JP2003215515A

JP2003215515A - 半導体波長可変フィルタ

Info

Publication number: JP2003215515A
Application number: JP2002009482A
Authority: JP
Inventors: Shinji Matsuo; 慎治松尾; Kouta Tateno; 功太舘野; Toru Segawa; 徹瀬川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな波長領域で高消光比、低損失で波長可
変フィルタ動作をする低コストな半導体波長可変フィル
タを実現する。【解決手段】基板７上に、離間して入出力導波路２，
３を構成し、この入出力導波路２，３の間にリング共振
器４を配置し、入出力導波路２，３とリング共振器４と
の間を、光カップラー５，６により接続する。これによ
り入力ポートＰｉｎ１から入力した光が出力ポートＰ
_out２から出力される。このとき、電極４ｂを介してリ
ング共振器４に電流注入または電圧印加しリング共振器
４の導波路の屈折率を変化させると、出力ポートＰ_out
２から出力される出力波長を可変にすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長多重大容量パ
ケット通信を支えるための重要な光部品である高速波長
可変フィルタとして機能する半導体波長可変フィルタに
関する発明である。

【０００２】

【従来の技術】近年、インターネットにおける爆発的な
トラフィックの増加によりノード間を結ぶ伝送には波長
多重を用いてノード間の伝送容量を増加させている。同
時に各ノードは増加する伝送容量に対応した処理能力の
増大が期待されている。このような背景から各ノード内
の処理の光化が期待されているが、そのためには高速に
読み出し波長の切り替えが可能な高速波長可変フィルタ
の実現が必須である。

【０００３】このような中で、IEEE Photonics Technol
ogy Letters, Vol. 11, no. 2, pp.242-244, 1999. に
記載されるようにアレイ導波路グレーティング（ＡＷ
Ｇ）と半導体アンプ（ＳＯＡ）ゲートを組み合わせた構
成が提案されている。これは図１５に示されるように、
入力した波長多重信号を、前段のアレイ導波路グレーテ
ィング（ＡＷＧ）０１により波長毎に異なる半導体アン
プゲート０２ａ〜０２ｈに分岐し、半導体アンプゲート
０２ａ〜０２ｈのうちオンにしたゲートを通過した波長
のみが後段のアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）０
３に入射し出力ポートに出力するように構成している。
ここで後段にＡＷＧ０３を用いることにより異なる波長
を選んだ場合にも損失なく同一のポートに出力可能とな
っている。動作速度は光ゲートとしてＳＯＡを用いてい
るため数ｎｓと高速である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１５
に示すようにＡＷＧとＳＯＡゲートで構成した高速波長
可変フィルタでは、一つの波長を選ぶために二つのＡＷ
Ｇと、波長数分のＳＯＡゲートと、各ＳＯＡゲートを駆
動するための電気回路が必要となり高価なものとなって
いる。

【０００５】本発明はこのような背景の下になされたも
ので、より簡単な構成で任意の波長を選べる高速波長可
変フィルタとして機能する半導体波長可変フィルタを構
成することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するため、請求項１の発明にかかる半導体波長可変フ
ィルタでは、波長をフィルタリングする機能としてリン
グ共振器を用い、そのリング共振器に電流注入あるいは
電圧を印加し導波路の屈折率変化を高速に引き起こすこ
とにより簡単な構成で波長可変フィルタを構成すること
を可能としている。

【０００７】請求項２ではリング共振器のフィルタ特性
を決定する重要な要素であるリング共振器と入出力導波
路間の光強度の結合係数を任意の値に調整するためマル
チモード干渉カップラー（ＭＭＩ）にエッチングにより
溝を形成し、そのエッチング深さにより任意の光強度の
結合係数を得ることを可能としている。

【０００８】請求項３では一つの波長のみが選択できる
波長選択範囲を拡大するために複数の異なる周波数間隔
（ＦＳＲ）をもつリング共振器を直列に接続することに
より、全体としてそれぞれのＦＳＲの最小公倍数に当た
る波長域で動作することを可能としている。

【０００９】請求項４ではたとえば１０Ｇｂｉｔ／ｓ以
上の高速な光信号をフィルタリングする場合に問題とな
る透過帯域幅の拡大と隣接チャネルとのクロストークの
低減を同時に実現するために同じＦＳＲを持つ複数のリ
ング共振器を光カップラーを介して直接接続し、さらに
リング共振器間の光結合効率を調整することにより透過
波長帯域幅を広く且つ隣接するチャネルとのクロストー
クを低減することを可能としている。

【００１０】請求項５ではリング共振器にヒータを設け
無バイアス時の透過波長を素子毎にそろえることによ
り、駆動用の電気回路の設定を素子毎に微調整すること
なしに製品化することを可能にし低コスト化を実現可能
としている。

【００１１】最後に請求項６では各リング共振器の入出
力導波路に半導体光アンプを設けることにより入力光が
光カップラーやリング共振器を通過する間に損失してし
まう光強度を再生することを可能とし受信端での光強度
を補償することを可能としている。

【００１２】以上の方法により本発明では半導体波長可
変フィルタを、コンパクトかつ低コストで実現可能とな
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】＜第１の実施の形態＞本発明の請
求項１に関係する第一の実施の形態を、平面図である図
１（ａ）および図１（ａ）のＡ−Ａ断面である図１
（ｂ）に示す。図１（ａ）（ｂ）に示されるように本発
明における半導体波長可変フィルタ１は、離間しつつ平
行配置された２本の入出力導波路２，３と、この入出力
導波路２，３の間に配置されたリング共振器４と、入出
力導波路２とリング共振器４とを接続する光カップラー
５と、入出力導波路３とリング共振器４とを接続する光
カップラー６により構成される。なお、図１（ａ）にお
いて、７はＩｎＰ基板、Ｐ_in１，Ｐ_in２は入力ポート、
Ｐ_out１，Ｐ_out２は出力ポートであり、図１（ｂ）に
おいて、３ａは入出力導波路３のコア層、４ａはリング
共振器４の導波路、４ｂは電極、４ｃはコア層である。

【００１４】図２に本実施の形態で用いたエピタキシャ
ル基板７の構造を示してある。このエピタキシャル基板
７では、ｎ型ＩｎＰ基板上にｎ−doped ＩｎＰ層、ｎｏ
ｎ−doped ＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ^-−doped ＩｎＰ層、
ｐ⁺−doped ＩｎＰ層、ｐ⁺−doped ＩｎＧａＡｓ層が
積層されている。導波路部分はドライエッチングにより
３ミクロン以上のハイメサ導波路を形成している。

【００１５】図１に示されるようにリング共振器４の導
波路４ａのｐ⁺−doped ＩｎＧａＡｓ層の上にＡｕＺｎ
Ｎｉ電極４ｂが、ＩｎＰ基板の裏面にはＡｕＧｅＮｉ電
極を形成している。本実施の形態の場合は、図１（ｂ）
に示されるようにハイメサ導波路同士を０．１μｍ以内
に接近させることにより、つまり、入出力導波路３とリ
ング共振器導波路４ａを０．１μｍ以内に近接させるこ
とにより光カップラー６を形成し、同様に入出力導波路
２とリング共振器導波路４ａを０．１μｍ以内に近接さ
せることにより光カップラー５を形成している。

【００１６】図３に、入力ポートＰ_in１から光ファイバ
アンプのＡＳＥ光（amplified spontaneous emission：
増幅された自然放出光）を入射した場合の出力ポートＰ
_out２での入出力特性を示す。図３に示されるように一
定の周波数間隔（ＦＳＲ＝４００ＧＨｚ）で出力光強度
にピークを持つことがわかる。

【００１７】図４にリング共振器部分に形成した電極４
ｂより電流を注入した場合の、透過ピーク波長の変化を
示す。図４に示されるように電流を注入していくと透過
ピークが短波長側にシフトしていくことがわかる。これ
は電流注入によりリング共振器４の屈折率が小さくなる
ためである。この場合、電流注入量に対する波長変化分
は注入量が増えると次第に減少していく。このため一つ
のリング共振器では５ｎｍ程度の波長可変域が限界であ
る。

【００１８】この実施の形態の場合ではＩｎＰ系の半導
体を用いたが、本発明はこれに限定するものでなくＧａ
Ａｓ系半導体などでも当然可能である。また、波長チュ
ーニングの方法としてｐｎ接合への電流注入や逆電圧印
加だけでなく、リング共振器導波路４ａにヒータを構成
し熱により波長チューニングを行うことにより低速なス
イッチング時間ではあるが安価に素子を作製することも
可能である。この場合ｐｎ接合を形成する必要がないの
で光損失の少ない半絶縁層で全てのエピタキシャル成長
層を成長することができる。

【００１９】図５（ａ）に請求項２に関する光カップラ
ー部分の構造を示す。参考のために通常のマルチモード
カップラーの断面構造も図５（ｂ）に示す。図５（ａ）
に示すように本発明に用いる光カップラーはマルチモー
ド干渉カップラー（ＭＭＩ）を用いているが、そのＭＭ
Ｉカップラーの中央部分に光の進行方向に沿ってエッチ
ングにより溝８を形成し、その溝８の深さにより入出力
導波路３（または入出力導波路２）とリング共振器導波
路４ａ間の光強度の結合係数を任意に調整可能としてい
る。

【００２０】その様子を図６に示す。図２と同じエピタ
キシャル成長基板を用いエッチング溝８の幅を０．５ミ
クロンとした場合のエッチング溝８の深さと光結合係数
の変化を示す。図６の横軸の０はエッチングをＩｎＧａ
ＡｓＰ層直上まで行った場合である。このようにエッチ
ング深さを変化させることにより任意の値の光結合係数
を得ることが可能となる。リング共振器のフィルタ特性
は光カップラーの光強度の結合係数が小さくなると透過
ピークの半値幅は細くなりクロストークも改善される
が、導波路に損失がある場合には光カップラーの光強度
の結合係数を小さくすると損失が大きくなってしまう。
従って所望のフィルタ特性を得るためには本実施の形態
のように光カップラーの光強度の結合係数を調整可能と
することが非常に重要となる。

【００２１】＜第２の実施の形態＞図７に請求項３に関
係する第二の実施の形態を示す。図７は２つの異なるＦ
ＳＲを持つ半導体波長可変フィルタを直列に接続した構
成となっている。即ち、図７に示すように、第二の実施
の形態に係る半導体可変波長フィルタ１０は、入出力導
波路１１，１２，１３と、リング共振器１４，１５と、
光カップラー１６，１７，１８，１９により構成されて
いる。そして、第１の波長可変フィルタが、入力導波路
１１と光カップラー１６とリング共振器１４と光カップ
ラー１７と入出力導波路１２とで構成されている。また
第２の波長可変フィルタが、入出力導波路１２と光カッ
プラー１８とリング共振器１５と光カップラー１９と入
出力導波路１３とで構成されている。そして、異なるＦ
ＳＲを持つ第１の半導体波長可変フィルタと第２の半導
体波長可変フィルタが直列接続して、半導体波長可変フ
ィルタ１０が構成されている。なお、図７において、Ｐ
_inは入力ポート，Ｐ_outは出力ポートである。

【００２２】この半導体波長可変フィルタ１０の動作原
理を図８に示す。図８においては、リング共振器１４の
透過スペクトルを点線で示し、リング共振器１５の透過
スペクトルを一点鎖線で示している。最初のリング共振
器１４は４００ＧＨｚ間隔で透過スペクトルの透過率が
大きくなっており、二つ目のリング共振器１５は５００
ＧＨｚ間隔で透過スペクトルの透過率が大きくなってい
る。従ってこの二つのリング共振器１４，１５を直列接
続した場合の透過スペクトルは図８の実線で表される。

【００２３】この場合、出力光強度が最大となる透過ピ
ークの間隔はそれぞれのＦＳＲの最小公倍数である２０
００ＧＨｚとなる。そして、それぞれのリング共振器１
４，１５の屈折率を調整することにより、この２０００
ＧＨｚの間の全ての波長範囲で一つの波長を選択可能と
なる。このため、二つのリング共振器１４，１５を直列
接続したこの半導体波長可変フィルタ１０では、一つの
リング共振器型波長可変フィルタでは実現できない大き
な波長可変域を得ることが可能になることがわかる。さ
らに、リング共振器の数を増やすことにより動作波長域
を拡大できることは言うまでもない。

【００２４】図９にこの実施の形態の透過スペクトルを
示す。ＦＳＲの小さなリング共振器１４に電流（Ｉ_L)
を注入するとリング共振器１４の透過ピーク波長は電流
量に従って短波長側に動いていくが、出力光強度が大き
くなるのはもう一方のＦＳＲの大きなリング共振器１５
の透過波長に一致した時だけなので、図９に示されるよ
うに電流注入に伴う透過ピークは断続的に現れる。もち
ろん、リング共振器１５の屈折率も同時に調整すれば任
意の波長に透過ピークを設定することが可能である。こ
の半導体波長可変フィルタ１０の動作波長域は、ひとつ
のリング共振器構成のみでは得られない１３．５ｎｍを
得ることができた。また、スイッチング時間は３ｎｓと
従来のＡＷＧとＳＯＡゲートで構成した高速波長可変フ
ィルタと同等のスイッチング時間であった。

【００２５】＜第３の実施の形態＞図１０は請求項４に
記載の半導体波長可変フィルタ２０に関する実施の形態
である。この半導体可変波長フィルタ２０では、入出力
導波路２１，２２，２３と、リング共振器２４，２５，
２６，２７と、光カップラー２８，２９，３０，３１，
３２，３３により構成されている。そして、第１の波長
可変フィルタでは、入力導波路２１と入出力導波路２２
とが、光カップラー２８とリング共振器２４と光カップ
ラー２９とリング共振器２５と光カップラー３０を直列
接続してなる光経路を介して接続されている。この場
合、隣接する入出力導波路２１，２２の間に配置した２
つのリング共振器２４，２５のＦＳＲは同じであり、リ
ング共振器２４，２５は光カップラー２９を介して直接
接続されている。また、第２の波長可変フィルタでは、
入力導波路２２と入出力導波路２３とが、光カップラー
３１とリング共振器２６と光カップラー３２とリング共
振器２７と光カップラー３３を直列接続してなる光経路
を介して接続されている。この場合、隣接する入出力導
波路２２，２３の間に配置した２つのリング共振器２
６，２７のＦＳＲは同じであり、リング共振器２６，２
７は光カップラー３２を介して直接接続されている。こ
のようにして構成された第１と第２の半導体波長可変フ
ィルタが直列接続されて、半導体波長可変フィルタ２０
が構成されている。なお、図１０において、Ｐ_inは入力
ポート，Ｐ_outは出力ポートである。

【００２６】なお、入出力導波路とリング共振器とを接
続する光カップラー２８，３０，３１，３３の断面構造
は図１１（ａ）のようになっており、リング共振器同志
を接続する光カップラー２９，３２の断面構造は図１１
（ｂ）のようになっている。

【００２７】前述した図７に示される本発明第二の実施
の形態では、透過波長の透過波長帯域幅が狭く、たとえ
ば１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速な光信号をフィルタリン
グする場合には、受信端末で正確に信号を再生できない
と言う問題がある。これを解決し同時に隣接チャネルと
のクロストークの低減を実現するために、図１０に示す
半導体波長可変フィルタ２０では、同じＦＳＲを持つリ
ング共振器を光カップラーを介して二個直接接続し、こ
のようにして形成して異なるＦＳＲを持つリング共振器
を二組用いて波長可変フィルタを構成している。

【００２８】このときリング共振器と入出力導波路間と
を接続する光カップラー２８，３０，３１，３３の光結
合効率と、リング共振器間の光カップラー２９，３２の
光結合効率をそれぞれ調整することにより透過波長帯域
幅を広く且つ隣接するチャネルとのクロストークを低減
することが可能になる。

【００２９】その様子を示したのが図１２である。参考
のために図８の結果もあわせて示してある。入出力導波
路とリング共振器間の光カップラー２８，３０，３１，
３３の光結合効率の振幅と、リング共振器間の光カップ
ラー２９，３２の光結合効率の振幅をそれぞれ０．５と
０．１７と設定した場合、図１２に示すように透過スペ
クトルが箱形の形状になる。このとき任意の値の光結合
効率を得るために図１１に記載しているように光カップ
ラー２８，３１，３１，３３と光カップラー２９，３２
で異なるエッチング溝深さを持つようにした。得られた
波長可変フィルタの特性は素子全体で見た場合の光損
失、クロストークも改善できており、リング共振器を二
個直列に並べたことの効果が見られる。

【００３０】＜第４の実施の形態＞図１３は請求項５に
記載の半導体波長可変フィルタ１０Ａに関する実施の形
態である。この半導体波長可変フィルタ１０Ａでは、リ
ング共振器１４のリング導波路上にヒータＨ１を構成す
ると共に、リング共振器１５のリング導波路上にヒータ
Ｈ２を構成している。つまり、波長チューニング用の電
極の上に絶縁膜を成膜した上にＮｉＣｒのヒータＨ１，
Ｈ２を作製した。他の部分の構成は、図７に示す半導体
波長可変フィルタ１０と同様である。

【００３１】通常、リング共振器を作製する場合、成長
基板の組成や膜厚の揺らぎ、またプロセス上の導波路幅
などの揺らぎにより透過する波長は素子毎に異なる。こ
のような状態でモジュールを作製すると素子毎に動作電
流あるいは動作電圧を調整する必要があり、量産化には
向かない。それを避けるため図１３のようにリング導波
路上にヒータＨ１，Ｈ２を設けて、温度を調整しリング
導波路の屈折率を調整し無バイアス状態の透過波長をそ
ろえることにより、任意の波長を高速に選択する場合の
動作電流あるいは動作電圧を全ての素子間で同じにでき
る。この場合駆動用の電気回路は個別に調整する必要が
なくなり全てのモジュールで共用できるため、低コスト
化が可能となる。

【００３２】＜第５の実施の形態＞図１４は請求項６に
記載の半導体波長可変フィルタ１０Ｂに関する実施の形
態である。この半導体波長可変フィルタ１０Ｂでは、各
リング共振器１４，１５に接続する入出力導波路１１，
１２，１３内に半導体光アンプＡｍ１，Ａｍ２，Ａｍ３
を構成することにより光カップラー１６〜１９，リング
共振器１４，１５にて損失した光信号を増幅して出力ポ
ートＰ_outでの損失をゼロにすることが可能となる。な
お、他の部分の構成は、図７に示す半導体波長可変フィ
ルタ１０と同様である。以上の方法により本発明では高
速波長可変フィルタを大きな波長領域で高消光比、低損
失かつ低コストで実現可能となる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば高速波長可変フィルタと
して機能する半導体波長可変フィルタを、大きな波長領
域で高消光比、低損失かつ低コストで実現可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体波長
可変フィルタを示す構成図である。

【図２】第１の実施の形態で用いたエピタキシャル基板
を示す構造図である。

【図３】第１の実施の形態にかかる半導体波長可変フィ
ルタの入出力特性を示す特性図である。

【図４】第１の実施の形態にかかる半導体波長可変フィ
ルタの電流注入量に対する波長変化特性を示す特性図で
ある。

【図５】エッチング溝を有する本発明にかかるＭＭＩカ
プラーと通常のＭＭＩカップラーを対比しつつ示す構成
図である。

【図６】エッチング溝を有するＭＭＩカプラーのエッチ
ング深さに対する光結合係数の変化を示す特性図であ
る。

【図７】本発明の第２の実施の形態にかかる半導体波長
可変フィルタを示す構成図である。

【図８】第２の実施の形態にかかる半導体波長可変フィ
ルタの動作原理を説明するための特性図である。

【図９】第２の実施の形態にかかる半導体波長可変フィ
ルタの特性を示す特性図である。

【図１０】本発明の第３の実施の形態にかかる半導体波
長可変フィルタを示す構成図である。

【図１１】第３の実施の形態にかかる半導体波長可変フ
ィルタに用いた光カップラーを示す構成図である。

【図１２】第３の実施の形態にかかる半導体波長可変フ
ィルタ入出力特性を示す特性図である。

【図１３】本発明の第４の実施の形態にかかる半導体波
長可変フィルタを示す構成図である。

【図１４】本発明の第５の実施の形態にかかる半導体波
長可変フィルタを示す構成図である。

【図１５】従来の高速波長可変フィルタを示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１半導体波長可変フィルタ２，３入出力導波路４リング共振器５，６光カップラー７基板８溝１０，１０Ａ，１０Ｂ半導体波長可変フィルタ１１，１２，１３入出力導波路１４，１５リング共振器１６，１７，１８，１９光カップラー２０半導体波長可変フィルタ２１，２２，２３入出力導波路２４，２５，２６，２７リング共振器２８，２９，３０，３１，３２，３３光カップラー０１，０２アレイ導波路グレーティング０２ａ〜０２ｈ半導体アンプゲートＨ１，Ｈ２ヒータＡｍ１，Ａｍ２，Ａｍ３半導体光アンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀬川徹東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA05 AA12 BA01 CA07 CA24 DA16 EA03 EA04 EA07 EB06 EB12 EB15 GA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の入出力導波路と、隣接する入出
力導波路の間に配置されたリング共振器と、前記入出力
導波路と前記リング共振器とを接続する光カップラーと
により構成され、一定の周波数間隔の波長のみを前記入
出力導波路を介して出力する半導体リング共振器型波長
フィルタにおいて、前記リング共振器に電流注入あるいは電圧印加する事に
より前記リング共振器の導波路の屈折率を変化させて、
前記入出力導波路から出力する出力波長を可変にする事
を特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項２】請求項１に記載の半導体波長可変フィル
タの光カップラーとしてマルチモード干渉カップラーを
用い、このマルチモード干渉カップラーにエッチングに
より溝を形成し、この溝の深さにより入出力導波路とリ
ング共振器間の光強度の結合係数を任意の値に設定しリ
ング共振器のフィルタ特性を任意の特性に調整可能とす
ることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の異なる
周波数間隔を持つ半導体波長可変フィルタを複数個直列
に接続した構成において、全てのリング共振器で任意の共通波長を透過するように
リング共振器の導波路の屈折率を調整することにより、
一波長のみ選択可能な波長可変波長域を一つのリング共
振器型波長可変フィルタでは実現できない大きな波長域
で得られることを特徴とする半導体波長可変フィルタ。
【請求項４】請求項１乃至請求項３の何れか一項に記
載の半導体波長可変フィルタにおいて、隣接する入出力導波路の間に同じ周波数間隔を持つ複数
のリング共振器を配置すると共に、このリング共振器と
光カプラとを交互に配置しつつ直列接続した光経路によ
り、隣接する入出力導波路間を接続することにより、透
過波長帯域幅が広く且つ隣接するチャネルとのクロスト
ークが低減可能となることを特徴とする半導体波長可変
フィルタ。
【請求項５】請求項１乃至請求項４の何れか一項に記
載の半導体波長可変フィルタにおいて、前記リング共振器にヒータにより熱を加えることを可能
にした構成になっており、電流あるいは電圧を加えない
無バイアス状態での透過波長を前記ヒータにより補正す
ることが可能なことを特徴とする半導体波長可変フィル
タ。
【請求項６】請求項１乃至請求項５の何れか一項に記
載の半導体波長可変フィルタにおいて、各リング共振器に接続する入出力導波路内に半導体光ア
ンプを構成することにより光カップラーやリング共振器
で損失した光信号を増幅して出力ポートでの損失を補う
ことを特徴とする半導体波長可変フィルタ。