ一致している。ＦＳＲから計算したグループ屈折率は、５．８６である。透過率の凹みの半値全幅は、共振周波数１．５４７μｍにおいて、０．８９ｎｍである。したがって、Ｑ値は、１７００と評価できる。共振の凹みの深さは、−８ｄＢである。環状導波路１２の一周の損失は、光リング共振器１０の透過率を用いて、−０．６ｄＢ程度と推定された。１０Ｖの電圧を移動手段１３のアクチュエータに印加したとき、共振の凹みは、長い波長の方へ８ｎｍシフトしている。また、共振波長がシフトしても、凹みの深さは変化していない。このことから、光リング共振器１０は、共振波長の変更に伴う損失を小さくすることができ、優れた波長選択性を有するといえる。

次に、移動手段１３のアクチュエータの変位させたときの、共振波長シフト量の変化の測定を行った。その結果を、図７に示す。なお、移動手段１３のアクチュエータの変位と電圧との関係は、高倍率の光学顕微鏡システムにより校正した。図７に示すように、共振波長シフトは、およそ３００ｎｍの変位において２７ｎｍである。この結果から、共振波長のシフトは、約１ｎｍ／Ｖ程度となる。このため、光リング共振器１０は、全ＦＳＲを走査するために２０Ｖの電圧で十分であり、消費電力が小さい。

［分岐制御手段の特性］
図５の光リング共振器１０と同様にして、分岐制御手段２１を有する光リング共振器１０を製作した。製作した光リング共振器１０を、図８に示す。環状導波路１２および線状導波路１１は、幅３２０ｎｍ、高さ３４０ｎｍである。また、全体の大きさは、約１００μｍ角程度である。分岐制御手段２１のアクチュエータは、引張型で、結合の高い状態から、線状導波路１１を引き離すようになっている。初期条件では、環状導波路１２と線状導波路１１との間隙は３８０ｎｍで、少し過結合の結合状態である。

図８に示す光リング共振器１０を用いて、分岐制御手段２１のスイッチ機能を調べた。分岐制御手段２１のアクチュエータへの電圧を増加させることにより、線状導波路１１を環状導波路１２から引き離し、線状導波路１１と環状導波路１２との結合を変化させた。図９（ａ）に、印加電圧を変えたときの、波長に対する線状導波路１１のスルーポートでの光強度（透過光強度）の変化を示す。図９（ａ）に示すように、２Ｖで最も深い凹みが得られている。さらに電圧を増加するに従って、凹みの深さは徐々に小さくなり、電圧が２２Ｖのとき凹みは認められなかった。このことから、電圧が２２Ｖのとき、線状導波路１１は環状導波路１２から完全に切り離されていることがわかる。

図９（ｂ）に、波長が１４７８．２４ｎｍのときの、環状導波路１２と線状導波路１１との間隙に対する、線状導波路１１のスルーポートでの光強度（透過光強度）の変化を示す。図９（ｂ）に示すように、臨界結合は、３８３ｎｍで得られている。また、臨界結合状態から間隙を増加させると、結合は指数関数的に減少する。間隙が６００ｎｍのとき、出力強度が一定（ほぼ０ｄＢ）になり、結合が切り離されていることがわかる。このように、分岐制御手段２１のアクチュエータにより、線状導波路１１の結合を、臨界結合条件からスイッチオフ状態まで変化可能であることが確認された。

［本発明の実施の形態の波長選択スイッチ］
図１０は、本発明の実施の形態の波長選択スイッチを示している。
図１０に示すように、波長選択スイッチ３０は、複数の光リング共振器１０と出力用光導波路３１とを有している。

複数の光リング共振器１０は、分岐制御手段２１を有し、それぞれの線状導波路１１を直列に接続して成っている。
出力用光導波路３１は、各光リング共振器１０に対応して複数設けられている。各出力用光導波路３１は、一端にドロップポート（Ｄｒｏｐ ｐｏｒｔ）３１ａ、他端にアドポート（Ａｄｄ ｐｏｒｔ）３１ｂを有している。各出力用光導波路３１は、対応する光リング共振器１０の一方のＵ字型導波路１２ａと光学的に結合可能に、一方のＵ字型導波路１２ａに近接して配置されている。

次に、作用について説明する。
波長選択スイッチ３０は、光リング共振器１０が特定の波長に共振して帯域の狭いノッチフィルタとして動作するため、これを複数接続することにより、容易に構成される。各光リング共振器１０による共振波長が環状導波路１２の周長で決まるため、その周長を直接あるいは等価的に変えることにより、各光リング共振器１０の選択波長を変えることができる。分岐制御手段２１を有する場合には、分岐制御手段２１により、線状導波路１１から環状導波路１２を切り離した状態で共振周波数を変えることができ、線状導波路１１を通る波長多重信号を乱さない。また、分岐制御手段２１により、線状導波路１１から環状導波路１２に流れる信号光の分岐比を変えて、線状導波路１１と環状導波路１２との結合を臨界結合状態が得られるように調節することができ、高い消光比を得ることができる。

図１０（ｂ）に、３信号波に対して，波長選択フィルタを構成した一例を示す。ここで、異なる波長の信号波が、同時に線状導波路１１を伝搬しているとする。各光リング共振器１０の共振波長を、左から順に、λ_１、λ_２、λ_３に合わせてあるとき、それぞれの信号がそれぞれのポートに出力される。それぞれのポートに出力する波長を変えるためには、線状導波路１１をそれぞれの光リング共振器１０から切り離し、各光リング共振器１０の共振波長を新しい波長に調整する。各光リング共振器１０の波長を調整した後、線状導波路１１を再び光リング共振器１０に光結合することにより、調整した波長の信号をそれぞれのポートに出力することができる。このように、図１０（ｂ）に示すような比較的単純な構成により、任意の波長の信号波を、任意のドロップポート３１ａにスイッチすることができる。

１０ 光リング共振器
１１ 線状導波路
１２ 環状導波路
１２ａ，１２ｂ Ｕ字型導波路
１２ｃ 光結合部
１３ 移動手段
２１ 分岐制御手段

３０ 波長選択スイッチ
３１ 出力用光導波路
３１ａ ドロップポート
３１ｂ アドポート

Claims (7)

1. 一端から信号光が入力され、他端から出力される線状導波路と、
   前記線状導波路と光学的に結合可能に、前記線状導波路と近接して配置された環状導波路と、
   移動手段とを有し、
   前記環状導波路は、環状部の１箇所または複数箇所に、導波路が直接接続されず、上流側および下流側の導波路が光学的に結合可能に近接して配置された光結合部を有し、
   前記移動手段は、前記環状導波路の前記環状部の長さと、前記光結合部での結合長とを変更可能に、前記環状導波路の一部を移動させるよう設けられていることを
   特徴とする光リング共振器。
2. 前記環状導波路の前記環状部の長さを変更することによる前記光結合部での結合割合の低下を抑制可能に、前記環状導波路の前記環状部の長さを長くしたとき、前記光結合部での前記結合長を短くし、前記環状導波路の前記環状部の長さを短くしたとき、前記光結合部での前記結合長を長くするよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の光リング共振器。
3. 前記光結合部は、前記移動手段により前記環状導波路の一部を移動させたとき、その移動量をｄ、移動前の前記環状導波路の前記環状部の長さおよび共振波長をそれぞれＬ_Ｒおよびλ_０とすると、移動前の結合係数χおよび前記結合長Ｌ_Ｃが
   の関係を満たすよう設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光リング共振器。
4. 前記光結合部は、前記移動手段により前記環状導波路の一部を移動させたとき、移動前の前記環状導波路の前記環状部の長さおよび共振波長をそれぞれＬ_Ｒおよびλ_０とすると、移動前の結合係数χおよび前記結合長Ｌ_Ｃが
   の関係を満たすよう設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の光リング共振器。
5. 前記光結合部は２つから成り、各光結合部の前記導波路全てが平行を成すよう配置されており、
   前記環状導波路は、各光結合部に挟まれた前記環状部の一方の側から成る第１環状構成部と、各光結合部に挟まれた前記環状部の他方の側から成る第２環状構成部とを有し、
   前記移動手段は、前記環状導波路の前記環状部の長さと各光結合部での前記結合長とを同時に変更可能に、各光結合部の一方の導波路が他方の導波路に対して長さ方向に沿って相対的に平行移動するよう、前記第１環状構成部または前記第２環状構成部の少なくともいずれか一方を移動させるよう構成されていることを
   特徴とする請求項１乃至4のいずれか１項に記載の光リング共振器。
6. 前記環状導波路と前記線状導波路とを光学的に結合したり切断したりするよう、前記環状導波路と前記線状導波路との間隔を変更可能に設けられた分岐制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光リング共振器。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光リング共振器を複数有し、各光リング共振器の前記線状導波路を直列に接続して成ることを特徴とする波長選択スイッチ。