JP2005300679A - Wavelength filter and wavelength variable filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波長フィルタ及び波長可変フィルタに関し、より詳細には、波長多重光通信システムの重要な光部品である半導体波長可変フィルタ及び透過帯域可変フィルタに関する。 The present invention relates to a wavelength filter and a wavelength tunable filter, and more particularly to a semiconductor wavelength tunable filter and a transmission band tunable filter that are important optical components of a wavelength division multiplexing optical communication system.
波長可変フィルタ及び帯域可変フィルタは、大容量光通信ネットワークで欠かすことのできない重要な光部品である。波長多重光通信用の光合分波器に用いる波長フィルタは、波長多重された光信号のバンドフィルタリング及びソリトンファイバレーザ(例えば、非特許文献1参照)やスーパコンティニューム(Supercontinuum)ファイバ(例えば、非特許文献2参照)を用いた極短パルス発生のような応用で重要な役割を果たす。特に、サブピコ秒に及ぶ極短パルス発生の場合、発生される光パルスのスペクトル特性及びパルス波形は波長フィルタの波長スペクトル特性及び透過帯域で決まるため、帯域可変波長フィルタはこのような応用で強く求められつつある。 The wavelength tunable filter and the band tunable filter are important optical components indispensable in a large-capacity optical communication network. A wavelength filter used in an optical multiplexer / demultiplexer for wavelength division multiplexing optical communication includes band filtering of wavelength-multiplexed optical signals, a soliton fiber laser (see, for example, Non-Patent Document 1), and a supercontinuum fiber (eg, non-continuous). It plays an important role in applications such as the generation of ultrashort pulses using Patent Document 2). In particular, in the case of generation of ultrashort pulses extending to sub-picoseconds, the spectral characteristics and pulse waveform of the generated optical pulse are determined by the wavelength spectral characteristics and transmission band of the wavelength filter. It is being
これまで、アレー導波路格子(AWG;arrayed waveguide grating)型帯域可変フィルタ(例えば、非特許文献3参照)、リング共振型帯域可変フィルタ(例えば、非特許文献4参照)、及びトランスバーサル型帯域可変フィルタ(例えば、非特許文献5参照)が報告されている。 Up to now, an arrayed waveguide grating (AWG) type band-variable filter (for example, see Non-Patent Document 3), a ring resonance type band-variable filter (for example, see Non-Patent Document 4), and a transversal-type band-variable filter. A filter (for example, see Non-Patent Document 5) has been reported.
図24は、従来の帯域可変波長フィルタの構造を概念的に示す説明図で、AWG型帯域可変波長フィルタを示している。図中符号241は入力導波路、242は入力側スラブ導波路、243はアレー導波路、244は出力側スラブ導波路、245は出力導波路を示している。
FIG. 24 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of a conventional band variable wavelength filter, and shows an AWG type band variable wavelength filter. In the figure,
このAWG型帯域可変波長フィルタは、導波路幅の異なる複数の入出力導波路ペア241,245を用いることにより、帯域可変動作を実現している。フィルタ帯域及び帯域可変の自由度はそれぞれ入出力導波路幅及び入出力導波路本数で決定する。AWG型帯域可変フィルタは、入出力導波路が空間的に分離しているため、光フィルタ前後に光合分波器を用いる必要があり、構成が複雑になるという欠点がある。
This AWG type band variable wavelength filter realizes a band variable operation by using a plurality of input /
図25は、従来の帯域可変波長フィルタの構造を概念的に示す説明図で、リング共振型帯域可変波長フィルタを示している。図中符号251は入力導波路、252は結合率可変2×2カプラ、253はリング共振器、254は出力導波路を示している。
FIG. 25 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of a conventional band tunable wavelength filter, and shows a ring resonance type band tunable wavelength filter. In the figure,
このリング共振型帯域可変波長フィルタは、リング共振器253と結合率可変カプラ252及び入出力導波路251,254で構成されていて、帯域可変動作させると、選択波長が変化してしまう問題や可変範囲によってフィルタ消光比も大きくばらつくことがあるという欠点である。
This ring resonance type band tunable wavelength filter includes a
図26は、従来の帯域可変波長フィルタの構造を概念的に示す説明図で、トランスバーサル型帯域可変波長フィルタを示している。図中符号261は結合率可変カプラ、262は遅延線、263は位相シフタ、264は合波器を示している。
FIG. 26 is an explanatory diagram conceptually showing the structure of a conventional band tunable wavelength filter, and shows a transversal band tunable wavelength filter. In the figure,
このトランスバーサル型帯域可変波長フィルタは、タップ(結合率可変カプラ)261と遅延線262及び位相シフタ263で構成されていて、周波数特性はインパルス時間応答のフーリエ変換により得られる。また、トランスバーサル型帯域可変波長フィルタは、良好な帯域可変特性が得られたものの、波長可変特性の面では可変範囲が100GHz程度と比較的に狭いことや素子サイズも比較的に大きい(68*71mm)ことが懸念されている。
This transversal type band variable wavelength filter includes a tap (coupling rate variable coupler) 261, a
通常、帯域可変波長フィルタは、応用範囲を格段に広げるために波長可変性を有することが望ましい。これは極短パルス発生のような応用では極めて重要な要素である。なぜなら、波長多重光信号において、等しい時間分解能を有する光信号パルスを生成するためには、各波長成分に対して求められる波長フィルタの帯域が異なってくるためである。 In general, it is desirable that the tunable wavelength filter has wavelength variability in order to greatly expand the application range. This is a very important factor in applications such as ultrashort pulse generation. This is because, in order to generate an optical signal pulse having equal time resolution in a wavelength multiplexed optical signal, the band of the wavelength filter required for each wavelength component is different.
現状では、図26で説明したトランスバーサル型帯域可変波長フィルタのみ、帯域可変及び波長可変動作を同時に行えるフィルタ素子である。この場合、タップ及び位相シフタは、それぞれフーリエ係数の複素振幅及び複素偏角を制御する役割をする。従って、帯域可変動作はタップの結合率の制御により得られ、波長可変動作は位相シフタの位相制御により得られる。しかし、トランスバーサル型帯域可変波長フィルタは、波長可変動作を得るために、図26で示す位相シフタの位相をそれぞれ独立にかつ精確よく調整する必要があり、制御が難しいという欠点がある。実際、0.8nm(100GHz)という比較的に狭い波長可変範囲の中でフィルタ波長スペクトルのクロストークが大きく変動することが報告されている(例えば、非特許文献5参照)。 At present, only the transversal type tunable wavelength filter described with reference to FIG. 26 is a filter element that can simultaneously perform tunable and tunable operations. In this case, the tap and the phase shifter serve to control the complex amplitude and the complex declination of the Fourier coefficient, respectively. Therefore, the band variable operation can be obtained by controlling the coupling ratio of taps, and the wavelength variable operation can be obtained by controlling the phase of the phase shifter. However, the transversal type band tunable wavelength filter has a drawback that it is difficult to control because it is necessary to independently and accurately adjust the phase of the phase shifter shown in FIG. In fact, it has been reported that the crosstalk of the filter wavelength spectrum varies greatly within a relatively narrow wavelength variable range of 0.8 nm (100 GHz) (see, for example, Non-Patent Document 5).
一方、帯域可変波長フィルタは、応用範囲を格段に広げるために平坦性波長特性を有することが望ましい。平坦性波長スペクトルは、フィルタ素子そのものの温度制御の許容範囲を広げることだけでなく、波長多重光信号を状況に応じてフィルタ帯域を変化させて取り出す応用では非常に重要の特性であると考えられる。通常、波長スペクトルの平坦性を評価するパラメータとしてシェイプファクタが用いられ、−1dBと−10dBの透過スペクトル帯域幅の比で定義される。従って、シェイプファクタが1に近づくほど矩形のような波長スペクトルを示す。ラダー干渉型波長フィルタの場合、AWG型素子と同様にガウス関数型スペクトルを示すために、フィルタ波長特性のシェイプファクタは、0.32近傍で決まり、平坦性波長スペクトルと特性を得ることが困難である。 On the other hand, it is desirable that the band-variable wavelength filter has a flat wavelength characteristic in order to broaden the application range. The flat wavelength spectrum is considered to be a very important characteristic not only for widening the temperature control allowable range of the filter element itself, but also for applications in which wavelength multiplexed optical signals are extracted by changing the filter band depending on the situation. . Usually, a shape factor is used as a parameter for evaluating the flatness of the wavelength spectrum, and is defined by a ratio of a transmission spectral bandwidth of -1 dB and -10 dB. Accordingly, a rectangular wavelength spectrum is shown as the shape factor approaches 1. In the case of a ladder interference type wavelength filter, the shape factor of the filter wavelength characteristic is determined in the vicinity of 0.32 in order to show a Gaussian function type spectrum like the AWG type element, and it is difficult to obtain a flat wavelength spectrum and characteristics. is there.
以上のように、波長フィルタの帯域可変かつ波長可変性及びフィルタスペクトルの平坦性は、必要不可欠な要素にもかかわらず、上述した特性を示す波長フィルタは、これまで報告されていないことが現状である。 As described above, the wavelength filter exhibiting the above-mentioned characteristics has not been reported so far, although the bandwidth and wavelength variability of the wavelength filter and the flatness of the filter spectrum are indispensable elements. is there.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、広帯域波長可変動作が得られるラダー干渉型波長フィルタを用い、フィルタ透過帯域が数百GHz範囲で可変できる帯域可変波長フィルタ及び平坦性波長スペクトル特性を有する波長フィルタ及び波長可変フィルタ提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to use a ladder interference type wavelength filter capable of performing a broadband wavelength variable operation, and a band in which the filter transmission band can be varied within a range of several hundred GHz. An object of the present invention is to provide a variable wavelength filter, a wavelength filter having a flat wavelength spectral characteristic, and a variable wavelength filter.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、一対の入力導波路及び出力導波路と、該入力導波路及び出力導波路に一定の間隔で配置された光結合器と、該光結合器を介して前記入出力導波路間を接続するN個(N;2以上の自然数)のアレー導波路とを備え、入射端から出射端までの長さが入射端側に接続された前記アレー導波路を経路から順番に同じ長さの差で増加あるいは減少するようなラダー干渉の構造で構成され、前記光結合器として結合率可変カプラを用いることにより、フィルタ帯域が可変できるようにしたことを特徴とする。
The present invention has been made to achieve such an object. The invention according to
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記結合率可変カプラを用い、周期的に光結合率を変化させることにより、ラダー干渉計の回折次数を変化させるようにしたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the diffraction order of the ladder interferometer is changed by periodically changing the optical coupling rate using the coupling rate variable coupler. It is characterized by that.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、熱、電圧引加あるいは電流注入により、前記入出力導波路の屈折率を変化させることで選択波長が可変で、かつ選択波長可変動作及び帯域可変動作を独立に行うことができるようにしたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the selection wavelength can be varied by changing the refractive index of the input / output waveguide by heat, voltage application or current injection. In addition, the selected wavelength variable operation and the band variable operation can be performed independently.
また、請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、N段目のアレー導波路と(N−1)段目のアレー導波路におけるラダー干渉計で生じる光路長差のみを(N−1)段までの光路長差より整数倍大きくあるいは小さく設定することにより、フィルタ周波数スペクトル特性が平坦性を有することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, only the optical path length difference generated by the ladder interferometer in the Nth stage array waveguide and the (N-1) th stage array waveguide is obtained. The filter frequency spectrum characteristic has flatness by setting the integral multiple larger or smaller than the optical path length difference up to the (N-1) stage.
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記結合率可変カプラを用いることにより、平坦性フィルタスペクトル特性を保ちながら、選択波長の透過帯域が可変できるようにしたことを特徴とする。
Further, in the invention described in
また、請求項6に記載の発明は、請求項4又は5に記載の波長フィルタにおいて、熱、電圧引加あるいは電流注入により、前記入出力導波路の屈折率を変化させることで選択波長が可変で、かつ屈折率変化領域長をアレー導波路間の光路長差に比例した調整することにより波長可変動作の際に平坦性スペクトル波長特性が一定に保てること、及び選択波長可変動作及び帯域可変動作を独立に行うことができるようにしたことを特徴とする波長可変フィルタである。 According to a sixth aspect of the present invention, in the wavelength filter according to the fourth or fifth aspect, the selected wavelength is variable by changing the refractive index of the input / output waveguide by heat, voltage application, or current injection. In addition, by adjusting the refractive index change region length in proportion to the optical path length difference between the arrayed waveguides, the flatness spectrum wavelength characteristic can be kept constant during the wavelength variable operation, and the selected wavelength variable operation and the band variable operation. It is a wavelength tunable filter characterized by being able to perform independently.
本発明によれば、波長フィルタ及び波長可変フィルタの透過帯域を可変することができ、極短パルス発生のような応用分野で重要な役割を果たす。また、本発明によれば波長フィルタ及び波長可変フィルタの透過帯域を平坦化することもでき、光源として用いられる半導体レーザ及び素子そのものの厳密な温度制御を緩和することができる。また、本発明の帯域可変特性及び平坦性スペクトル特性を有する波長可変フィルタは、波長多重された光信号のバンドフィルタリングのように応用で重要や役割を果たす。 According to the present invention, the transmission band of the wavelength filter and the wavelength tunable filter can be varied, which plays an important role in application fields such as generation of ultrashort pulses. Further, according to the present invention, the transmission band of the wavelength filter and the wavelength tunable filter can be flattened, and the strict temperature control of the semiconductor laser used as the light source and the element itself can be relaxed. In addition, the wavelength tunable filter having the band variable characteristic and the flatness spectrum characteristic according to the present invention plays an important role in applications such as band filtering of wavelength-multiplexed optical signals.
さらに、本発明の実施例ではInP系の化合物半導体を用いているが、PLC、GaAs系やSOIと高分子材料で構成される材料を用いても同様の動作が可能であり、さらなる低コストパフォーマンスが実現できる。 Furthermore, although InP-based compound semiconductors are used in the embodiments of the present invention, the same operation is possible even when using a material composed of PLC, GaAs, or SOI and a polymer material, and further low cost performance. Can be realized.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明に係るラダー干渉型波長フィルタを説明するための構成図で、図中符号11は入力導波路、12−1〜12−Nは入力導波路側の光結合器、13−1〜13−Nはアレー導波路、14は出力導波路、15−1〜15−Nは出力導波路側の光結合器を示している。なお、Nはアレー導波路の本数を示している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram for explaining a ladder interference type wavelength filter according to the present invention. In the figure,
このラダー干渉型波長フィルタは、一対の入力導波路11及び出力導波路14と、入力導波路11及び出力導波路14に一定の間隔で配置された光結合器12−1〜12−N,15−1〜15−Nと、光結合器12−1〜12−N,15−1〜15−Nを介して入出力導波路間を接続するN個(N;2以上の自然数)のアレー導波路13−1〜13−Nとから構成されている。
This ladder interference type wavelength filter includes a pair of
つまり、アレー導波路長が左から順次ΔSずつ増大すると、次式を満足する波長(λ0)で透過率が最大になる。
λ0=(neffΔS)/m
That is, when the array waveguide length is sequentially increased by ΔS from the left, the transmittance is maximized at a wavelength (λ 0 ) that satisfies the following equation.
λ 0 = (n eff ΔS) / m
ここで、neff及びmは、それぞれ光導波路の実効屈折率及びラダー干渉計の回折次数である。図1に示すように、アレー導波路13−1〜13−Nから入射する光と出力導波路14から入射する光が出力導波路側の光結合器15−1〜15−Nで干渉するが、等位相の光以外の波長は放射損失を受けるため、上式を満足する所望の波長のみが出力導波路14を伝搬し、波長フィルタとして機能する。 Here, n eff and m are the effective refractive index of the optical waveguide and the diffraction order of the ladder interferometer, respectively. As shown in FIG. 1, the light incident from the arrayed waveguides 13-1 to 13-N and the light incident from the output waveguide 14 interfere with the optical couplers 15-1 to 15-N on the output waveguide side. Since wavelengths other than the light having the same phase are subjected to radiation loss, only a desired wavelength satisfying the above equation propagates through the output waveguide 14 and functions as a wavelength filter.
図2は、図1で示したラダー干渉型波長フィルタの光結合器の光結合率(k)を0.85と設定した場合、アレー導波路本数(N)に対する周波数スペクトル特性を示す図である。ここでは、m=120及びλ0=1550nmとなっている。図2に示すように、ラダー干渉型波長フィルタは、アレー導波路本数に対して周波数スペクトル帯域が変化することが分かる。この場合、3−dB周波数帯域幅は、N=8からN=15まで順次に155(N=8)、125(N=10)、105(N=12)、85(N=15)及び62〔GHz〕(N=20)である。従って、出力導波路側の光結合器15−1〜15−Nでそれぞれの光信号を取り出せば、アレー導波路本数に相当する離散的なスペクトル帯域可変が可能になる。しかし、上述したフィルタ特性は、光結合器のkを特定の値(図2の例ではk=0.85)に定めたときのみ得られる。 FIG. 2 is a diagram showing frequency spectrum characteristics with respect to the number of arrayed waveguides (N) when the optical coupling rate (k) of the optical coupler of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 1 is set to 0.85. . Here, m = 120 and λ 0 = 1550 nm. As shown in FIG. 2, it can be seen that the frequency spectrum band of the ladder interference type wavelength filter changes with respect to the number of arrayed waveguides. In this case, the 3-dB frequency bandwidth is 155 (N = 8), 125 (N = 10), 105 (N = 12), 85 (N = 15) and 62 sequentially from N = 8 to N = 15. [GHz] (N = 20). Therefore, if each optical signal is taken out by the optical couplers 15-1 to 15-N on the output waveguide side, it becomes possible to vary the discrete spectral band corresponding to the number of array waveguides. However, the filter characteristics described above can be obtained only when k of the optical coupler is set to a specific value (k = 0.85 in the example of FIG. 2).
つまり、図1に示したラダー干渉型波長フィルタの入力及び出力導波路は、全てのアレー導波路にわたって共有されている構造であり、N段目のアレー導波路以前のN−n段目(nは自然数)のアレー導波路までラダー干渉した光信号を取り出すことはできない。つまり、図1に示す波長フィルタは、出力ポートが一つしか存在しないことから、光結合器として多モード干渉(MMI;multimode interference)結合器あるいは方向性結合器を用いると、光結合器のkは導波路パラメータにより一律に決まってしまうので、上述したような帯域可変波長スペクトルを得ることができない。 In other words, the input and output waveguides of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 1 have a structure shared by all the array waveguides, and the Nn-th stage (n Cannot take out an optical signal having a ladder interference up to an array waveguide of a natural number). In other words, since the wavelength filter shown in FIG. 1 has only one output port, when a multimode interference (MMI) coupler or a directional coupler is used as an optical coupler, k of the optical coupler is used. Is uniformly determined by the waveguide parameter, it is not possible to obtain a band-variable wavelength spectrum as described above.
一方、ラダー干渉計で光結合器のkによって生じる損失は、アレー導波路本数に依存するため、それぞれのアレー導波路本数に対して光結合器のkを適正な値に制御する必要があるが、一律なkを示す光結合器ではラダー干渉に起因する損失が異なり、良好な帯域可変フィルタ特性が得られない難点も生じる。図2に示すように、光結合器のkが0.85と一定の場合、ラダー干渉型波長フィルタのλ0の透過率は−3.87(N=20)、−2.84(N=15)、−2.66(N=12)、−2.83(N=10)及び3.35(N=8)〔dB〕となり、アレー導波路本数に依存してばらついていることが分かる。 On the other hand, since the loss caused by k of the optical coupler in the ladder interferometer depends on the number of array waveguides, it is necessary to control k of the optical coupler to an appropriate value for each number of array waveguides. In optical couplers having a uniform k, the loss due to ladder interference differs, and there is a problem that good band variable filter characteristics cannot be obtained. As shown in FIG. 2, when k of the optical coupler is constant at 0.85, the transmittance of λ 0 of the ladder interference type wavelength filter is −3.87 (N = 20), −2.84 (N = 15), -2.66 (N = 12), -2.83 (N = 10) and 3.35 (N = 8) [dB], and it can be seen that it varies depending on the number of arrayed waveguides. .
本発明のラダー干渉型波長フィルタでは、結合率可変光結合器を用いるラダー干渉計により、帯域可変フィルタ動作及び透過帯域の透過率が一定に保つことを可能にしている。通常、任意のkを得るためには光結合器に屈折率変化領域を設ける必要があるが、その光結合器構造としてハイメサ導波路構造を用いるマッハ・ツェンダー干渉計(MZI:Mach-Zehnder Lnterferometer)は、上述した目的を達成するためにもっとも有効と考えられる。 In the ladder interference type wavelength filter according to the present invention, the ladder interferometer using the variable coupling rate optical coupler makes it possible to keep the bandwidth variable filter operation and the transmittance in the transmission band constant. Usually, in order to obtain an arbitrary k, it is necessary to provide a refractive index changing region in the optical coupler, but a Mach-Zehnder Lnterferometer (MZI) using a high-mesa waveguide structure as the optical coupler structure. Is considered to be most effective for achieving the above-mentioned purpose.
図3は、2つの3dBMMI結合器を含むMZIの構造図で、図中符号31は光導波路、31aは屈折率変化領域、32は3dB結合器を示している。通常、MZIでは2本のアームの光路長が等しい場合、入力ポートから入射した光波はすべてクロスポートに出力する(k=1)。しかし、図3に示すように、片方のマッハ・ツェンダー干渉計のアームに屈折率変化領域31aを設けると、導波路の実効屈折率が異なるため、2本のアーム間の光路長が異なり、バーポートにもその光路長差に応じて光が出力する。図3に示す屈折率変化領域31aを構成するためには、熱、電圧引加あるいは電流注入構造を設けて屈折率を制御する方法が有効である。
FIG. 3 is a structural diagram of an MZI including two 3 dBMMI couplers. In the figure,
この場合、電極形成による電流注入構造の場合、屈折率変化量と屈折率変化領域長(電極長)はトレードオフ関係にある。つまり、電極長が長ければ長いほど、小さい屈折率変化で所望のkが得られるものの、光結合器長が長くなり、素子サイズ及び素子の挿入損失が増大する。従って、電極長は電流注入により得られる屈折率変化で任意のkが得られる範囲内で設定すれば良い。 In this case, in the case of a current injection structure by electrode formation, the refractive index change amount and the refractive index change region length (electrode length) are in a trade-off relationship. That is, the longer the electrode length, the desired k can be obtained with a small change in the refractive index, but the optical coupler length becomes longer, and the element size and the insertion loss of the element increase. Therefore, the electrode length may be set within a range in which an arbitrary k can be obtained by a change in refractive index obtained by current injection.
図4は、図3に示したMZIの光結合器の屈折率変化領域での屈折率変化量に対する結合係数を示す図で、InP基板上にコア層としてバンドギャップ波長(λg)1.4μmの化合物半導体GaInAsPを用いるウェハを用い、導波路幅(W)1.6μm及び電極長100μmのハイメサ導波路構造を形成した場合、屈折率変化に対するMZI光結合器のkを示している。屈折率変化がない場合、k=1であるが、電流注入による屈折率変化量が増すにつれて、kは小さくなり、0.23〔%〕程度の屈折率変化でkは0まで変化する。つまり、屈折率変化に従って、任意のkを得ることができる。 FIG. 4 is a diagram showing a coupling coefficient with respect to the refractive index change amount in the refractive index change region of the MZI optical coupler shown in FIG. 3, and a band gap wavelength (λ g ) of 1.4 μm as a core layer on the InP substrate. When a high mesa waveguide structure having a waveguide width (W) of 1.6 μm and an electrode length of 100 μm is formed using a wafer using the compound semiconductor GaInAsP, k of the MZI optical coupler with respect to a change in refractive index is shown. When there is no refractive index change, k = 1, but as the refractive index change amount by current injection increases, k decreases, and k changes to 0 with a refractive index change of about 0.23 [%]. That is, an arbitrary k can be obtained according to the refractive index change.
図5は、本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態1を説明するための構成図で、図3に示したMZIを光結合器として用いたラダー干渉型波長フィルタの構成図で、つまり、光結合器として結合率可変MZIを用いたラダー干渉型波長フィルタの構成図である。図中符号51は入力導波路、52−1〜52−Nは入力導波路側の光結合器、53−1〜53−Nはアレー導波路、54は出力導波路、55−1〜55−Nは出力導波路側の光結合器を示している。 FIG. 5 is a configuration diagram for explaining the first embodiment of the ladder interference type wavelength filter of the present invention, and is a configuration diagram of a ladder interference type wavelength filter using the MZI shown in FIG. 3 as an optical coupler. It is a block diagram of a ladder interference type wavelength filter using a coupling rate variable MZI as an optical coupler. In the figure, reference numeral 51 is an input waveguide, 52-1 to 52-N are optical couplers on the input waveguide side, 53-1 to 53-N are array waveguides, 54 is an output waveguide, and 55-1 to 55-. N indicates an optical coupler on the output waveguide side.
このラダー干渉型波長フィルタは、一対の入力導波路51及び出力導波路54と、入力導波路51及び出力導波路54に一定の間隔で配置された光結合器52−1〜52−N,55−1〜55−Nと、光結合器52−1〜52−N,55−1〜55−Nを介して入出力導波路間を接続するN個(N;2以上の自然数)のアレー導波路53−1〜53−Nとから構成されている。 This ladder interference type wavelength filter includes a pair of input waveguides 51 and output waveguides 54, and optical couplers 52-1 to 52-N, 55 arranged in the input waveguides 51 and 54 at regular intervals. -1 to 55-N and N (N: a natural number of 2 or more) array conductors connecting the input / output waveguides via optical couplers 52-1 to 52-N and 55-1 to 55-N It consists of waveguides 53-1 to 53-N.
しかも、入射端から出射端までの長さが入射端側に接続されたアレー導波路53−1〜53−Nを経路から順番に同じ長さの差で増加あるいは減少するようなラダー干渉の構造で構成され、光結合器52−1〜52−N,55−1〜55−Nとして結合率可変カプラを用いることにより、フィルタ帯域が可変できるように構成されている。 Moreover, the structure of ladder interference in which the length from the incident end to the output end is increased or decreased in the order of the same length difference in the arrayed waveguides 53-1 to 53-N connected to the incident end side. By using a coupling rate variable coupler as the optical couplers 52-1 to 52-N and 55-1 to 55-N, the filter band can be varied.
図1に示したラダー干渉型波長フィルタ構造に比べると、光結合器のkが可変性を有し、任意のkに制御可能な構造である。この場合、光結合器のkが可変できるため、N−n段目アレー導波路以降の光結合器のkを1に設定(電流注入なし)することにより、擬デジタルな帯域可変動作が可能になる。 Compared with the ladder interference type wavelength filter structure shown in FIG. 1, k of the optical coupler has a variability and can be controlled to an arbitrary k. In this case, since the k of the optical coupler can be varied, by setting the k of the optical coupler after the Nn-th stage array waveguide to 1 (no current injection), a pseudo-digital variable band operation is possible. Become.
図6は、図5に示したラダー干渉型波長フィルタの帯域可変特性図で、N−n段目アレー導波路以前の光結合器のkは、アレー導波路本数に従い、λ0の透過率が一定になるように光結合器のkを制御した場合の波長スペクトル特性を示している。アレー導波路本数においてMZI光結合器のkを調整することにより、λ0の透過率が−2.8dB近傍で一定になることが確認できた。この場合、アレー導波路本数に対する適正なkはそれぞれk=0.89(N=20)、k=0.85(N=15)、k=0.82(N=12)、k=0.85(N=10)及びk=0.82(N=8)である。 FIG. 6 is a band variable characteristic diagram of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 5, and k of the optical coupler before the Nn-th stage array waveguide has a transmittance of λ 0 according to the number of array waveguides. The wavelength spectrum characteristic when k of the optical coupler is controlled to be constant is shown. It was confirmed that by adjusting k of the MZI optical coupler in the number of arrayed waveguides, the transmittance of λ 0 becomes constant in the vicinity of −2.8 dB. In this case, the appropriate k for the number of arrayed waveguides is k = 0.89 (N = 20), k = 0.85 (N = 15), k = 0.82 (N = 12), k = 0. 85 (N = 10) and k = 0.82 (N = 8).
図6に示した波長フィルタ特性の消光比は12dB程度であり、比較的に小さい。しかし、ラダー干渉型波長フィルタの消光比は、MZI光結合器のkを分布的に変化させる(Apodization)ことにより増大することが可能である。 The extinction ratio of the wavelength filter characteristic shown in FIG. 6 is about 12 dB, which is relatively small. However, the extinction ratio of the ladder interference type wavelength filter can be increased by changing the k of the MZI optical coupler in a distributed manner (Apodization).
図7は、図3に示したMZIの光結合器のアポディゼーションを施したラダー干渉型波長可変フィルタの構成図で、図中符号71は入力導波路、72−1〜72−Nは入力側導波路の光結合器、73−1〜73−Nはアレー導波路、74は出力導波路、75−1〜75−Nは出力側導波路の光結合器を示している。
FIG. 7 is a configuration diagram of a ladder interference type tunable filter in which the MZI optical coupler shown in FIG. 3 is apodized.
ラダー干渉計で光結合率のアポディゼーション(Apodization)は入力導波路側の光結合率を任意のkaから任意のkb(ka>kb)まで減少させ、出力導波路側の光結合率を上述したkbから任意のkaまで増大するように設定することにより達成する。この場合、kaはλ0の透過率に関係し、ka−kbの絶対値はλ0の透過率、波長スペクトル特性の消光比及びフィルタ帯域に関係する。一般的に、kaは1に近いほど、λ0の透過率が増大し、kaが減少するにつれ、λ0の透過率も減少する。 Apodization optical coupling rate ladder interferometer (Apodization) reduces the optical coupling ratio of the input waveguide side from any k a to any k b (k a> k b ), the output waveguide side light setting the coupling ratio to increase from k b described above to any k a achieved by. In this case, k a is related to the transmittance of the lambda 0, the absolute value of lambda 0 of the transmittance of the k a -k b, relating to the extinction ratio and the filter band of the wavelength spectrum characteristics. Generally, the closer to k a is 1, increases the transmittance of the lambda 0 is, as the k a is reduced, the transmittance of the lambda 0 is also reduced.
一方、ka−kbの絶対値は大きければ大きいほど、波長スペクトルの消光比が増大すると同時に、透過帯域幅も増大する。 On the other hand, k a -k absolute value of b is larger, and at the same time the extinction ratio of the wavelength spectrum increases, the transmission bandwidth is also increased.
図8は、図7に示したラダー干渉型波長フィルタの帯域可変特性図で、MZI光結合器のkに線形的に変化するアポディゼーションを施した場合のアレー導波路本数に対する周波数スペクトル特性を示している。この場合、ka及びkbは一定のλ0の透過率を示すように制御した。なお、帯域可変動作を得るために、N−n段目アレー導波路以降の光結合器のkは1に制御した。図8に示すように、いずれの周波数帯域においても周波数スペクトルの消光比は27dB以上に増大した。 FIG. 8 is a band variable characteristic diagram of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 7, and shows frequency spectrum characteristics with respect to the number of arrayed waveguides when linearly changing apodization is applied to k of the MZI optical coupler. Show. In this case, k a and k b are controlled to indicate the transmission of a certain lambda 0. In order to obtain a variable band operation, k of the optical coupler after the Nn-th stage array waveguide was controlled to 1. As shown in FIG. 8, the extinction ratio of the frequency spectrum increased to 27 dB or more in any frequency band.
(実施形態2)
本発明の実施形態2について以下に説明する。上述した実施形態1で説明したラダー干渉型波長フィルタでは、光結合器のkを制御することにより、アレー導波路本数に相当する帯域可変動作が実現したが、アレー導波路本数に対するフィルタ波長スペクトルの帯域変化は比較的に小さい。
(Embodiment 2)
図9は、実施形態2に係るラダー干渉型波長フィルタのアレー導波路本数における周波数帯域特性図で、図6に示しているラダー干渉型波長フィルタのアレー導波路本数に対する3−dB周波数帯域を示している。図9に示すように、アレー導波路が20本から13本までの3−dB周波数帯域変化は、アレー導波路1本ごとに約5GHz周波数間隔となり、アレー導波路が12本から10本まで場合は、アレー導波路1本ごとに約10GHz周波数間隔となる。しかし、アレー導波路本数が10本より減少すると、3−dB周波数帯域変化が急激に増大してしまい、細かい周波数帯域変化が困難になる。 FIG. 9 is a frequency band characteristic diagram of the number of array waveguides of the ladder interference type wavelength filter according to the second embodiment, and shows a 3-dB frequency band with respect to the number of array waveguides of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. ing. As shown in FIG. 9, the 3-dB frequency band change from 20 to 13 array waveguides is about 5 GHz frequency interval for each array waveguide, and the number of array waveguides is from 12 to 10 Is approximately 10 GHz frequency interval for each array waveguide. However, when the number of arrayed waveguides is reduced from 10, the 3-dB frequency band change rapidly increases, and it becomes difficult to make a fine frequency band change.
従って、デジタル的な周波数帯域変化が可能なアレー導波路本数が限定され、周波数帯域の可変帯域が数十GHz程度に制限される。可変帯域を増大するためにはラダー干渉型波長フィルタの回折次数を減少させることが有効である。この場合、回折次数が減少すると、フィルタ周波数帯域も増大し、可変できるフィルタ帯域も増大する。狭いフィルタ周波数スペクトルを得るためにはアレー導波路本数を回折次数変化に反比例して変化させれば、高い回折次数の場合と同様なフィルタ周波数特性が得られる。しかし、回折次数を減少させ、アレー導波路本数を増大したラダー干渉型波長フィルタの場合、図6で説明したように、それぞれのアレー導波路本数に対する適正なkの数も増大し、図3に示したMZI光結合器のkの制御が複雑になる。これは図8で説明したアポディゼーションでも同様である。 Therefore, the number of array waveguides capable of changing the digital frequency band is limited, and the variable band of the frequency band is limited to about several tens of GHz. In order to increase the variable band, it is effective to decrease the diffraction order of the ladder interference type wavelength filter. In this case, when the diffraction order is decreased, the filter frequency band is also increased, and the variable filter band is also increased. In order to obtain a narrow filter frequency spectrum, if the number of arrayed waveguides is changed in inverse proportion to the change in the diffraction order, the same filter frequency characteristic as in the case of a high diffraction order can be obtained. However, in the case of a ladder interference type wavelength filter in which the number of diffraction waveguides is reduced and the number of array waveguides is increased, as described with reference to FIG. 6, the appropriate number of k for each number of array waveguides also increases. The control of k of the MZI optical coupler shown is complicated. The same applies to the apodization described in FIG.
つまり、フィルタ消光比の増大及びラダー干渉計の回折損失を最小化するためのka及びkbの制御もアレー導波路本数が増大するにつれ、複雑になる。この問題はMZI光結合器のkを制御してラダー干渉計の回折次数を変化させることにより解決可能である。 That, as also arrayed waveguide number control of k a and k b for minimizing the increase and diffraction losses ladder interferometer filter extinction ratio is increased, it becomes complicated. This problem can be solved by controlling the k of the MZI optical coupler to change the diffraction order of the ladder interferometer.
図10は、本発明に係るラダー干渉型波長フィルタの実施形態2を説明するための構成図で、フィルタ周波数帯域を数十GHzから数百GHzまで可変できる帯域可変ラダー干渉型フィルタの構成図を示している。図中符号101は入力導波路、102−1〜102−Nは入力導波路側の光結合器、103−1〜103−Nはアレー導波路、104は出力導波路、105−1〜105−Nは出力導波路側の光結合器を示している。
FIG. 10 is a configuration diagram for explaining the second embodiment of the ladder interference type wavelength filter according to the present invention, and is a configuration diagram of a variable bandwidth ladder interference type filter that can vary the filter frequency band from several tens of GHz to several hundreds of GHz. Show. In the figure,
実施形態2のラダー干渉型波長フィルタは、m=20のラダー干渉型波長フィルタである。この場合、2×p(pは整数)番目に相当する光結合率k2,k4,k6,k8などを1に制御すると、そのラダー干渉型波長フィルタはm=40の素子に等しい。もし、(3×p)−1及び3×p番目の光結合率k2,k3,k5,k6などを1に制御すると、m=60の素子に等しいてラダー干渉型波長フィルタになる。ここで、過剰光路長差が増大する場合、pは正となり、過剰光路長差が減少する場合、pは負となる。従って、光結合率の制御により、回折次数の倍数に相当するラダー干渉計が形成可能になる。
The ladder interference type wavelength filter of
図11は、図10に示したラダー干渉型波長フィルタの帯域可変特性図で、ラダー干渉型波長フィルタの回折次数において、アレー導波路本数に対する3−dB周波数帯域を示している。いずれの場合においても、アレー導波路本数10から20の間では、ほぼ線形的な変化を示すものの、アレー導波路本数が10以下になると、3−dB周波数帯域が急激に増大することが分かる。図11に示すように、m=20(N=20)、m=40(N=10)及びm=80(N=5)それぞれの3−dB周波数帯域は一致し、m=40(N=20)及びm=80(N=10)の3−dB周波数帯域も一致している。
FIG. 11 is a band variable characteristic diagram of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 10, and shows the 3-dB frequency band with respect to the number of arrayed waveguides in the diffraction order of the ladder interference type wavelength filter. In any case, although the change is almost linear between the number of
つまり、m×Nが一定であれば、フィルタ周波数帯域は変わらないことを意味する。この場合、N=10からN=20間でのフィルタ帯域変化はほぼ線形的であることから、フィルタ周波数帯域を数十GHzから数百GHzまで擬デジタル的に可変できるラダー干渉型波長フィルタが可能になる。特に、図10に示した構成の利点はそれぞれのアレー導波路本数に相当する適正な光結合率kは、ラダー干渉計の回折次数には依存しないことにある。 That is, if m × N is constant, it means that the filter frequency band does not change. In this case, since the filter band change between N = 10 and N = 20 is almost linear, a ladder interference type wavelength filter capable of changing the filter frequency band in a quasi-digital manner from several tens GHz to several hundreds GHz is possible. become. In particular, the advantage of the configuration shown in FIG. 10 is that the appropriate optical coupling factor k corresponding to the number of arrayed waveguides does not depend on the diffraction order of the ladder interferometer.
つまり、アレー導波路本数が等しい場合は、全ての回折次数における適正な光結合率kは同じである。従って、アレー導波路本数のみによる帯域可変特性の場合に比べ、制御すべき光結合率kの数が大幅に減少し、良好なフィルタ特性が期待できる。 That is, when the number of arrayed waveguides is the same, the appropriate optical coupling rate k in all diffraction orders is the same. Therefore, the number of optical coupling ratios k to be controlled is greatly reduced as compared with the case of the variable band characteristics using only the number of arrayed waveguides, and good filter characteristics can be expected.
(実施形態3)
図12は、本発明に係るラダー干渉型波長フィルタの実施形態3を説明するための構成図で、波長可変動作のために、電極による電流注入構造を設けたラダー干渉型波長フィルタの構造図である。図中符号121は入力導波路、121aは入力導波路側の波長可変制御用電極、122−1〜122−Nは入力側導波路の光結合器、123−1〜123−Nはアレー導波路、124は出力導波路、124aは出力導波路側の波長可変制御用電極、125−1〜125−Nは出力側導波路の光結合器を示している。
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a configuration diagram for explaining the third embodiment of the ladder interference type wavelength filter according to the present invention, and is a structural diagram of a ladder interference type wavelength filter provided with a current injection structure using electrodes for wavelength variable operation. is there. In the figure,
この実施形態3のラダー干渉型波長フィルタは、アレー導波路本数に従って透過帯域が変化するため、所望の帯域が得られるアレー導波路以降の光結合器のkを1に設定すれば、透過帯域の可変が可能になる。なお、それと独立にL1及びL2の屈折率を変化させると波長可変動作も実現できる。 In the ladder interference type wavelength filter of the third embodiment, the transmission band changes according to the number of array waveguides. Therefore, if k of the optical coupler after the array waveguide from which a desired band is obtained is set to 1, Variable is possible. In addition, if the refractive indexes of L 1 and L 2 are changed independently, wavelength tunable operation can also be realized.
図13は、図12に示したラダー干渉型波長可変フィルタのエピタキシャル基板の層構造を示す図で、図中符号131はInP基板、132はn型InP層、133はGaInAsP層(λg=1.4μm)、134はp--InP層、135はp+-InP層、136はp+-InGaAs層を示している。
FIG. 13 is a diagram showing the layer structure of the epitaxial substrate of the ladder interference type tunable filter shown in FIG. 12, where
n型InP基板131上に、nドープInP層132と、厚さ0.5μmのノンドープGaInAsP層133と、厚さ1.2μmのpドープInP層134と、厚さ0.3μmのp+ドープInP層135と、厚さ30nmのp+ドープInGaAs層136が成膜されている。p+ドープInGaAs層136上及びn型InP基板131の裏面にそれぞれAuZnNi電極及びAuGeNi電極を形成している。
On an n-
また、nドープInP層132のドーピング濃度は1×1018cm−3で、pドープInP層134のドーピング濃度は5×1017cm−3で、p+ドープInP層135のドーピング濃度は1×1018cm−3で、p+ドープInGaAs層136のドーピング濃度は8×1018cm−3である。
The doping concentration of the n-doped
図14は、図12に示したラダー干渉型波長フィルタの波長可変特性図で、ラダー干渉型波長フィルタの帯域可変及び波長可変動作の周波数スペクトルを示している。この場合、回折次数は120であり、λ0は1550nmと設定している。電極長L1及びL2を100μmと設定した場合、0.18〔%〕程度の光導波路の実効屈折率変化により、選択波長がそれぞれ短波長側及び長波長側にわたって1.2THzの波長可変動作が得られた。なお、帯域可変動作は波長可変動作と独立に制御できるため、制御可能な波長範囲内で帯域可変が可能になる。 FIG. 14 is a wavelength variable characteristic diagram of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 12, and shows the frequency spectrum of variable bandwidth and wavelength variable operation of the ladder interference type wavelength filter. In this case, the diffraction order is 120, and λ 0 is set to 1550 nm. When the electrode lengths L 1 and L 2 are set to 100 μm, the wavelength selection operation is 1.2 THz over the short wavelength side and the long wavelength side, respectively, due to the change in the effective refractive index of the optical waveguide of about 0.18 [%]. was gotten. Note that since the band variable operation can be controlled independently of the wavelength variable operation, the band can be varied within the controllable wavelength range.
(実施形態4)
本発明の実施形態4について以下に説明する。上述した実施形態1乃至3で示したラダー干渉型波長フィルタの場合、帯域可変特性は得られたものの、フィルタスペクトルの平坦性を得ることはできない。ラダー干渉型波長フィルタの周波数応答はAWG型フィルタと同様にガウス関数型になるため、矩形に近い周波数応答を得ることが困難である。しかし、本実施形態4で用いるラダー干渉型波長フィルタではN個のアレー導波路を経由して従属接続されたラダー干渉計からなる入出力伝達関数を変化させることにより、矩形に近い周波数応答を可能にしている。
(Embodiment 4)
図1に示したラダー干渉型波長フィルタで用いる光結合器は、MMI結合器、方向性結合器あるいはMZI結合器いずれの場合も、2×2カプラーであるため、光結合器で干渉する光は片方の出力ポートへ結合し、干渉しない光は残りのポートへ結合する。この場合、干渉する光波長がどちらのポートへ結合するかは光結合器のkに密接な依存性を有する。本実施形態4で用いるラダー干渉型波長フィルタでは、N段目のアレー導波路に接続する光結合器の出力ポートを変化させることにより、平坦性周波数スペクトルを有するラダー干渉型波長フィルタの入出力伝達関数を得ている。 The optical coupler used in the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 1 is a 2 × 2 coupler in any of the MMI coupler, the directional coupler, and the MZI coupler. Light that is coupled to one output port and not interfering is coupled to the remaining ports. In this case, to which port the interfering optical wavelength is coupled has a close dependence on k of the optical coupler. In the ladder interference type wavelength filter used in the fourth embodiment, the input / output transmission of the ladder interference type wavelength filter having a flat frequency spectrum is performed by changing the output port of the optical coupler connected to the N-th array waveguide. Getting function.
図15(a),(b)及び図16(a),(b)は、図1に示したラダー干渉型波長フィルタの光結合器のバーポートでの特性図で、図15(a)は、光結合器の結合係数kが0.85、図15(b)kが0.72、図16(a)は、kが0.5、図16(b)は、kが0.15の場合の透過特性を示している。つまり、図1に示したラダー干渉型波長フィルタのN段目のアレー導波路に接続された光結合器のkを0.85、0.72、0.5及び0.15に設定したときのバーポートへのλ0の透過率を表わしている。 FIGS. 15A and 15B and FIGS. 16A and 16B are characteristic diagrams at the bar port of the optical coupler of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 1, and FIG. The coupling coefficient k of the optical coupler is 0.85, FIG. 15B is 0.72, k is 0.5 in FIG. 16A, and k is 0.15 in FIG. The transmission characteristics in the case are shown. That is, when k of the optical coupler connected to the N-th array waveguide of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. 1 is set to 0.85, 0.72, 0.5, and 0.15, It represents the transmittance of λ 0 to the bar port.
比較のために図中の破線で示す波長スペクトル特性は光結合器のkを0.85に設定したときのクロスポートへのλ0の透過率、つまり、通常のラダー干渉型波長フィルタの波長特性である。バーポートへのλ0の透過率はkが小さくなるにつれて増大する。この場合、図16(a)に示すように、光結合器のkを適切に設定することによりフィルタスペクトル特性が平坦性を有することが分かる。この場合、シェイプファクタは0.52となり、既存のラダー干渉型フィルタの0.32より1.6倍改善している。但し、図16(a)に示すフィルタスペクトルは平坦性を有するものの、λ0の透過率は、点線で示す既存のラダー干渉型波長フィルタのλ0の透過率より5.2dB低いほか、フィルタのクロストークも増大し、消光比も6dB程度と比較的に小さい。また、スペクトルの平坦化に伴い、透過帯から阻止帯への遷移領域が若干広がり、ロールオフの急峻さかが低下する問題がある。 For comparison, the wavelength spectrum characteristic indicated by the broken line in the figure is the transmittance of λ 0 to the cross port when k of the optical coupler is set to 0.85, that is, the wavelength characteristic of a normal ladder interference type wavelength filter. It is. The transmittance of λ 0 into the bar port increases as k decreases. In this case, as shown in FIG. 16A, it can be seen that the filter spectral characteristic has flatness by appropriately setting k of the optical coupler. In this case, the shape factor is 0.52, which is 1.6 times better than 0.32 of the existing ladder interference filter. However, although the filter spectrum shown in FIG. 16 (a) has a flatness, the transmittance of lambda 0, from the transmittance of the lambda 0 of the existing ladder interferometric wavelength filter shown by dotted lines 5.2dB lower addition, the filter Crosstalk also increases and the extinction ratio is relatively small at about 6 dB. Further, with the flattening of the spectrum, there is a problem that the transition region from the transmission band to the stop band is slightly widened and the steepness of the roll-off is lowered.
選択波長の透過帯で損失が増大した理由は光結合器のkが大きく、出力ポート(バーポート)へ結合する光成分が減少したことにある。この場合、透過帯での損失を最小化するためには光結合器のkを減少させ、バーポートへ結合する光成分を増大させることが有効であるものの、図16(b)に示すように、スペクトルの平坦性を失う問題が生ずる。これらの問題はN段目のアレー導波路とN−1段目のアレー導波路のラダー干渉計で生じる光路長差のみをN−1段目のアレー導波路までの光路長差より整数倍大きくあるいは小さくすることで改善することができる。 The reason why the loss increased in the transmission band of the selected wavelength is that the optical component k is large and the optical component coupled to the output port (bar port) is reduced. In this case, in order to minimize the loss in the transmission band, it is effective to decrease the optical coupler k and increase the optical component coupled to the bar port, but as shown in FIG. The problem of losing spectral flatness arises. These problems are that only the optical path length difference generated in the ladder interferometer between the N-th stage array waveguide and the N-1th stage array waveguide is an integer multiple larger than the optical path length difference to the N-1th stage array waveguide. Alternatively, it can be improved by reducing the size.
図17は、本発明に係るラダー干渉型波長フィルタの実施形態4を説明するための構成図で、図中符号171は入力導波路、172−1〜172−Nは入力側導波路の光結合器、173−1〜173−Nはアレー導波路、174は出力導波路、175−1〜175−Nは出力側導波路の光結合器を示している。
FIG. 17 is a configuration diagram for explaining a fourth embodiment of the ladder interference type wavelength filter according to the present invention. In the figure,
N段目のアレー導波路のみp×ΔS(pは整数)に相当する過剰な光路長差が設けられ、N段及びN−1段目のラダー干渉計だけN−2段目までのラダー干渉計の光路長差よりp倍大きい過剰光路長差が発生する。つまり、この構成は一番右端のラダーのみ回折次数がp倍高いラダー干渉計である。過剰光路長差が増大する場合、pは正となり、過剰光路長差が減少する場合、pは負となる。 An excessive optical path length difference corresponding to p × ΔS (p is an integer) is provided only in the Nth stage array waveguide, and only the Nth stage and N−1th stage ladder interferometers have ladder interference up to the N−2th stage. An excess optical path length difference p times larger than the total optical path length difference occurs. In other words, this configuration is a ladder interferometer whose diffraction order is only p times higher only in the rightmost ladder. When the excess optical path length difference increases, p becomes positive, and when the excess optical path length difference decreases, p becomes negative.
図18は、図17に示したラダー干渉型波長フィルタの平坦性波長スペクトル特性図である。ここでは、回折次数120、アレー導波路数15本(N=15)、λ0=1.55μm、14本目と15本目のアレー導波路の光路長差は8×ΔSになっている。出力導波路の光結合器のkは0.15と設定し、バーポートから出力した波長スペクトル特性である。細い点線及び太い点線で示す波長特性はそれぞれ従来のラダー干渉型は波長フィルタ及び図16(a)に示す波長スペクトルである。従来のラダー干渉型波長フィルタの波長スペクトル(細い点線)と比較すると、λ0の透過率は1dB程度低下したものの、平坦性スペクトル及びロールオフの改善が達成されている。また、シェイプファクタは0.57と見積もられ、従来のラダー干渉型波長フィルタの0.32より約1.8倍大きい。 FIG. 18 is a diagram of flatness wavelength spectrum characteristics of the ladder interference type wavelength filter shown in FIG. Here, the diffraction order is 120, the number of array waveguides is 15 (N = 15), λ 0 = 1.55 μm, and the optical path length difference between the 14th and 15th array waveguides is 8 × ΔS. K of the optical coupler of the output waveguide is set to 0.15, and is a wavelength spectrum characteristic output from the bar port. The wavelength characteristics shown by the thin dotted line and the thick dotted line are the wavelength filter and the wavelength spectrum shown in FIG. Compared with the wavelength spectrum (thin dotted line) of the conventional ladder interference type wavelength filter, the transmittance of λ 0 is reduced by about 1 dB, but the flatness spectrum and the roll-off are improved. The shape factor is estimated to be 0.57, which is about 1.8 times larger than 0.32 of the conventional ladder interference type wavelength filter.
一方、アレー導波路の光路長差を適正化していない場合(太い点線)と比べると、λ0の透過率は4dB増大し、ロールオフも急峻になっており、波長フィルタとして特性の改善をしていることが確認できた。 On the other hand, compared with the case where the optical path length difference of the array waveguide is not optimized (thick dotted line), the transmittance of λ 0 is increased by 4 dB, and the roll-off is also steep, improving the characteristics as a wavelength filter. It was confirmed that
(実施形態5)
図19は、本発明に係るラダー干渉型波長可変フィルタの実施形態5を説明するための構成図で、平坦性波長スペクトルを有する帯域可変ラダー干渉型波長フィルタの構造を表わしている。図中符号191は入力導波路、192−1〜192−Nは入力側導波路の光結合器、193−1〜193−Nはアレー導波路、194は出力導波路、195−1〜195−Nは出力側導波路の光結合器を示している。
(Embodiment 5)
FIG. 19 is a configuration diagram for explaining the fifth embodiment of the ladder interference wavelength tunable filter according to the present invention, and shows the structure of a band variable ladder interference wavelength filter having a flat wavelength spectrum. In the figure,
実施形態1で説明したラダー干渉型波長フィルタの場合、光結合器のkを制御することにより、帯域可変動作を得ることができたものの、波長スペクトルの平坦性は得られない。本実施形態5に示したラダー干渉型波長可変フィルタでは、平坦性波長スペクトルを保ちながら帯域可変動作を可能にする。上述した実施形態4で説明したように、平坦性波長スペクトルを有するラダー干渉型波長フィルタの出力導波路は、全てのアレー導波路にわたって共有されていない構造である。 In the case of the ladder interference type wavelength filter described in the first embodiment, a band variable operation can be obtained by controlling k of the optical coupler, but the flatness of the wavelength spectrum cannot be obtained. The ladder interference type wavelength tunable filter shown in the fifth embodiment enables a band variable operation while maintaining a flat wavelength spectrum. As described in the fourth embodiment, the output waveguide of the ladder interference type wavelength filter having a flat wavelength spectrum is a structure that is not shared across all the arrayed waveguides.
つまり、図19に示したラダー干渉型波長可変フィルタの出力導波路は、次のアレー導波路と干渉する光波が伝搬する導波路と空間的に分離されている構造となっているため、N−n段目のアレー導波路本数に値する波長スペクトルを個別に取り出すことができる。この場合、波長スペクトルの出力以降のアレー導波路に接続されている光結合器のkは1に設定(電流注入なし)する必要がある。平坦性スペクトルを有する帯域可変ラダー干渉型波長フィルタの出力ポートは、最大(N−2)個になってしまい、それぞれの光出力を合波する結合器(T×1合波器:Tは出力ポート数)が必要となる。この際、光出力強度は1/T倍に減少してしまい、可変帯域のバリエーションが増えるにつれてラダー干渉型波長フィルタの光出力強度は、大幅に減少することや素子サイズも増大する欠点がある。 That is, the output waveguide of the ladder interference type tunable filter shown in FIG. 19 has a structure that is spatially separated from the waveguide through which the light wave that interferes with the next array waveguide propagates. Wavelength spectra equivalent to the number of n-th array waveguides can be taken out individually. In this case, k of the optical coupler connected to the arrayed waveguide after the output of the wavelength spectrum needs to be set to 1 (no current injection). The number of output ports of the band variable ladder interference type wavelength filter having a flatness spectrum is (N−2) at the maximum, and a coupler (T × 1 multiplexer: T is an output) that combines the respective optical outputs. Port number) is required. At this time, the optical output intensity is reduced to 1 / T times, and there is a drawback that the optical output intensity of the ladder interference type wavelength filter is greatly reduced and the element size is increased as the variation of the variable band is increased.
図20は、図19に示したラダー干渉型波長可変フィルタの問題を解決したラダー干渉型波長フィルタの構成図で、アレー導波路を伝搬してMZI光結合器で干渉した光波は、N×2個のMZI光結合器を介して出射される。この場合、(N−n)段目のアレー導波路本数に対する透過帯域を有する波長スペクトルはMZI光結合器のkを制御することにより出力ポートから出射することになる。つまり、図20に示す出力ポート側の最初のMZI光結合器のkを0及びそれ以降のkを1に制御すれば、アレー導波路本数に値する平坦性波長スペクトルが得られる。このラダー干渉型波長可変フィルタは、可変帯域のバリエーションと関係なく出力光強度が減少しないことが特徴である。なお、いずれのアレー導波路本数に対する波長スペクトルにおいても同様の経路を伝搬するため、光結合器などで生じる過剰損失も一定になる特徴を有する。 FIG. 20 is a configuration diagram of a ladder interference type wavelength filter that solves the problem of the ladder interference type wavelength tunable filter shown in FIG. 19. Light waves that propagate through the array waveguide and interfere with the MZI optical coupler are N × 2 The light is emitted through the MZI optical couplers. In this case, a wavelength spectrum having a transmission band corresponding to the number of (Nn) -th array waveguides is emitted from the output port by controlling k of the MZI optical coupler. That is, if k of the first MZI optical coupler on the output port side shown in FIG. 20 is controlled to 0 and k after that is set to 1, a flat wavelength spectrum equivalent to the number of arrayed waveguides can be obtained. This ladder interference type tunable filter is characterized in that the output light intensity does not decrease regardless of the variation of the variable band. In addition, in the wavelength spectrum for any number of arrayed waveguides, since the same path is propagated, the excess loss generated in the optical coupler or the like is also constant.
図21は、図20に示したラダー干渉型波長可変フィルタの平坦性波長スペクトル帯域可変特性図で、アレー導波路本数に対する周波数スペクトル特性を示している。MZI光結合器のkを制御することにより、アレー導波路本数に対する帯域可変動作と同時に、フィルタ周波数スペクトルも平坦性を有する。この場合、3dB周波数帯域幅はN=8からN=20まで順次に245(N=8)、190(N=10)、155(N=12)、125(N=15)及び92〔GHz〕(N=20)である。なお、帯域可変動作に伴い、いずれのアレー導波路本数に対しても平坦性スペクトル特性を現すシェイプファクタは0.54と一定であることが確認できた。図20に示す波長フィルタ特性の消光比は12dB程度であり、比較的に小さいが、実施形態1で説明したように、MZI光結合器のkにアポディゼーションを施すことによりラダー干渉型波長フィルタの消光比が増大できることは言うまでもない。 FIG. 21 is a flatness wavelength spectrum band variable characteristic diagram of the ladder interference type wavelength variable filter shown in FIG. 20, and shows frequency spectrum characteristics with respect to the number of arrayed waveguides. By controlling the k of the MZI optical coupler, the filter frequency spectrum has flatness simultaneously with the variable band operation for the number of arrayed waveguides. In this case, the 3 dB frequency bandwidth is 245 (N = 8), 190 (N = 10), 155 (N = 12), 125 (N = 15) and 92 [GHz] sequentially from N = 8 to N = 20. (N = 20). It was confirmed that the shape factor exhibiting the flatness spectrum characteristic was constant at 0.54 for any number of arrayed waveguides due to the variable band operation. The extinction ratio of the wavelength filter characteristic shown in FIG. 20 is about 12 dB, which is relatively small. However, as described in the first embodiment, a ladder interference type wavelength filter is obtained by applying apodization to k of the MZI optical coupler. Needless to say, the extinction ratio can be increased.
一方、実施形態2で説明したことは、図20に示す実施形態5でも全く同様に適用可能である。従って、数百GHz範囲にわたる可変帯域範囲を有する平坦性周波数スペクトルフィルタも可能になる。 On the other hand, what has been described in the second embodiment is also applicable to the fifth embodiment shown in FIG. Accordingly, a flat frequency spectrum filter having a variable band range over several hundred GHz range is also possible.
(実施形態6)
図22は、本発明に係るラダー干渉型波長可変フィルタの実施形態6を説明するための構成図で、波長可変動作のために、電極による電流注入構造を設けたラダー干渉型波長フィルタの構造である。図中符号221は入力導波路、221aは入力導波路側の波長可変制御用電極、222−1〜222−Nは入力側導波路の光結合器、223−1〜223−Nはアレー導波路、224は出力導波路、224aは出力導波路側の波長可変制御用電極、225−1〜225−Nは出力側導波路の光結合器を示している。
(Embodiment 6)
FIG. 22 is a block diagram for explaining the sixth embodiment of the ladder interference type wavelength tunable filter according to the present invention, and shows the structure of a ladder interference type wavelength filter provided with a current injection structure using electrodes for wavelength tunable operation. is there. In the figure,
本実施形態6で用いたエピタキシャル基板の層構造は、上述した図13に示した構造と同じである。波長可変動作は、実施携帯2の場合と同様に、本実施形態6に示したラダー干渉型波長可変フィルタのL1及びL2の屈折率を変化させることにより得ることができる。また、帯域可変動作は、実施形態5で説明したように、MZI光結合器のkを制御することにより得られる。但し、アレー導波路の過剰光路長差により平坦性波長スペクトルを波長可変動作時、一定に保つためには過剰光路長差を与えているラダー間の電極長を最適化する必要がある。
The layer structure of the epitaxial substrate used in the sixth embodiment is the same as the structure shown in FIG. The wavelength variable operation can be obtained by changing the refractive indexes of L 1 and L 2 of the ladder interference type wavelength variable filter shown in the sixth embodiment, as in the case of the
つまり、上述した電極長を最適化しないと、波長可変動作時に屈折率変化量に比例して波長スペクトル形状が段々崩れると同時に波長スペクトルの平坦性も失ってしまう。この問題は過剰光路長変化分(p×ΔS:pは整数、但しp≠0)に比例して電極長を調整することで解決する。図22に示したフィルタ素子の構造では、過剰光路長変化はMZI光結合器のkを任意の値から1に制御することにより得られる。この場合、それぞれのアレー導波路間をつなぐ入出力導波路側の電極長L1及びL2を一定に設定すれば、ラダー干渉計を伝搬する光波に過剰光路長変化(p×ΔS)を与えたときの電極長はp×L1及びp×L2となる。従って、波長可変動作時、平坦性波長スペクトル形状を一定に保つことが可能になる。 That is, if the above-described electrode length is not optimized, the wavelength spectrum shape gradually collapses in proportion to the amount of change in refractive index during wavelength variable operation, and at the same time, the flatness of the wavelength spectrum is lost. This problem is solved by adjusting the electrode length in proportion to the excess optical path length change (p × ΔS: p is an integer, where p ≠ 0). In the structure of the filter element shown in FIG. 22, the excess optical path length change is obtained by controlling k of the MZI optical coupler from an arbitrary value to 1. In this case, if the electrode lengths L 1 and L 2 on the input / output waveguides connecting the respective arrayed waveguides are set to be constant, an excess optical path length change (p × ΔS) is given to the light wave propagating through the ladder interferometer. In this case, the electrode lengths are p × L 1 and p × L 2 . Accordingly, it is possible to keep the flat wavelength spectrum shape constant during wavelength variable operation.
図23は、図22に示したラダー干渉型波長可変フィルタの波長可変及び帯域可変特性図で、ラダー干渉型波長フィルタの帯域可変及び波長可変動作を示している。この場合、L1電極に電流を注入すると、λ0は短波長側にシフトし、L2電極に電流を注入すると、λ0は長波長側にシフトする。但し、入力導波路から入射した光が伝搬するについて光路長差が減少するラダー干渉計の場合は、L1電極に電流を注入すると、λ0は長波長側にシフトし、L2電極に電流を注入すると、λ0は短波長側にシフトする。この場合、回折次数は120であり、λ0は1550nmと設定している。図23に示すように、電極L1及びL2に電流注入を行い、光導波路の実効屈折率を0.18%変化させることにより、1.25THz周波数範囲で波長可変できることが分かる。 FIG. 23 is a wavelength variable and band variable characteristic diagram of the ladder interference type wavelength tunable filter shown in FIG. 22 and shows the band variable and wavelength variable operations of the ladder interference type wavelength filter. In this case, when current is injected into the L 1 electrode, λ 0 is shifted to the short wavelength side, and when current is injected into the L 2 electrode, λ 0 is shifted to the long wavelength side. However, in the case of a ladder interferometer in which the optical path length difference decreases as light incident from the input waveguide propagates, when current is injected into the L 1 electrode, λ 0 shifts to the long wavelength side, and current flows into the L 2 electrode. Λ 0 shifts to the short wavelength side. In this case, the diffraction order is 120, and λ 0 is set to 1550 nm. As shown in FIG. 23, it can be seen that the wavelength can be varied in the frequency range of 1.25 THz by injecting current into the electrodes L 1 and L 2 and changing the effective refractive index of the optical waveguide by 0.18%.
なお、MZI光結合器のkを制御することによりアレー導波路本数に相当する平坦性周波数スペクトルの透過帯域が波長可変動作と独立に制御できること及び波長可変動作時に平坦性周波数スペクトルが一定に保たれる(シェイプファクタ=0.54)ことが確認できた。 By controlling k of the MZI optical coupler, the transmission band of the flat frequency spectrum corresponding to the number of arrayed waveguides can be controlled independently of the wavelength variable operation, and the flat frequency spectrum is kept constant during the wavelength variable operation. (Shape factor = 0.54).
平坦性周波数スペクトルを有するラダー干渉型波長フィルタは、回折次数だけを変化させれば、帯域可変範囲及び波長可変範囲を数THz及び数十THzまで容易に増大することが可能である。本発明のフィルタ素子の導波路パラメータと全く同様であり、回折次数だけが7と設定されたラダー干渉型波長フィルタの場合、0.22%の屈折率変化で帯域可変範囲及び波長可変範囲はそれぞれ1及び250THzまで増大することが可能である。 A ladder interference type wavelength filter having a flat frequency spectrum can easily increase the band variable range and the wavelength variable range to several THz and several tens of THz by changing only the diffraction order. In the case of a ladder interference type wavelength filter that is exactly the same as the waveguide parameter of the filter element of the present invention and in which only the diffraction order is set to 7, the band variable range and the wavelength variable range are each 0.22% in refractive index change. It can be increased to 1 and 250 THz.
11,51,71,101,121,171,191,221 入力導波路
12−1〜12−N,52−1〜52−N,72−1〜72−N,102−1〜102−N,122−1〜122−N,172−1〜172−N,192−1〜192−N,222−1〜222−N 入力側導波路の光結合器
13−1〜13−N,53−1〜53−N,73−1〜73−N,103−1〜103−N,123−1〜123−N,173−1〜173−N,193−1〜193−N,223−1〜223−N アレー導波路
14,54,74,104,124,174,194,224 出力導波路
15−1〜15−N,55−1〜55−N,75−1〜75−N,105−1〜105−N,125−1〜125−N,175−1〜175−N,195−1〜195−N,225−1〜225−N 出力側導波路の光結合器
31 光導波路
31a 屈折率変化領域
32 3dB結合器
121a,221a 入力導波路側の波長可変制御用電極
124a,224a 出力導波路側の波長可変制御用電極
131 InP基板
132 n型InP層
133 GaInAsP層(λg=1.4μm)
134 p--InP層
135 p+-InP層
136 p+-InGaAs層
11, 51, 71, 101, 121, 171, 191, 221 Input waveguides 12-1 to 12-N, 52-1 to 52-N, 72-1 to 72-N, 102-1 to 102-N, 122-1 to 122 -N, 172-1 to 172 -N, 192-1 to 192 -N, 222-1 to 222 -N Input side waveguide optical couplers 13-1 to 13 -N, 53-1 -53-N, 73-1 to 73-N, 103-1 to 103-N, 123-1 to 123-N, 173-1 to 173-N, 193-1 to 193-N, 223-1 to 223 -N array waveguide 14, 54, 74, 104, 124, 174, 194, 224 Output waveguide 15-1 to 15-N, 55-1 to 55-N, 75-1 to 75-N, 105-1 -105-N, 125-1 to 125-N, 175-1 to 175-N, 195-1 to 195-N, 2 5-1 to 225-N Output side waveguide optical coupler 31 Optical waveguide 31a Refractive index change region 32 3 dB coupler 121a, 221a Wavelength variable control electrode 124a, 224a on input waveguide side Wavelength variable on output waveguide side Control electrode 131 InP substrate 132 n-type InP layer 133 GaInAsP layer (λg = 1.4 μm)
134 p -- InP layer 135 p + -InP layer 136 p + -InGaAs layer
Claims (6)
6. The wavelength filter according to claim 4, wherein the selected wavelength is variable by changing the refractive index of the input / output waveguide by heat, voltage application, or current injection, and the refractive index changing region length is guided to the array. By adjusting in proportion to the optical path length difference between the waveguides, the flatness spectrum wavelength characteristics can be kept constant during wavelength variable operation, and the selected wavelength variable operation and band variable operation can be performed independently. Tunable wavelength filter.
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