CN113474704A - 环形谐振器滤波器元件 - Google Patents
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Abstract
环形谐振器滤波器元件由具有芯材和包层的石英系平面光波回路构成，所述芯材构成两个环形谐振器滤波器，所述两个环形谐振器滤波器分别构成具有两个臂部、环状部、以及将所述两个臂部和所述环状部光学耦合的两个光合分波部的环形谐振器滤波器，两个所述环状部相互交叉。
Description
技术领域
本发明涉及环形谐振器滤波器元件。
背景技术
作为用于检测从半导体激光元件输出的激光的波长的元件，公开了使用具备相对于波长具有大致周期性的透过特性的两个滤光器的元件(也称为波长锁定器元件)的技术(专利文献1)。两个滤光器被设定为透过特性在一个周期的1/3～1/5的范围内相位相互不同。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-165384号公报
发明内容
发明要解决的课题
下一代的ITLA(Integrated Tunable Laser Assembly，集成可调谐激光组件)强烈要求外壳的小型化。在这种情况下，在使用标准具滤波器的波长锁定器元件的结构中，外壳的小型化存在极限。因此，利用波导路型元件的波长锁定器值得期待。其中，传播损耗小的高相对折射率差(Δ)型的石英系平面光波回路(Planar Lightwave Circuit：PLC)元件对于针对波长锁定器元件的各种要求，认为是最佳的部件。在使用PLC元件的波长锁定器元件中，作为两个滤光器，已知有采用环形谐振器的结构。以下，有时将采用了环形谐振器的波长锁定器元件记载为环形谐振器滤波器元件。
如上所述，在波长锁定器元件中，两个滤光器被设定为透过特性相互相位不同，即具有相位差。该相位差是在波长锁定器元件的性能上应该精密地调整的重要的参数，优选相对于设计的误差(例如制造误差)尽可能小。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种小型且能够减小距相位差的设计的误差的环形谐振器滤波器元件。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题并达成目的，本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于由具有芯材和包层的石英系平面光波回路构成，所述芯材构成两个环形谐振器滤波器，所述两个环形谐振器滤波器分别具有两个臂部、环状部、以及将所述两个臂部和所述环状部光学耦合的两个光合分波部，两个所述环状部相互交叉。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部具有大致正交的部位。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部分别形成为8字状。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部在两个部位大致正交。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环形谐振器滤波器当中一个环形谐振器滤波器所具有的所述两个光合分波部位于所述两个环形谐振器滤波器当中的另一个环形谐振器滤波器的外侧，所述另一个环形谐振器滤波器所具有的所述两个光合分波部位于所述一个环形谐振器滤波器的外侧。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部被配置为相互大致平行。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部分别形成为圆角长方形状。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部被配置为沿着纵长方向的长轴彼此相互大致平行。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述两个环状部的直线部分彼此交叉。
本发明的一个方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的特征在于，所述芯材相对于所述包层的相对折射率差为2.5％以上。
发明效果
根据本发明，起到能够实现小型且能够减小距相位差的设计的误差的环形谐振器滤波器元件的效果。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。
图2是实施方式2所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。
图3是实施方式3所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。
图4是比较方式所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。
图5是说明波长锁定器元件的设计的图。
图6是表示芯材的厚度的分布的一例的图。
图7是表示相位差的误差的分布的一例的图。
图8是表示实施方式1与比较方式中的相位差的误差的差异的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。另外，本发明并不限定于该实施方式。此外，在附图的记载中，对相同或者对应的要素适当标注相同的附图标记。此外，附图是示意性的，需要注意各要素的尺寸的关系、各要素的比率等有时与现实不同。在附图的相互之间，有时也包含相互的尺寸的关系、比率不同的部分。
(实施方式1)
图1是实施方式1所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。该环形谐振器滤波器元件100由具有由芯材构成的环形谐振器滤波器110、120和包层101的PLC构成。
包层101包围芯材，例如形成于硅基板、玻璃基板上。包层101由石英系玻璃材料构成。
芯材有具有比包层101的折射率高的折射率的石英系玻璃材料构成。作为这样的折射率高的石英系玻璃材料，例如能够使用含有作为提高折射率的掺杂剂的锗(GeO2)、氧化锆(ZrO2)的石英玻璃。特别是，如果是包含氧化锆的石英玻璃即所谓的SiO2-ZrO2系材料，则能够将芯材相对于包层101的相对折射率提高到例如2.5％以上，因此，在使环形谐振器滤波器元件100小型化的情况下是优选的。
环形谐振器滤波器110具有两个臂部111、112、环状部113、以及将臂部111、112与环状部113光学地耦合的两个光合分波部114、115。在本实施方式中，臂部111、112为直线状，环状部113为由两个圆弧部和两个直线部形成的圆角长方形状，但形状并不限定于此，环状部113例如也可以是圆形状、椭圆形状。此外，长圆形状是圆角长方形状的一例。圆角长方形也有在圆弧部中包含两个圆弧和在该两个圆弧之间沿短边方向延伸的线段的情况。
臂部111、112使其一端在包层101的一个端面102露出，另一端分别与光合分波部114、115连接。
光合分波部114、115是输入侧为2端口、输出侧为2端口的2×2型，为方向性耦合型、多模光干涉(MMI)型，但在本实施方式中设为MMI型。
臂部111、112和环状部113根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以单模传播使用波长(例如1.55μm带)的光。光合分波部114、115根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以多模传播使用波长(例如1.55μm带)的光，且分支比成为40∶60。具体而言，光合分波部114设定分支比，使得在臂部111传播来的使用波长的光的60％与环状部113耦合。此外，光合分波部115设定分支比，使得在环状部113传播来的使用波长的光的60％与臂部112耦合。此外，光合分波部114、115也可以成为(相对于光的传播方向宽度方向的)侧面部拓扑优化的构造。
环形谐振器滤波器120具有两个臂部121、122、环状部123以及将臂部121、122与环状部123光学耦合的两个光合分波部124、125。在本实施方式中，臂部121、122为直线状，环状部123为由两个圆弧部和两个直线部形成的圆角长方形状，但形状并不限定于此，环状部123例如也可以是圆形状、椭圆形状。
臂部121、122使其一端在包层101的一个端面102露出，另一端分别与光合分波部124、125连接。
光合分波部124、125是输入侧为2端口、输出侧为2端口的2×2型，为方向性耦合型、MMI型，但在本实施方式中设为MMI型。
臂部121、122和环状部123根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以单模传播使用波长的光。光合分波部124、125根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以多模传播使用波长的光且分支比成为40∶60。
环形谐振器滤波器110、120被配置为使得沿着环状部113的纵长方向的长轴(中心线)与沿着环状部123的纵长方向的长轴(中心线)大致平行。环形谐振器滤波器110、120均相对于光的波长具有周期性的透过特性。另外，环形谐振器滤波器110、120严格来说相对于光的频率具有周期性的透过特性，但相对于波长也是大致周期性的，因此以下有时记载为相对于光的波长具有周期性的透过特性。
环形谐振器滤波器110、120将透过特性设定为周期大致相同，在一个周期的1/3～1/5的范围内相位相互不同。因此，环形谐振器滤波器110在从臂部111输入某个使用波长的光L11时，以该波长下的透过率透过，从臂部112输出光L12。环形谐振器滤波器120在从臂部121输入与光L11相同波长的光L21时，以该波长下的透过率透过，从臂部122输出光L22。
在此，环形谐振器滤波器110、120各自的两个环状部113、123在交叉部位C1、C2相互交叉。此外，环状部123与臂部112在交叉部位C3相互交叉。这样，通过环形谐振器滤波器110、120的两个环状部113、123相互交叉，能够实现小型且距相位差的设计的误差小的环形谐振器滤波器元件100。
以下，具体地进行说明。为了说明环形谐振器滤波器元件100的效果，作为比较方式，进行与作为图4所示的比较方式的环形谐振器滤波器元件1000的比较。环形谐振器滤波器元件1000由具有由芯材构成的环形谐振器滤波器110、1200和包层1001的PLC构成。包层1001具有与图1的包层101相同的结构。环形谐振器滤波器1200将图1的环形谐振器滤波器120的臂部121、122分别置换为臂部1210、1220。臂部1210、1220分别延伸臂部121、122的长度，其一端在包层1001的一个端面1002露出，另一端分别与光合分波部124、125连接。环形谐振器滤波器110、1200被设定为环状部113与123不交叉的长度、位置。
对使用环形谐振器滤波器元件100、1000作为波长锁定器元件的情况进行说明。图5是说明波长锁定器元件的设计的图。图5表示作为波长锁定器元件的环形谐振器滤波器元件100的透过率的光谱。实线L1表示环形谐振器滤波器110的透过率光谱，虚线L2表示环形谐振器滤波器120的透过率光谱。两个透过率光谱的周期大致相同，具有相位差D。在图5中，相位差D为一个周期(FSR)的1/3，其单位为波长或者频率。在将该环形谐振器滤波器元件100作为波长锁定器元件使用的情况下，使用在该波长下相对于透过率光谱的波长(或者频率)的倾斜大的环形谐振器滤波器，来检测波长。例如，在波长λ1至波长λ2之间、波长λ3至波长λ4之间、波长λ5至波长λ6之间、波长λ7至波长λ8之间的波长中，如标注斜线的圆以及四边形所示，使用实线L1即环形谐振器滤波器110的透过率光谱。此外，在波长λ2至波长λ3之间、波长λ4至波长λ5之间、波长λ6至波长λ7之间的波长中，如白色圆圈以及四边形所示，使用虚线L2即环形谐振器滤波器120的透过率光谱。即，由于根据波长来决定将环形谐振器滤波器110、120中的哪一个用于波长的检测，因此相位差D成为为了提高波长检测的精度而重要的设计事项。
在此，环形谐振器滤波器元件100、1000在硅、玻璃的晶片上通过公知的火焰沉积(Flame Hydrolysis Deposition(火焰水解沉积)：FHD)法、加热工序、光刻技术、蚀刻等制作。根据本发明的发明者们等发现，在所制作的芯材的尺寸中会由于晶片上的位置产生误差，从而存在相位差成为与设计不同的值的情况。
例如，图6是表示基于晶片的位置的芯材的厚度的分布的一例的图。如图6所示，有时随着晶片的位置从中央朝向外周侧，芯材的厚度变得比设计小。图7是表示具有图6那样的分布的情况下的相位差的误差的分布的一例的图。如图7所示，确认了在相对于位置的厚度的变化大的地方相位差的误差也大。
为了解决该问题，本发明的发明者们等想到了使环形谐振器滤波器110、120的两个环状部113、123相互交叉的结构。图8是表示实施方式1与比较方式中的相位差的差异的示意图。线L3表示环形谐振器滤波器元件100、1000的环形谐振器滤波器110的中心位置，线L4表示环形谐振器滤波器元件100的环形谐振器滤波器120的中心位置，线L5表示环形谐振器滤波器元件1000的环形谐振器滤波器1200的中心位置。如图8所示，在相位差的误差相对于位置而倾斜的情况下，在比较方式的环形谐振器滤波器元件1000中，由于环形谐振器滤波器110、1200的距离较远，因此相位差的误差大到相位差D2，但在实施方式1的环形谐振器滤波器元件100中，环形谐振器滤波器110、120交叉而距离近，因此相位差的误差小到相位差D1。此外，在环形谐振器滤波器元件100中，环形谐振器滤波器110、120的距离近，因此是小型的。
这样，在实施方式1所涉及的环形谐振器滤波器元件100中，能够小型且减小距相位差的设计的误差。
另外，在环形谐振器滤波器元件100中，两个环状部113、123大致正交。此外，环状部123和臂部112也大致正交。这样，由于在交叉部位C1、C2、C3中芯材大致正交，因此能够使交叉损耗为最小限度。例如，在芯材相对于包层的相对折射率差为5％的情况下，芯材正交交叉时的交叉损耗能够为0.1dB以下。在此，大致正交是指两个芯材的交叉的角度不限于90度的方式，包含从90度偏移了规定的角度的方式。两个芯材的交叉角度优选为80度～100度，更优选为90度。此外，曲线状的波导路与直线状的波导路大致正交意味着曲线状的波导路的切线与直线状的波导路大致正交。曲线状的波导路与曲线状的波导路大致正交意味着曲线状的波导路的切线彼此大致正交。
作为本发明的实施例以及比较例，制作与实施方式1所涉及的环形谐振器滤波器元件100以及比较方式所涉及的环形谐振器滤波器元件1000分别相同的结构的环形谐振器滤波器元件。对于实施例、比较例中的任一个，都在晶片上形成多个元件，沿着穿过晶片的中心的直径方向取得22个元件作为样品。其结果，实施例的尺寸在俯视下为1.0mm×1.5mm，能够将其面积小型化到比较例的40％。此外，实施例中的相位差的误差在10GHz以内，能够在比较例的50％以下。
(实施方式2)
图2是实施方式2所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。该环形谐振器滤波器元件100A具有在图1所示的环形谐振器滤波器元件100的结构中变更了环形谐振器滤波器120的配置的结构。
具体而言，环形谐振器滤波器120被配置为臂部121、122的一端在包层101的一个端面103露出。另外，端面103是与端面102正交的端面。即，环形谐振器滤波器110、120被配置为沿着环状部113的纵长方向的长轴(中心线)与沿着环状部123的纵长方向的长轴(中心线)大致正交。
在此，环形谐振器滤波器110、120各自的两个环状部113、123在交叉部位C4、C5、C6、C7相互交叉。此外，环状部113与臂部121在交叉部位C8相互交叉。此外，环状部123与臂部112在交叉部位C9相互交叉。此外，环状部113与臂部122在交叉部位C10相互交叉。此外，环状部123与臂部111在交叉部位C11相互交叉。此外，臂部111与臂部122在交叉部位C12相互交叉。这样，通过环形谐振器滤波器110、120的两个环状部113、123相互交叉，能够实现小型且距相位差的设计的误差小的环形谐振器滤波器元件100。
此外，在环形谐振器滤波器元件100A中，环形谐振器滤波器110、120被配置为环状部113的长轴与环状部123的长轴大致正交，因此俯视的形状接近正方形，处理性变得良好，并且更适于小型化。此外，由于芯材在交叉部位C4～C12大致正交，因此能够将交叉损耗设为最小限度。
(实施方式3)
图3是实施方式3所涉及的环形谐振器滤波器元件的示意图。该环形谐振器滤波器元件100B由具有由芯材构成的环形谐振器滤波器130、140和包层101的PLC构成。
环形谐振器滤波器130具有两个臂部131、132、环状部133、以及将臂部131、132与环状部133光学耦合的两个光合分波部134、135。在本实施方式中，臂部131、132为曲线状，环状部133为在交叉部位C13交叉的8字状。
臂部131、132使其一端分别在包层10的相同的端面103露出，另一端分别与光合分波部134、135连接。
光合分波部134、135是2×2型，是方向性耦合型、MMI型，但在本实施方式中设为MMI型。
臂部131、132和环状部133根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以单模传播使用波长的光。光合分波部134、135根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以多模传播使用波长的光且分支比成为40∶60。
环形谐振器滤波器140具有两个臂部141、142、环状部143、以及将臂部141、142与环状部143光学耦合的两个光合分波部144、145。在本实施方式中，臂部141、142为曲线状，环状部143为在交叉部位C14交叉的8字状。
臂部141、142使其一端分别在包层101的相同的端面104露出，另一端分别与光合分波部144、145连接。
光合分波部144、145是输入侧为2端口、输出侧为2端口的2×2型，为方向性耦合型、MMI型，但在本实施方式中设为MMI型。
臂部141、142和环状部143根据相对于包层101的相对折射率差，来设定其截面的尺寸，以使得以单模传播使用波长的光。光合分波部144、145根据相对于包层101的相对折射率差来设定其截面的尺寸，以使得以多模传播使用波长的光且分支比成为40：60。
环形谐振器滤波器130、140被配置为环状部133、143相互大致平行。在此，环状部133、143相互大致平行是指环状部133、143的对应(对置)两点间的距离大致恒定。
环形谐振器滤波器130、140均相对于光的波长具有周期性的透过特性。环形谐振器滤波器130、140的透过特性设定为周期大致相同，在一个周期的1/3～1/5的范围内相位相互不同。因此，环形谐振器滤波器130当从臂部131输入某一使用波长的光L31时，以该波长下的透过率透过，从臂部132输出光L32。环形谐振器滤波器140在从臂部141输入与光L41相同波长的光L41时，以该波长下的透过率透过，从臂部142输出光L42。
环形谐振器滤波器130、140各自的两个环状部133、143在交叉部位C15、C16相互交叉。这样，通过环形谐振器滤波器130、140的两个环状部133、143相互交叉，能够实现小型且距相位差的设计的误差小的环形谐振器滤波器元件100B。
此外，在环形谐振器滤波器元件100B中，环状部1133、143为8字形状，且相互大致平行地配置，因此更适于小型化。进而，由于将光合分波部134、135、144、145设为比交叉部位C15、C16靠外侧，因此交叉部位的数量减少。
另外，在环形谐振器滤波器元件100B中，环状部1133、143被配置为相互大致平行，但也可以配置为如实施方式2那样以环形谐振器滤波器130、140的纵长方向相互交叉或者正交。
此外，臂部131、132、141、142的各波导路的光的输入输出部设置于环形谐振器滤波器元件100B的芯片的各自不同的端部(端面)，但也可以设置于相同的端部(端面)。
此外，上述实施方式所涉及的环形谐振器滤波器元件，由于小型且距相位差的设计的误差小，因此能够提高制造成品率，并且从一个晶片得到更多的元件，因此制造性也高。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。将上述的各结构要素适当组合而构成的结构也包含在本发明中。此外，本领域技术人员能够容易地导出进一步的效果、变形例。因此，本发明的更广泛的方式并不限定于上述的实施方式，能够进行各种变更。
产业上的可利用性
本发明能够用于环形谐振器滤波器元件。
-附图标记说明-
100、100A、100B 环形谐振器滤波器元件
101 包层
102、103、104 端面
110、120、130、140 环形谐振器滤波器
111、112、121、122、131、132、141、142 臂部
113、123、133、143 环状部
114、115、124、125、134、135、144、145 光合分波部
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16 交叉部位
D、D1、D2 相位差
L1 实线
L2 虚线
L11、L12、L21、L22、L31、L32、L41、L42 光
Claims (10)
1.一种环形谐振器滤波器元件，其特征在于，
由具有芯材和包层的石英系平面光波回路构成，
所述芯材构成两个环形谐振器滤波器，
所述两个环形谐振器滤波器分别具有两个臂部、环状部以及将所述两个臂部和所述环状部光学耦合的两个光合分波部，
两个所述环状部相互交叉。
2.根据权利要求1所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部具有大致正交的部位。
3.根据权利要求1或者2所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部分别形成为8字状。
4.根据权利要求3所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部在两个部位大致正交。
5.根据权利要求3或者4所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环形谐振器滤波器当中一个环形谐振器滤波器所具有的所述两个光合分波部位于所述两个环形谐振器滤波器当中的另一个环形谐振器滤波器的外侧，
所述另一个环形谐振器滤波器所具有的所述两个光合分波部位于所述一个环形谐振器滤波器的外侧。
6.根据权利要求3～5中的任一项所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部被配置为相互大致平行。
7.根据权利要求1或者2所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部分别形成为圆角长方形状。
8.根据权利要求7所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部被配置为沿着纵长方向的长轴彼此相互大致平行。
9.根据权利要求7或者8所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述两个环状部的直线部分彼此交叉。
10.根据权利要求1～9中的任一项所述的环形谐振器滤波器元件，其中，
所述芯材相对于所述包层的相对折射率差为2.5％以上。
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