JP2007163835A - Wavelength selecting element and optical resonator - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複数の波長を含む光から特定波長の光を選択する波長選択素子、及びこの波長選択素子を用いた光共振器に関する。 The present invention relates to a wavelength selection element that selects light of a specific wavelength from light including a plurality of wavelengths, and an optical resonator using the wavelength selection element.
近年、波長多重通信(WDM:wavelength division multiplexing)システムの発展にともない、波長多重光から特定波長の光を選択する波長選択素子の重要性が増している。波長選択素子は、たとえば波長可変レーザの構成部品として用いられる(たとえば、非特許文献1参照)。 In recent years, with the development of a wavelength division multiplexing (WDM) system, the importance of wavelength selection elements that select light of a specific wavelength from wavelength multiplexed light has increased. The wavelength selection element is used, for example, as a component of a wavelength tunable laser (see, for example, Non-Patent Document 1).
非特許文献1に開示された波長可変レーザは、光の伝搬方向に沿って直列に配置された、レーザ光源、光偏向器、反射ミラー、レンズ及び反射型回折格子から構成されている。ここで、波長選択素子は、光偏向器、レンズ及び反射型回折格子からなる。
The wavelength tunable laser disclosed in Non-Patent
この波長可変レーザでは、レーザ光源から発生した光は、光偏向器により出射角が調整される。そして、出射角が調整された光は、レーザ光源の外部に設けられたレンズに向かって出射される。その際、光の出射角に応じて、光偏向器から反射型回折格子に至るまでの光の伝搬経路(光路長)が変化する。 In this wavelength tunable laser, the emission angle of the light generated from the laser light source is adjusted by the optical deflector. The light whose emission angle is adjusted is emitted toward a lens provided outside the laser light source. At this time, the light propagation path (optical path length) from the optical deflector to the reflective diffraction grating changes according to the light emission angle.
光は、レンズを通過する際に屈折されて、所定の入射角で反射型回折格子に入射する。反射型回折格子に入射した光のうち、入射角と等しい回折角で反射された光が、回折角に応じて単色化される。単色化された光は、入射の際と逆の経路(反射型回折格子→レンズ)をたどって反射ミラーに帰還する。反射ミラーに帰還した光は再度反射され、光共振器内部(反射型回折格子と反射ミラーとの間)を幾度となく往復する。これにより、所定波長のレーザ光が発振する。
この波長可変レーザは、モードホッピングが生じないように設計されている。つまり、波長可変レーザを構成する波長選択素子は、レーザ光の選択波長が長くなるにしたがって、光路長が長くなるように設計されている。すなわち、この波長選択素子では、選択波長の波長変化率と光路長の変化率との比(以下、「波長−光路長比」とも称する。)は正(>0)に固定されている。 This tunable laser is designed so that mode hopping does not occur. That is, the wavelength selection element constituting the wavelength tunable laser is designed so that the optical path length increases as the selection wavelength of the laser light increases. That is, in this wavelength selection element, the ratio between the wavelength change rate of the selected wavelength and the change rate of the optical path length (hereinafter also referred to as “wavelength-optical path length ratio”) is fixed to positive (> 0).
このように、この波長選択素子は、選択波長が長くなるにつれて、光路長、つまり遅延時間が長くなるように設計されている。したがって、この波長選択素子は、選択波長の長短に応じて遅延時間を変化させる光遅延線としても捉えることができる。 Thus, this wavelength selection element is designed so that the optical path length, that is, the delay time becomes longer as the selected wavelength becomes longer. Therefore, this wavelength selection element can also be regarded as an optical delay line that changes the delay time according to the length of the selected wavelength.
しかし、この波長選択素子は、波長−光路長比が固定されているので、「選択波長が長くなるほど、遅延時間を長くする」ことしかできなかった。そのため、光遅延線への柔軟な応用が阻害されていた。 However, since this wavelength selection element has a fixed wavelength-optical path length ratio, it has only been able to “make the delay time longer as the selected wavelength becomes longer”. This hinders flexible application to optical delay lines.
この発明は、上述のような問題点に鑑みなされたものである。 The present invention has been made in view of the above problems.
したがって、この発明の第1の目的は、波長−光路長比を柔軟に変更できる波長選択素子を提供することにある。 Accordingly, a first object of the present invention is to provide a wavelength selection element capable of flexibly changing the wavelength-optical path length ratio.
また、この発明の第2の目的は、上述の波長選択素子を用いた光共振器であって、波長−光路長比を調整することでモードホッピングを抑制した光共振器を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide an optical resonator using the above-described wavelength selection element, in which mode hopping is suppressed by adjusting the wavelength-optical path length ratio. .
上述した課題を解決するために、この発明の第1の要旨による波長選択素子は、平面導波路と、チャネル型導波路と、反射型回折格子と、反射鏡と、光偏向部とを備えている。 In order to solve the above-described problem, a wavelength selection element according to the first aspect of the present invention includes a planar waveguide, a channel-type waveguide, a reflection-type diffraction grating, a reflection mirror, and an optical deflection unit. Yes.
チャネル型導波路は、入力された光を、光伝搬方向に沿うチャネル型導波路の一面を介して平面導波路へと結合する。 The channel-type waveguide couples input light into a planar waveguide via one surface of the channel-type waveguide along the light propagation direction.
反射型回折格子は、上述の光伝搬方向に対して第1の傾斜角だけ傾いて延在する格子面を備え、かつ、平面導波路を挟んでチャネル型導波路に対向して配置されている。そして、反射型回折格子は、平面導波路に結合された光を回折する。 The reflective diffraction grating has a grating surface extending at a first inclination angle with respect to the above-described light propagation direction, and is disposed to face the channel-type waveguide with the planar waveguide interposed therebetween. . The reflective diffraction grating diffracts the light coupled to the planar waveguide.
反射鏡は、上述の光伝搬方向に対して第2の傾斜角だけ傾いて延在し、かつ格子面と交差する法線を有する反射面を備えている。そして、平面導波路を挟んで反射型回折格子に対向して配置されている。また、反射鏡は、格子面で回折された光をこの反射型回折格子に向けて反射する。 The reflecting mirror includes a reflecting surface that extends with an inclination of the second inclination angle with respect to the light propagation direction and has a normal line that intersects the lattice plane. And it arrange | positions facing a reflection type diffraction grating on both sides of a planar waveguide. The reflecting mirror reflects the light diffracted on the grating surface toward the reflection type diffraction grating.
光偏向部は、平面導波路に結合された光の格子面に対する入射角を変化させる。 The light deflector changes the incident angle of the light coupled to the planar waveguide with respect to the lattice plane.
この波長選択素子によれば、チャネル型導波路に入力された光は、平面導波路へと結合される。そして、この光は、光偏向部により入射角が調整された上で反射型回折格子に入射する。反射型回折格子に入射した光は、波長ごとに異なる方向に回折されることで波長選択される。 According to this wavelength selection element, the light input to the channel type waveguide is coupled to the planar waveguide. Then, this light is incident on the reflection type diffraction grating after the incident angle is adjusted by the light deflector. The light incident on the reflective diffraction grating is selected in wavelength by being diffracted in different directions for each wavelength.
回折された光の中で反射鏡に対して垂直な方向に伝搬する波長の光のみが、反射鏡で反射され反射型回折格子に帰還する。帰還した光は、反射型回折格子により回折されることで再度波長が選択され、伝搬経路を逆にたどり、波長選択された出力光としてチャネル型導波路から出力される。 Of the diffracted light, only light having a wavelength propagating in a direction perpendicular to the reflecting mirror is reflected by the reflecting mirror and returned to the reflective diffraction grating. The returned light is diffracted by the reflection type diffraction grating, the wavelength is selected again, the propagation path is reversed, and the wavelength-selected output light is output from the channel waveguide.
ここで、光偏向部を用いて反射型回折格子に対する光の入射角を変更することにより、出力光の波長を変化させることができる。より詳細には、入射角を小さくするほど、出力光の波長は長くなる。 Here, the wavelength of the output light can be changed by changing the incident angle of the light with respect to the reflective diffraction grating by using the light deflecting unit. More specifically, the smaller the incident angle, the longer the wavelength of the output light.
また、第1の傾斜角及び第2の傾斜角を調整することにより、出力光の波長変化率に対する光路長の変化率の比率(波長−光路長比)を所望の値に設定することができる。 Further, by adjusting the first tilt angle and the second tilt angle, the ratio of the change rate of the optical path length to the change rate of the wavelength of the output light (wavelength-optical path length ratio) can be set to a desired value. .
この発明の実施にあたり、好ましくは、光偏向部は、チャネル型導波路に設けられており、チャネル型導波路の屈折率を変化させることによって入射角を調整する構成であってもよい。 In practicing the present invention, preferably, the optical deflecting unit is provided in the channel type waveguide, and the incident angle may be adjusted by changing the refractive index of the channel type waveguide.
このように、チャネル型導波路の屈折率を変化させることにより、チャネル型導波路から平面導波路へと結合される光の伝搬方向を変化させることができる。これにより、反射型回折格子に対する光の入射角を調整することができる。 Thus, by changing the refractive index of the channel-type waveguide, the propagation direction of light coupled from the channel-type waveguide to the planar waveguide can be changed. Thereby, the incident angle of the light with respect to a reflection type diffraction grating can be adjusted.
また、この発明の他の好適実施例によれば、好ましくは、光偏向部は、平面導波路の一部又は全部の領域に設けられ、この領域の屈折率を変化させることにより入射角を調整する構成であってもよい。 According to another preferred embodiment of the present invention, preferably, the light deflector is provided in a part or all of the area of the planar waveguide, and the incident angle is adjusted by changing the refractive index of this area. It may be configured to.
このように、平面導波路の一部又は全部の領域の屈折率を変化させることによっても、平面導波路内を伝搬する光の伝搬方向を変化させることができる。これにより、反射型回折格子に対する光の入射角を調節することができる。 Thus, the propagation direction of light propagating in the planar waveguide can also be changed by changing the refractive index of a part or all of the region of the planar waveguide. Thereby, the incident angle of the light with respect to a reflection type diffraction grating can be adjusted.
また、この発明のさらに他の好適実施例によれば、好ましくは、光偏向部は、チャネル型導波路に設けられた第1光偏向部と、平面導波路の一部又は全部の領域に設けられた第2光偏向部とを備え、第1光偏向部はチャネル型導波路の屈折率を、及び、第2光偏向部は平面導波路の領域の屈折率を、それぞれ変化させることによって入射角を調整する構成であってもよい。 According to still another preferred embodiment of the present invention, preferably, the optical deflection section is provided in the first optical deflection section provided in the channel-type waveguide and in a part or all of the planar waveguide. The second optical deflecting unit, the first optical deflecting unit is incident by changing the refractive index of the channel waveguide, and the second optical deflecting unit is incident by changing the refractive index of the planar waveguide region. The structure which adjusts a corner | angular may be sufficient.
また、この発明のさらに他の好適実施例によれば、光偏向部を平面導波路の一部の領域とした場合、光偏向部は、反射型回折格子に向かうにしたがって幅が狭くなる平面形状とされていることが好ましい。 According to still another preferred embodiment of the present invention, when the light deflection unit is a partial region of the planar waveguide, the light deflection unit has a planar shape whose width becomes narrower toward the reflective diffraction grating. It is preferable that
また、この発明の実施にあたり、チャネル型導波路の一面と、平面導波路のこの一面に対向する面との間には間隙が設けられており、この間隙の幅が、反射型回折格子に向かうにしたがって小さくなるように、チャネル型導波路及び平面導波路が配置されていることが好ましい。 In carrying out the present invention, a gap is provided between one surface of the channel-type waveguide and the surface of the planar waveguide facing the one surface, and the width of this gap is directed to the reflective diffraction grating. It is preferable that the channel-type waveguide and the planar waveguide are arranged so as to become smaller with time.
このようにすることにより、チャネル型導波路から平面導波路へと結合される光の強度分布をガウス分布とすることができる。 By doing so, the intensity distribution of the light coupled from the channel-type waveguide to the planar waveguide can be a Gaussian distribution.
また、この波長選択素子において、平面導波路、チャネル型導波路、反射型回折格子、反射鏡、及び光偏向部が共通の基板に集積されていることが好ましい。 In this wavelength selection element, it is preferable that the planar waveguide, the channel type waveguide, the reflection type diffraction grating, the reflecting mirror, and the light deflection unit are integrated on a common substrate.
この発明の第2の要旨による第1の光共振器は、上述の波長選択素子を構成要素としており、チャネル型導波路の光入出力端面に、反射ミラーを備えている。 A first optical resonator according to a second aspect of the present invention includes the above-described wavelength selection element as a constituent element, and includes a reflection mirror on the light input / output end face of the channel waveguide.
この発明の第3の要旨による第2の光共振器は、上述の波長選択素子を構成要素としており、チャネル型導波路の光入出力端面との間に間隔を空けて対向して反射ミラーを備えている。 A second optical resonator according to a third aspect of the present invention includes the above-described wavelength selection element as a component, and a reflection mirror is provided facing the light input / output end face of the channel waveguide with a space therebetween. I have.
第1の光共振器及び第2の光共振器は、上述の波長選択素子を備えている。したがって、上述した第1の傾斜角(反射型回折格子)と第2の傾斜角(反射鏡)とを調整することにより、波長−光路長比を所望の値に設定することができる。よって、波長−光路長比を、出力光が長波長化するにしたがって光路長が長くなるように設定することにより、第1の光共振器及び第2の光共振器は、モードホッピングを生じることなくレーザ光の波長選択を行うことができる。 The first optical resonator and the second optical resonator include the above-described wavelength selection element. Therefore, the wavelength-optical path length ratio can be set to a desired value by adjusting the first tilt angle (reflection diffraction grating) and the second tilt angle (reflecting mirror). Therefore, by setting the wavelength-optical path length ratio so that the optical path length becomes longer as the output light becomes longer, the first optical resonator and the second optical resonator cause mode hopping. Therefore, the wavelength of the laser beam can be selected.
この発明の波長選択素子は、従来技術に比較して波長−光路長比を柔軟に変更できる。したがって、この波長選択素子を用いることで、「選択波長が長くなるほど、遅延時間が長くなる」のみでなく、「選択波長が長くなるほど、遅延時間が短くなる」ような光遅延線を得ることができる。 The wavelength selection element of the present invention can flexibly change the wavelength-optical path length ratio as compared with the prior art. Therefore, by using this wavelength selection element, not only “the longer the selected wavelength, the longer the delay time” but also “the longer the selected wavelength, the shorter the delay time” can be obtained. it can.
また、波長−光路長比が適当に設定された波長選択素子を構成要素とする光共振器では、選択波長を変化させる過程で、モードホッピングが発生しない。 In addition, in an optical resonator including a wavelength selection element with an appropriately set wavelength-optical path length ratio, mode hopping does not occur in the process of changing the selection wavelength.
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。以下に説明する実施の形態は、(実施の形態1)及び(実施の形態2)に分かれている。(実施の形態1)では、波長選択素子について説明する。そして、(実施の形態2)では、この波長選択素子を利用した光共振器について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The embodiment described below is divided into (Embodiment 1) and (Embodiment 2). In (Embodiment 1), a wavelength selection element will be described. In (Embodiment 2), an optical resonator using this wavelength selection element will be described.
尚、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係を、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは単なる好適例に過ぎない。したがって、この発明は以下の実施の形態に何ら限定されない。 Each drawing merely schematically shows the shape, size, and arrangement relationship of each component to the extent that the present invention can be understood. Moreover, although the preferable structural example of this invention is demonstrated below, the material of each component, a numerical condition, etc. are only a suitable example. Therefore, the present invention is not limited to the following embodiment.
(実施の形態1:波長選択素子)
図1〜図7を参照して波長選択素子につき説明する。図1は、波長選択素子の概略構成を示す拡大斜視図である。図2は、図1のI−I線に沿って切断した断面切り口を示す図である。図3は、波長選択素子において光結合部付近の構造を拡大した模式図である。図4は、結合光のガウスビーム化の説明に供する図である。図5は、波長選択素子の設計条件の説明に供する模式図である。図6(A)〜(C)及び図7は、光偏向部の変形例の説明に供する模式図である。
(Embodiment 1: Wavelength selection element)
The wavelength selection element will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an enlarged perspective view showing a schematic configuration of the wavelength selection element. FIG. 2 is a view showing a cross-section cut along the line II in FIG. FIG. 3 is an enlarged schematic view of the structure near the optical coupling portion in the wavelength selection element. FIG. 4 is a diagram for explaining the conversion of the combined light into a Gaussian beam. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the design conditions of the wavelength selection element. FIGS. 6A to 6C and FIG. 7 are schematic views for explaining a modification of the light deflection unit.
主に図1を参照して、波長選択素子10の平面的な構造につき説明する。
The planar structure of the
まず、以下の説明で用いる座標系を定義する。図1に示したように、チャネル型導波路14内を伝搬する光の進行方向をX方向と称する。また、平面導波路12が延在する面内においてX方向に直交する方向をY方向と称する。また、X方向とY方向とに直交する方向をZ方向と称する。
First, a coordinate system used in the following description is defined. As shown in FIG. 1, the traveling direction of light propagating in the
波長選択素子10は、平面導波路12、チャネル型導波路14、反射型回折格子16、反射鏡18、及び光偏向部20を備える。これらの構成要素12,14,16,18及び20は、共通の基板22に集積されている。
The
基板22は、平面形状が矩形の板状体であり、互いに平行に延在する第1主面22a及び第2主面22bを備える。ここで、X方向及びY方向は、第1主面22aに平行な面内にある。また、Z方向は、この第1主面22aに直交する方向の面内にある。
The
平面導波路12は、第1主面22a上に配置されたプレーナ型導波路である。平面導波路12は、基板22よりも面積が小さく、ほぼ矩形状の平面形状をなす。平面導波路12の長辺(X方向に延びる)と基板22の長辺とは平行に延在している。そして、平面導波路12の反射型回折格子16側の端部付近は2箇所が切欠されている。この切欠により、平面導波路12には切欠部12a,12bが形成されている。なお、平面導波路12上にはp型クラッド層13が積層されている(後述:図2)。p型クラッド層13は、平面導波路12と平面形状が合同である。
The
この平面導波路12の周囲に、チャネル型導波路14、反射型回折格子16、及び反射鏡18が配置されている。
Around the
チャネル型導波路14は、第1主面22a上にX方向に沿って配置されている。チャネル型導波路14は、断面が矩形状の長尺な四角柱である。チャネル型導波路14の一端面は、光入出力端面14aとなっている。この光入出力端面14aは、基板22の側面と段差なく接続されている。
The
また、チャネル型導波路14のX方向に沿った一面、すなわち側面14bと、平面導波路12の側面12cとは、間隔Eを空けて互いに対向している(後述:図3)。側面14b、側面12c及び間隔Eで光結合部28が構成されている。この光結合部28については後述する。なお、チャネル型導波路14上にはp型クラッド層15が積層されている(後述:図2)。p型クラッド層15は、チャネル型導波路14と平面形状が合同である。
Further, one surface along the X direction of the
反射型回折格子16は、平面導波路12の切欠部12aに面した側面12dに作り込まれている。反射型回折格子16は、平面導波路12を挟んでチャネル型導波路14に対向して配置されている。
The
反射型回折格子16は、X方向に対して傾斜して延在している。より詳細には、反射型回折格子16の格子面16aは、チャネル型導波路14の光伝搬方向に対して、第1の傾斜角Θg(以下、傾斜角Θgとも称する。)をなして延在している。
The
反射型回折格子16は、ブレーズド格子である。格子面16aに形成された格子溝はZ方向に延在している。
The
反射型回折格子16が作り込まれる平面導波路12の側面12d(格子面16a)には、図示しない反射膜が成膜されている。この反射膜は、たとえば、屈折率が異なるSiO2膜とSiN膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜とする。
A reflective film (not shown) is formed on the
反射鏡18は、平面導波路12の切欠部12bに面した側面12eに作り込まれている。反射鏡18は、平面導波路12を挟んで反射型回折格子16に対向して配置されている。
The reflecting
反射鏡18は、X方向に対して傾斜して延在している。より詳細には、反射鏡18の反射面18aは、チャネル型導波路14の光伝搬方向に対して、第2の傾斜角Θm(以下、傾斜角Θmとも称する。)をなして延在している。
The reflecting
反射鏡18の反射面18aは、反射型回折格子16に臨んでいる。反射鏡18は、反射面18aの法線18Nが反射型回折格子16の格子面16aに交差するように配置されている。
The reflecting
また、反射面18a(側面12e)には、図示しない反射膜が成膜されている。この反射膜は、たとえば、屈折率が異なるSiO2膜とSiN膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜とする。
A reflective film (not shown) is formed on the
光偏向部20は、電極20a,20bと、これらの電極20a及び20bに挟まれたチャネル型導波路14である導波路部分14dとを備える。電極20aは、導波路部分14d上に積層されたp型クラッド層15(後述:図2)の表面に設けられている。より詳細には、チャネル型導波路14と平面導波路12とが間隔Eを挟んで向かい合う領域で、電極20aは導波路部分14dと等しい平面形状とされている。また、電極20bは、基板22の第2主面22bの全面に設けられている。
The
絶縁層26は、切欠部12a及び12bを除く平面導波路12、並びにチャネル型導波路14の周囲を囲んで、第1主面22a上に設けられている。したがって、絶縁層26は、チャネル型導波路14の側面14bと平面導波路12の側面12cとの間の間隔Eにも充填されることとなる。
The insulating
つぎに、主に図2を参照して、波長選択素子10の断面的な構造につき説明する。
Next, a cross-sectional structure of the
基板22の第1主面22a上に、平面導波路12及びp型クラッド層13がこの順序で積層された構造体S1が形成されている。同様に、第1主面22a上には、チャネル型導波路14及びp型クラッド層15がこの順序で積層された構造体S2が形成されている。構造体S1及びS2は、間隔Eを空けて互いに対向して配置されている。また、p型クラッド層15の上面には、電極20aが設けられている。基板22の第2主面22bには、電極20bが設けられている。
On the first
つぎに、図1及び図2を参照して、波長選択素子10を構成する部品の寸法及び材質について説明する。
Next, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the dimensions and materials of the components constituting the
基板22は、好ましくは、たとえばX方向の長さを約600μm、Y方向の長さを約50μm、及びZ方向の長さ(厚み)を約300μmとする。基板22としては、好ましくは、たとえば導電型がn型のInPを用いる。
For example, the
平面導波路12は、好ましくは、たとえばX方向の長さを約500μm、Y方向の長さを約40μm、及びZ方向の長さ(厚み)を約0.4μmとする。平面導波路12としては、好ましくは、たとえばInGaAsPを用いる。この結果、平面導波路12の等価屈折率npは、たとえば約3.4となる。
The
チャネル型導波路14は、好ましくは、たとえばX方向の長さを約350μm、Y方向の長さを約2μm、及びZ方向の長さ(厚み)を約0.4μmとする。チャネル型導波路14としては、好ましくは、たとえばInGaAsPを用いる。この結果、チャネル型導波路14の等価屈折率ncは、たとえば約3.4となる。なお、後述する(1)式を満たすために、チャネル型導波路14の等価屈折率ncと平面導波路12の等価屈折率npとは、nc>npの大小関係とされている。
For example, the
また、チャネル型導波路14のうち平面導波路12と対向する部分(導波路部分14d)のX方向に沿った長さを、好ましくは、たとえば約300μmとする。
In addition, the length along the X direction of the portion of the channel-
p型クラッド層13及び15は、好ましくは、たとえばZ方向の長さ(厚み)を約2μmとする。p型クラッド層13及び15としては、導電型がp型のInPを用いる。 The p-type cladding layers 13 and 15 preferably have a length (thickness) in the Z direction of about 2 μm, for example. As the p-type cladding layers 13 and 15, InP whose conductivity type is p-type is used.
絶縁層26としては、絶縁性(ノンドープ)のInPを用いる。絶縁層26は、構造体S1及びS2に等しい厚み(約2μm)とする。絶縁層26の等価屈折率は、たとえば約3.17とする。
As the insulating
また、電極20a及び20bとしては、たとえば、Ti膜、Pt膜及びAu膜をこの順序で積層した後に熱処理を施した構造体を用いる。電極20a及び20bのZ方向の長さ(厚み)は、好ましくは、たとえば約0.5μmとする。
As the
また、反射型回折格子16の格子定数dは、好ましくは、たとえば約0.4μmとする。
The grating constant d of the
つぎに、図3を参照して、光結合部28につき説明する。
Next, the
チャネル型導波路14の側面14b及び平面導波路12の側面12cは、それぞれ平滑な平面である。また、側面14bと側面12cとは、非平行に配置されている。よって、両側面12c,14b間の間隔Eは、チャネル型導波路14の光入出力端面14aから反対側の端面14cに向かって、徐々にY方向の長さ(幅)Hが狭くなるように形成される。換言すれば、チャネル型導波路14及び平面導波路12は、間隔Eの幅Hが、反射型回折格子16方向に向かうにしたがって小さくなるように配置されている。
The
具体的な寸法を挙げると、間隔Eの幅は、導波路部分14dの光入出力端面14a側の端部において約1.5μmである。また、間隔Eの幅は、導波路部分14dの端面14cにおいて約0.5μmである。
Specifically, the width of the interval E is about 1.5 μm at the end of the
つぎに、図1を参照して、波長選択素子10の動作につき説明する。
Next, the operation of the
チャネル型導波路14の光入出力端面14aからは、波長選択されるべき光I1(以下、入力光I1とも称する。)が入力される。入力光I1は、チャネル型導波路14をX方向に沿って端面14cに向かって伝搬する。
A light I 1 to be wavelength-selected (hereinafter also referred to as input light I 1 ) is input from the light input / output end face 14 a of the
入力光I1は、チャネル型導波路14を伝搬する過程で、光結合部28により平面導波路12へと結合される。より詳細には、入力光I1はエバネッセント波として、側面14bから間隔Eへと染みだし、側面12cを介して平面導波路12へと結合される。
The input light I 1 is coupled to the
間隔Eの幅H、及び光結合部28のX方向の長さを適当に選択することにより、入力光I1は、実質的に100%の結合効率で平面導波路12へと結合される。なお、「結合効率」とは、光結合部28を介して、チャネル型導波路14から平面導波路12に移行した光の強度割合のことをいう。
By appropriately selecting the width H of the interval E and the length of the
平面導波路12へと結合された光I2(以下、結合光I2とも称する。)は、ガウスビームとなり、変更可能な出射角Θで反射型回折格子16に向けて平面導波路12を伝搬する。
The light I 2 coupled to the planar waveguide 12 (hereinafter also referred to as coupled light I 2 ) becomes a Gaussian beam and propagates through the
なお、光結合部28により結合光I2がガウスビームとされるメカニズムについては後述する。また、光偏向部20により結合光I2の出射角Θが変更されるメカニズムについても後述する。
The mechanism by which the coupled light I 2 is converted into a Gaussian beam by the
結合光I2は、格子面16a上の点Pに入射角θで入射する。ここで入射角θとは、格子面16aの法線16Nと、結合光I2の伝搬方向とのなす角度とする。なお、図より明らかなように、出射角Θと入射角θとの間には、Θが大きくなるとθが小さくなる関係が成り立つ。
The coupled light I 2 is incident on the point P on the
その結果、結合光I2は、波長の長短に応じて異なる回折角で回折される。つまり、反射型回折格子16で回折されることで、結合光I2は波長分離される。
As a result, the coupled light I 2 is diffracted at different diffraction angles depending on the wavelength length. That is, the coupled light I 2 is wavelength-separated by being diffracted by the
波長分離された光のうち、回折角βの光(以下、回折光I3とも称する。)は、反射面18aの法線18Nに一致する方向に平面導波路12を伝搬する。そして、回折光I3は、反射面18aに垂直に入射し、反射面18aで反射される。つまり、反射面18aで反射されて格子面16a上の点Pに帰還することができるのは、回折角βに対応する波長(λ±Δλ1)を有する回折光I3だけである。
Of the wavelength separated light, the light of the diffraction angle beta (hereinafter, also referred to as the diffracted light I 3.) Propagates the
ここで、Δλ1は、回折光I3の波長分布曲線(中心波長=λ)の幅を表す変数である。また、回折角βとは、法線16Nと、回折光I3の伝搬方向とのなす角度とする。 Here, Δλ 1 is a variable representing the width of the wavelength distribution curve (center wavelength = λ) of the diffracted light I 3 . Further, the diffraction angle β is an angle formed between the normal 16N and the propagation direction of the diffracted light I 3 .
回折光I3は、反射面18aで反射され、反射面18aまでの伝搬経路を逆にたどって、再び格子面16aの点Pに入射する。ここで、反射面18aから格子面16aまでの経路を伝搬する光を反射光I4と称する。
The diffracted light I 3 is reflected by the reflecting
反射光I4は、格子面16aにより再び回折される。回折された反射光I4のうち、回折角が上述の入射角θと等しい光(以下、波長選択光I5とも称する。)のみが、チャネル型導波路14に帰還することができる。
The reflected light I 4 is diffracted again by the
ところで、結合光I2(上述)と反射光I4とは、等しい回折条件で回折される。よって、反射光I4は、波長λが選択される条件で、反射型回折格子16により2度目の波長選択を受けることとなる。2度にわたる波長選択の結果、波長選択光I5の波長分布は、回折光I3の波長分布に比べてよりシャープになる。つまり、波長選択光I5の波長はλ±Δλ2(ただし、Δλ1≧Δλ2)となる。
Incidentally, the combined light I 2 (described above) and the reflected light I 4 are diffracted under the same diffraction conditions. Therefore, the reflected light I 4 is subjected to the second wavelength selection by the
波長選択光I5は、結合光I2の伝搬経路を逆にたどって、光結合部28を介してチャネル型導波路14へと結合される。
The wavelength selection light I 5 follows the propagation path of the coupled light I 2 in the reverse direction and is coupled to the channel-
チャネル型導波路14に結合された波長選択光I5は、入力光I1とは逆の伝搬経路をたどり、波長選択された出力光I6として光入出力端面14aから出力される。
The wavelength-selected light I 5 coupled to the channel-
ここで、図4を参照して、光結合部28により結合光I2がガウスビームとされるメカニズムにつき説明する。
Here, with reference to FIG. 4, the mechanism by which the coupled light I 2 is converted into a Gaussian beam by the
なお、ガウスビームとは、伝搬方向に垂直な平面内における強度分布がガウス分布に従う光のことをいう。 The Gaussian beam refers to light whose intensity distribution in a plane perpendicular to the propagation direction follows the Gaussian distribution.
図4は、横軸が、チャネル型導波路14のX方向に沿った距離を示す。縦軸(左)は、光結合部28における結合効率(任意単位)を示す。そして、縦軸(右)は、チャネル型導波路14内における入力光I1の強度(任意単位)である。
FIG. 4 shows the distance along the X direction of the
曲線iは、光結合部28における結合効率の変化を模式的に表している。結合効率は、間隔Eの幅Hに依存することが知られている。つまり、幅Hが広いほど結合効率が小さく、幅Hが狭いほど結合効率が大きくなる。この結果、光結合部28の結合効率は、チャネル型導波路14の入出力端面14aから端面14cにかけて徐々に増加する。
A curve i schematically represents a change in coupling efficiency in the
曲線iiは、入力光I1のチャネル型導波路14内における強度の変化を模式的に表している。入力光I1は、伝搬とともに平面導波路12へと結合され、チャネル型導波路14から除かれる。この結果、入力光I1のチャネル型導波路14内における強度は、光入出力端面14aから端面14cにかけて徐々に減少する。
A curve ii schematically represents a change in intensity of the input light I 1 in the
曲線iiiは、チャネル型導波路14から平面導波路12に結合された結合光I2の側面12cにおける強度分布を模式的に表している。
Curve iii represents an intensity distribution in the
曲線iiiの形状は、X方向に沿った結合効率の増加(曲線i)と、入力光I1の強度減少(曲線ii)との兼ね合いで決定される。すなわち、曲線iに示すように、X方向に沿って結合効率が徐々に増加していくことから、曲線iiiは徐々に増加する。ところで、曲線iiに示すように入力光I1の強度は徐々に減少するので、やがて曲線iiiはピークをとり、その後は、徐々に減少していく。結果として、チャネル型導波路14から平面導波路12に結合された結合光I2の強度分布(曲線iii)は、実質的にガウス分布となる。
The shape of the curve iii is determined by a balance between an increase in coupling efficiency along the X direction (curve i) and a decrease in intensity of the input light I 1 (curve ii). That is, as shown by the curve i, the coupling efficiency gradually increases along the X direction, so that the curve iii gradually increases. Incidentally, since the intensity of the input light I 1 gradually decreases as shown by the curve ii, the curve iii eventually takes a peak and then gradually decreases. As a result, the intensity distribution (curve iii) of the coupled light I 2 coupled from the channel-
つまり、X方向に沿って間隔Eの幅Hを狭くしていくことにより、平面導波路12に結合された結合光I2は、ガウスビームとなる。
That is, by reducing the width H of the interval E along the X direction, the coupled light I 2 coupled to the
つぎに、光偏向部20により結合光I2の出射角Θが変更されるメカニズムにつき説明する。
Next, a mechanism by which the emission angle Θ of the combined light I 2 is changed by the
出射角Θは、チャネル型導波路14(より詳細には導波路部分14d)と平面導波路12の屈折率に依存して変化することが知られている。ここで、チャネル型導波路14の等価屈折率をncとし、平面導波路12の等価屈折率をnpとする。このとき、出射角Θと、等価屈折率nc,npとの間には、下記(1)式の関係が成り立つことが知られている。
It is known that the emission angle Θ varies depending on the refractive indexes of the channel waveguide 14 (more specifically, the
cosΘ=np/nc・・・(1)
ところで、光偏向部20において、電極20a及び20bとの間に逆バイアス電圧を印加すると、導波路部分14dに電界が生じる。この電界により電気光学効果が生じ、導波路部分14dの等価屈折率ncが変化する。よって、(1)式に基づき、結合光I2の出射角Θ、したがって、反射型回折格子16への入射角θが変化する。
cos Θ = n p / n c (1)
By the way, when a reverse bias voltage is applied between the
より詳細には、導波路部分14dの等価屈折率ncを大きくすれば、出射角Θが大きくなる。したがって、結合光I2の格子面16aへの入射角θは小さくなる。この結果、後述する理由により、波長選択光I5の選択波長λは長くなる。
More specifically, by increasing the equivalent refractive index n c of the
反対に、導波路部分14dの等価屈折率ncを小さくすれば、出射角Θが小さくなる。したがって、結合光I2の格子面16aへの入射角θは大きくなる。この結果、後述する理由により、波長選択光I5の選択波長λは短くなる。
Conversely, by reducing the equivalent refractive index n c of the
以上の説明から、等価屈折率nc(チャネル型導波路14)の変化率Δncに対する出射角の変化率ΔΘの比(ΔΘ/Δnc)は正(>0)であることがわかる。 From the above description, the ratio of the rate of change .DELTA..theta output angle with respect to the change rate [Delta] n c of the equivalent refractive index n c (channel waveguide 14) (ΔΘ / Δn c) is found to be positive (> 0).
つぎに、図5を参照して、波長選択素子10の設計条件に関して、以下の2項目につき説明する。
(A)出射角Θと選択波長λとの関係。
(B)傾斜角Θg及びΘmと光路長との関係。
Next, with reference to FIG. 5, the following two items will be described regarding the design conditions of the
(A) Relationship between emission angle Θ and selected wavelength λ.
(B) Relationship between the inclination angles Θ g and Θ m and the optical path length.
なお、図5では、波長選択素子10の構成部品を単純化して示すとともに、説明に不用な構成部品の図示を省略している。
In FIG. 5, the components of the
(A)及び(B)の説明に先立ち、図5における波長選択素子10の各構成部品の配置につき概説する。
Prior to the description of (A) and (B), the arrangement of each component of the
反射型回折格子16を、単に格子面16aとして示している。格子面16aは、X方向に対して傾斜角Θgだけ傾いて延在している。つまり、格子面16aとチャネル型導波路14の光伝搬方向とがなす角度の鋭角側はΘgである。
The
反射鏡18を、単に反射面18aとして示している。反射面18aは、X方向に対して傾斜角Θmだけ傾いて延在している。つまり、反射面18aとチャネル型導波路14の光伝搬方向とがなす角度の鋭角側はΘmである。
The reflecting
チャネル型導波路14に設けられた光偏向部20及び光結合部28を光入出射部30と総称し、単なる矩形として示す。
The
また、結合光I2及び波長選択光I5は、光入出射部30のX方向の中心点Oに入出射されるものとする。
Further, it is assumed that the combined light I 2 and the wavelength selection light I 5 enter and exit the center point O in the X direction of the light incident /
(A)出射角Θと選択波長λとの関係について
光入出射部30から出射角Θが0°で出射される結合光I2aにつき考える。
(A) Relationship between Output Angle Θ and Selected Wavelength λ Consider the coupled light I 2 a emitted from the light incident /
結合光I2aは、不図示の平面導波路12を伝搬して、格子面16a上の点P1に入射角αで入射する。ここで、中心点Oと点P1との距離をLgとする。また、点P1から反射面18aまでの距離をLmとする。
The coupled light I 2 a propagates through the planar waveguide 12 (not shown) and enters the point P1 on the
このとき、結合光I2aの格子面16aへの入射角αは、幾何学的に下記(2)式で与えられる。
At this time, the incident angle α of the coupled light I 2 a to the
α=π/2−Θg・・・(2)
また、回折光I3aの回折角βは、幾何学的に下記(3)式で与えられる。
α = π / 2−Θ g (2)
Further, the diffraction angle β of the diffracted light I 3 a is geometrically given by the following equation (3).
β=Θg−Θm・・・(3)
ところで、入射角αで格子面16aに入射した波長λの光が回折角βで回折される条件は、周知のように下記(4)式で与えられる。
β = Θ g −Θ m (3)
Incidentally, the condition that the light of wavelength λ incident on the
mλ=d(sin(α+Θ)+sinβ)・・・(4)
ただし、mは回折次数である。また、dは反射型回折格子16の格子定数である。
mλ = d (sin (α + Θ) + sinβ) (4)
Here, m is the diffraction order. D is the grating constant of the
ここで、(4)式の両辺の変分を取って、(2)式及び(3)式を代入すると、下記(5)式が得られる。 Here, by taking the variation of both sides of the equation (4) and substituting the equations (2) and (3), the following equation (5) is obtained.
Δλ/λ=Θcosα/(sinα+sinβ)=ΘsinΘg/(cosΘg+sin(Θg−Θm))・・・(5)
(5)式より、入射角Θが大きくなるほど選択波長光I5aの選択波長λが長くなることがわかる。
Δλ / λ = Θcosα / (sinα + sinβ) = ΘsinΘ g / (cosΘ g + sin (Θ g -Θ m)) ··· (5)
From the equation (5), it can be seen that as the incident angle Θ increases, the selected wavelength λ of the selected wavelength light I 5 a becomes longer.
(B)傾斜角Θg及びΘmと光路長との関係について
光入出射部30から出射角Θ(≠0°)で出射される結合光I2bにつき考える。
(B) Consider per coupling light I 2 b emitted by the emission angle theta from the light incidence and
結合光I2bは、不図示の平面導波路12を伝搬して、格子面16a上の点P2に入射する。ここで、中心点Oと点P2との距離をL1とする。また、点P2から反射面18aまでの距離をL2とする。さらに、点P2と上述の点P1との間の距離をLongとする。
The coupled light I 2 b propagates through the planar waveguide 12 (not shown) and enters the point P2 on the
このとき、中心点Oから反射面18aに至るまでの結合光I2bの光路長Ltotは、下記(6)式で与えられる。
At this time, the optical path length L tot of the coupled light I 2 b from the center point O to the reflecting
Ltot=L1+L2・・・(6)
よって、L1,L2のそれぞれをΘm及びΘgで表すことができれば、格子面16a及び反射面18aの配置と光路長Ltotとの関係が明らかとなる。
L tot = L 1 + L 2 (6)
Therefore, if each of L 1 and L 2 can be expressed by Θ m and Θ g , the relationship between the arrangement of the
L1に関しては、幾何学的に下記(7)式が成り立つ。 For the L 1, geometrically following equation (7) holds.
L1sinΘ=tanΘg(L1cosΘ−Lg)・・・(7)
よって、L1は(7)式を変形した下記(8)式で与えられる。
L 1 sin Θ = tan Θ g (L 1 cos Θ−L g ) (7)
Thus, L 1 is given by the following equation (8) obtained by modifying equation (7).
L1=Lg/(cosΘ−sinΘ/tanΘg)=LgsinΘg/sin(Θg−Θ)・・・(8)
また、L2に関しては、幾何学的に下記(9)式が成り立つ。
L 1 = L g / (cosΘ -sinΘ / tanΘ g) = L g sinΘ g / sin (Θ g -Θ) ··· (8)
As for the L 2, geometrically below equation (9) is satisfied.
L2=Lm−Longsin(Θg−Θm)・・・(9)
また、Longに関して、幾何学的に下記(10)式が成り立つ。
L 2 = L m -L ong sin (Θ g -Θ m) ··· (9)
Regarding Long , the following equation (10) holds geometrically.
Longsin(Θg−Θ)=LgsinΘ・・・(10)
よって、L2は(9)式と(10)式とからLongを消去した下記(11)式で与えられる。
L ong sin (Θ g -Θ) = L g sinΘ ··· (10)
Thus, L 2 is given by the following equation (11) erasing the L ong from (9) and (10).
L2=Lm−LgsinΘsin(Θg−Θm)/sin(Θg−Θ)・・・(11)
(6)式に、(7)式と(11)式とを代入することで、光路長Ltotは、下記(12)式で与えられる。
L 2 = L m -L g sinΘsin (Θ g -Θ m) / sin (Θ g -Θ) ··· (11)
By substituting the equations (7) and (11) into the equation (6), the optical path length L tot is given by the following equation (12).
Ltot=Lm+(Lg/sin(Θg−Θ)(sinΘg−sinΘsin(Θg−Θm))・・・(12)
(12)式を(2)式と(3)式とを用いて整理すると、下記(13)式が得られる。
L tot = L m + (L g / sin (Θ g -Θ) (sinΘ g -sinΘsin (Θ g -Θ m)) ··· (12)
When the equation (12) is rearranged using the equations (2) and (3), the following equation (13) is obtained.
Ltot=Lm+(Lg/cos(α+Θ)(cosα−sinΘsinβ))・・・(13)
(13)式の両辺の変分を取ることで、出射角Θに対する光路長Ltotの変化は、下記(14)式で与えられる。
L tot = L m + (L g / cos (α + Θ) (cos α−sin Θ sin β)) (13)
By taking the variation of both sides of the equation (13), the change in the optical path length L tot with respect to the emission angle Θ is given by the following equation (14).
ΔLtot=Lg(tanα−sinβ/cosα)Θ・・・(14)
(14)式は、αとβの値を調整することで、出射角Θの変化率ΔΘに対する光路長Ltotの変化率ΔLtotを変更可能であることを示している。
ΔL tot = L g (tan α−sin β / cos α) Θ (14)
Expression (14) indicates that the rate of change ΔL tot of the optical path length L tot with respect to the rate of change ΔΘ of the emission angle Θ can be changed by adjusting the values of α and β.
より具体的にいえば、αとβ(したがってΘgとΘm)を調整することでΔLtot/ΔΘの値をプラス(>0)にもマイナス(<0)にも変化させることができる。 More specifically, the value of ΔL tot / ΔΘ can be changed to plus (> 0) or minus (<0) by adjusting α and β (and hence Θ g and Θ m ).
つぎに、この波長選択素子10の奏する効果につき説明する。
Next, the effect produced by the
この波長選択素子10では、結合光I2の出射角Θの変化率ΔΘに対する光路長Ltotの変化率ΔLtotを自在に変更することが可能である((14)式)。ところで、出射角Θを変更することは、波長選択光I5の選択波長λを変化させることと同義である。よって、波長選択素子10においては、格子面16aの傾斜角Θg、及び、反射面18aの傾斜角Θmを調整することにより、選択波長λの変化率Δλに対する光路長Ltotの変化率ΔLtot(波長−光路長比)を自在に変化させることができる。
In this
これにより、波長と光路長との関係を従来技術の波長選択素子よりも柔軟に変化させることができる。よって、この波長選択素子10を、たとえば「選択波長が長くなるほど、遅延時間を短くする」ような光遅延線にも応用することができる。
Thereby, the relationship between the wavelength and the optical path length can be changed more flexibly than the wavelength selection element of the prior art. Therefore, the
また、この波長選択素子10では、入力光I1は、波長選択された出力光I5として光入出力端面14aから出力されるまでの間に2回にわたり反射型回折格子16で回折される。この結果、出力光I5の選択波長λの波長分布曲線の幅(Δλ2)を、リトロー(Littrow)型の波長選択素子よりも、狭くすることができる。つまり、波長選択性をリトロー型の波長選択性よりも向上させることができる。
Further, in the
また、従来技術の波長選択素子では、ガウスビームを得るためにレンズを用いなければならなかった。しかし、この波長選択素子10は、レンズを用いることなく、光結合部28が結合光I2をガウスビームとしている。ところで、波長選択光I5の波長に関する強度分布(横軸:波長、及び縦軸:強度)は、結合光I2の位置に関する強度分布(横軸:位置、及び縦軸:強度)のフーリエ変換で与えられる。よって、結合光I2の位置に関する強度分布をガウス分布とすることで、波長選択光I5の波長に関する強度分布をガウス分布とすることができる。
Further, in the prior art wavelength selection element, a lens must be used to obtain a Gaussian beam. However, the
また、従来技術の波長選択素子では、レンズを用いているために、構成部品間の光軸合わせを精密に行わねばならなかった。しかし、波長選択素子10は、レンズを用いていないので、構成部品(平面導波路12、チャネル型導波路14、反射型回折格子16及び反射鏡18)の光軸合わせの必要がない。
In addition, since the wavelength selection element of the prior art uses a lens, the optical axis between the components must be precisely adjusted. However, since the
また、波長選択素子10は、全ての構成部品(平面導波路12、チャネル型導波路14、反射型回折格子16及び反射鏡18)が、基板22にモノリシックに集積されているので、従来技術の波長選択素子に比べて小型である。
In addition, the
つぎに、この波長変換素子10で許容される設計条件の変更及び変形例につき説明する。
Next, changes and modifications of the design conditions allowed for the
まず、光偏向部20の変形例につき説明する。
First, a modified example of the
光偏向部は、チャネル型導波路14に設けられる必要はない。たとえば、図6(A)に示すように、平面導波路12の全部の領域を光偏向部32としてもよい。
The optical deflecting unit need not be provided in the channel-
つまり、平面導波路12上に配置されたp型クラッド層13の全面に電極34を設ける。そして、電極34及び20b間の印加電圧により平面導波路12の等価屈折率npを変化させ、結合光I2の出射角Θを調整してもよい。
That is, the
なお、(1)式から明らかなように、光偏向部32において、平面導波路12の等価屈折率npを大きくすると、出射角Θは小さくなる。逆に、平面導波路12の等価屈折率npを小さくすると、出射角Θは大きくなる。つまり、平面導波路12の等価屈折率npの変化率Δnpに対する出射角の変化率ΔΘの比(ΔΘ/Δnp)は負(<0)である。
As apparent from the equation (1), when the equivalent refractive index n p of the
また、図6(B)及び図6(C)に示すように、光偏向部36を平面導波路12の一部の領域に設けてもよい。この場合、光偏向部36は、反射型回折格子16に向かうにしたがって幅が狭くなる平面形状とする。
Further, as shown in FIGS. 6B and 6C, the
より正確に言えば、光偏向部36は、結合光I2及び波長選択光I5の伝搬経路を含む領域に設けられる。そして、光偏向部36は、X方向に沿って格子面16a方向に向かうにつれて、Y方向に関する長さ(幅)が小さくなるように形成されている。
More precisely, the
光偏向部36の断面構造は、上述の光偏向部32と同様である。つまり、p型クラッド層13上に、光偏向部36と合同の平面形状の電極38が設けられる。
The cross-sectional structure of the
図6(B)に示す光偏向部36は、格子面16aと対向する辺36aがX方向に対して傾斜して延在している。また、図6(C)に示す光偏向部36は、格子面16aと対向する辺36a及びチャネル型導波路14に対向する辺36bの両者ともが、X方向に対して傾斜して延在している。
In the
これらの光偏向部36でも、電極38及び20b間の印加電圧により平面導波路12の等価屈折率npを変化させ、結合光I2の出射角Θを調整することができる。
Even these optical deflecting
また、図7に示すように、チャネル型導波路14に第1光偏向部40aを設け、かつ、平面導波路12に第2光偏向部40bを設け、第1及び第2光偏向部40a及び40bにより光偏向部40を構成してもよい。この場合、第2光偏向部40bとしては、図6(A)〜図6(C)で説明した光偏向部32及び36のいずれかを用いることができる。
In addition, as shown in FIG. 7, the channel-
このように、チャネル型導波路14と平面導波路12とに第1及び第2光偏向部40a及び40bを設けることにより、光偏向部40は、以下のような効果を奏する。
As described above, by providing the first and second
すなわち、チャネル型導波路14に設けた第1光偏向部40aにおける(ΔΘ/Δnc)は、上述のように正(>0)である((1)式の説明参照)。また、平面導波路12に設けた第2光偏向部40bにおける(ΔΘ/Δnp)は、負(<0)である。
That is, (ΔΘ / Δn c ) in the first
したがって、この場合、出射角Θの変化幅(ΔΘ)を、チャネル型導波路14及び平面導波路12のどちらか一方のみに光偏向部を設けたときの約2倍とすることができる。より具体的には、(Δnc>0かつΔnp<0)又は(Δnc<0かつΔnp>0)のように等価屈折率nc及びnpを変化させることにより、出射角Θの変化幅(ΔΘ)を大きくすることができる。
Therefore, in this case, the change width (ΔΘ) of the emission angle Θ can be approximately double that when the optical deflector is provided in only one of the channel-
また、この実施の形態においては、光結合部28の間隔Eの幅Hを徐々に狭くしていた。しかし、結合光I2が、ガウスビームでなくてもよい場合には、間隔Eの幅Hを場所によらず一定としてもよい。つまり、チャネル型導波路14の側面14bと平面導波路12の側面12cとを平行に配置してもよい。このようにすることによっても、チャネル型導波路14から、実質的に100%の結合効率で、入力光I1を平面導波路12へと結合することができる。
Further, in this embodiment, the width H of the interval E between the
また、この実施の形態においては、反射型回折格子16としてブレーズド格子を用いていた。しかし、反射型回折格子16としては、格子溝の断面形状が鋸歯状以外の形状を有するレリーフ型や、屈折率変調型を用いてもよい。
In this embodiment, a blazed grating is used as the
また、この実施の形態においては、電気光学効果を用いて、チャネル型導波路14の屈折率を変更していた。しかし、チャネル型導波路14の屈折率制御は、電気光学効果に限らず、たとえば、自由キャリアプラズマ効果、音響光学効果、磁気光学効果、熱光学効果及び非線形光学効果のいずれかの効果を利用して変更してもよい。特に、自由キャリアプラズマ効果を用いた場合には、チャネル型導波路14の屈折率の変更幅を、電気光学効果を利用する場合よりも大きくすることができる。その結果、より広い範囲で、波長選択を行うことができる。
In this embodiment, the refractive index of the channel-
また、この実施の形態においては、電極20bは、基板22の第2主面22bの全面に設けられていた。しかし、電極20bは、電極20aと向かい合って設けられていればよく、第2主面22bの全面に設けられる必要はない。
Further, in this embodiment, the
また、波長選択素子10の構成部品(平面導波路12、チャネル型導波路14、反射型回折格子16及び反射鏡18)の幾つかは、基板22と別体とされていてもよい。たとえば、反射型回折格子16や反射鏡18を基板22とは別部品として、基板22の外部に配置してもよい。
Some of the components of the wavelength selection element 10 (
(実施の形態2:光共振器)
図8を参照して、この発明の光共振器につき説明する。図8は、光共振器の概略構成を示す斜視図である。図9(A)及び(B)は、光共振器の変形例を示す模式図である。
(Embodiment 2: Optical resonator)
The optical resonator of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a perspective view showing a schematic configuration of the optical resonator. FIGS. 9A and 9B are schematic views showing a modification of the optical resonator.
なお、光共振器50は、反射ミラー52を備えている以外は、波長選択素子10と同様の構造である。したがって、図8において、図1と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
The
光共振器50は、波長選択素子10と反射ミラー52とを備えている。反射ミラー52は、チャネル型導波路14の光入出力端面14aを被覆している。反射ミラー52は、100%未満の反射率を有しており、たとえば、屈折率が異なるSiO2膜とSiN膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜からなる。
The
また、光共振器50において、反射型回折格子16の傾斜角Θg、及び反射鏡18の傾斜角Θmは、モードホッピングが生じないように調整されている。なお、モードホッピングを抑制する条件については後述する。
In the
また、図示はしないが、光共振器50の外部には、図示しないレーザ光源が設けられている。このレーザ光源の光出射口は、反射ミラー52に対向して配置されている。
Although not shown, a laser light source (not shown) is provided outside the
つぎに、おもに図8を参照して、光共振器50の動作につき説明する。
Next, the operation of the
レーザ光源から出射された光は、反射ミラー52を介して、光入出力端面14aから入力光I1としてチャネル型導波路14へと入力される。入力光I1は、チャネル型導波路14中を端面14c方向に伝搬していく過程で、光結合部28により、平面導波路12へと結合される。そして、光偏向部20により出射角がΘに調整された結合光I2として、平面導波路12中を反射型回折格子16に向けて伝搬する。
Light emitted from the laser light source is input to the channel-
平面導波路12中を伝搬する結合光I2は、格子面16a上の点Pに入射角θで入射する。反射型回折格子16に入射した結合光I2は、波長の長短に応じて異なる回折角で回折される。つまり、反射型回折格子16で回折されることで、結合光I2は波長分離される。
The coupled light I 2 propagating through the
回折された結合光I2のうち、回折角βの回折光I3は、反射鏡18の反射面18aで反射される。反射面18aで反射された反射光I4は、格子面16aの点Pに帰還し、再び反射型回折格子16により回折される。
Of the diffracted coupled light I 2 , the diffracted light I 3 having a diffraction angle β is reflected by the reflecting
回折されることで2度目の波長選択を受けた反射光I4のうち、回折角がθである波長選択光I5は、結合光I2の伝搬経路を逆にたどってチャネル型導波路14に帰還する。そして、光入出力端面14aに設けられた反射ミラー52で反射され、上述の経路と同様の経路を幾度となく往復する。
Of the reflected light I 4 that has been subjected to the second wavelength selection by being diffracted, the wavelength selective light I 5 whose diffraction angle is θ follows the propagation path of the coupled light I 2 in the reverse direction, and the channel-
往復のたびに、光の強度は増加していき、やがて反射ミラー52から、波長λのレーザ光として出射される。
The light intensity increases with each round-trip, and is eventually emitted from the
この光共振器50においては、光偏向部20により結合光I2の出射角Θを変更することにより、レーザ光の選択波長λを変化させることができる。また、上述のように、傾斜角Θg及びΘmが調整されているので、選択波長λを変化させる際にモードホッピングは生じない。
In the
つぎに、光共振器50において、モードホッピングを抑制するための条件につき説明する。
Next, conditions for suppressing mode hopping in the
ここで、モードホッピングとは、レーザ光の選択波長λを変化させていくと、選択波長λが不連続に変化する現象のことを示す。モードホッピングは、レーザ光の選択波長(縦モード波長)が、光共振器の光路長により決定される離散的な値を取ることに由来して発生する。 Here, the mode hopping indicates a phenomenon in which the selection wavelength λ changes discontinuously as the selection wavelength λ of the laser light is changed. Mode hopping occurs due to the fact that the selected wavelength (longitudinal mode wavelength) of the laser light takes a discrete value determined by the optical path length of the optical resonator.
よって、モードホッピングの抑制のためには、選択波長λを長く(短く)するとともに、光共振器50の光路長を長く(短く)しなければならない。以下、その条件につき説明する。
Therefore, in order to suppress mode hopping, it is necessary to lengthen (shorten) the selected wavelength λ and lengthen (shorten) the optical path length of the
光共振器50における共振条件は、光共振器50の光路長をTとした場合に、下記(15)式で与えられる。
The resonance condition in the
kT=qπ・・・(15)
ただし、kは波長λの光の波数(=2π/λ)を示す。また、qは正の整数(縦モード次数+1)を示す。
kT = qπ (15)
Here, k represents the wave number (= 2π / λ) of light of wavelength λ. Further, q represents a positive integer (vertical mode order + 1).
ここで、光路長Tは、下記(16)式で与えられる。 Here, the optical path length T is given by the following equation (16).
T=npLtot+ncLc+noLo・・・(16)
ただし、Lcは、光偏向部20に対応する導波路部分14dでの光の伝搬経路の幾何学的長さを示す。また、Loは、光共振器50における光の伝搬経路の幾何学的全長から、(Ltot+Lc)を差し引いた幾何学的長さを示す。つまり、Loは、平面導波路12及び導波路部分14d以外の、光共振器50内での光の伝搬経路(以下、その他経路とも称する。)の幾何学的長さである。また、noは、その他経路における等価屈折率を示す。
T = n p L tot + n c L c + n o L o (16)
Here, L c indicates the geometric length of the light propagation path in the
(15)式及び(16)式より、共振条件は、下記(17)式で与えられる。
k(npLtot+ncLc+noLo)=qπ・・・(17)
ここで、出射角Θを変化させることで生じる波数kの微小変化Δkに対して、共振条件である(17)式は、下記(18)式のように変形される。
From the equations (15) and (16), the resonance condition is given by the following equation (17).
k (n p L tot + n c L c + n o L o ) = qπ (17)
Here, with respect to the minute change Δk of the wave number k caused by changing the emission angle Θ, the equation (17) which is the resonance condition is modified as the following equation (18).
Δk(npLtot+ncLc+noLo)+k(npΔLtot+ΔncLc)=Δqπ・・・(18)
ここで、波数k(波長λ)が変化してもモードホッピングが生じないためにはΔq=0でなければならない。これより、下記(19)式が得られる。
Δk (n p L tot + n c L c + n o L o ) + k (n p ΔL tot + Δn c L c ) = Δqπ (18)
Here, Δq = 0 must be satisfied so that mode hopping does not occur even if the wave number k (wavelength λ) changes. Thus, the following equation (19) is obtained.
Δk(npLtot+ncLc+noLo)+k(npΔLtot+ΔncLc)=0・・・(19)
さらに、(19)式に、k=2π/λの両辺を微分して得られるΔk=−k2/2π×Δλ、及び(14)式を代入すると、下記(20)式が得られる。
Δk (n p L tot + n c L c + n o L o ) + k (n p ΔL tot + Δn c L c ) = 0 (19)
Further, by substituting Δk = −k 2 / 2π × Δλ obtained by differentiating both sides of k = 2π / λ and the equation (14) into the equation (19), the following equation (20) is obtained.
−qπcosα(sinα+sinβ)+knpLg(sinα−sinβ)/cosα=−ΔncLc/Θ・・・(20)
(20)式を満たすようにα及びβ、したがってΘg及びΘmを決定することで、モードホッピングを抑制しつつ選択波長λを連続的に変化させることができる。
−qπcos α (sin α + sin β) + kn p L g (sin α-sin β) / cos α = −Δn c L c / Θ (20)
By determining α and β, and thus Θ g and Θ m so as to satisfy the equation (20), it is possible to continuously change the selection wavelength λ while suppressing mode hopping.
つぎに、この光共振器50の奏する効果につき説明する。
Next, the effect produced by the
この光共振器50は、波長選択素子10を用いている。したがって、Θg及びΘmを適当に選択することで波長−光路長比を任意に設定することができる。
The
特に、Θg及びΘmを(20)式を満足するように決定することにより、モードホッピングを生じることなくレーザ光の波長選択を行うことができる。 In particular, by determining Θ g and Θ m so as to satisfy the equation (20), it is possible to perform wavelength selection of laser light without causing mode hopping.
つぎに、この光共振器50で許容される設計条件変更及び変形例につき説明する。
Next, design condition changes and modifications allowed in the
光共振器50では、反射ミラー52をチャネル型導波路14の光入出力端面14aに設けていたが、反射ミラー52の配置は、これに限定されない。たとえば、図9(A)に示すように、反射ミラー54を、波長選択素子10と別体として、光入出力端面14aとの間に間隔を空けて対向して配置してもよい。
In the
また、図9(B)に示すように、光入出力端面14aと反射ミラー54とを間隔を空けて対向配置し、この間隔に、レーザ光源56を設けてもよい。
Further, as shown in FIG. 9B, the light input /
また、この実施の形態の光共振器50は、波長選択素子10と同様の変形が可能である。
Further, the
10 波長選択素子
12 平面導波路
12a 切欠部
12b 切欠部
12c 側面
12d 側面
12e 側面
13 p型クラッド層
14 チャネル型導波路
14a 光入出力端面
14b 側面
14c 端面
14d 導波路部分
15 p型クラッド層
16 反射型回折格子
16N 法線
16a 格子面
18 反射鏡
18a 反射面
18N 法線
20 光偏向部
20a 電極
20b 電極
22 基板
22a 第1主面
22b 第2主面
26 絶縁層
28 光結合部
30 光入出射部
32 光偏向部
34 電極
36 光偏向部
36a 辺
36b 辺
38 電極
40 光偏向部
40a 第1光偏向部
40b 第2光偏向部
50 光共振器
52 反射ミラー
54 反射ミラー
56 レーザ光源
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記光伝搬方向に対して第1の傾斜角だけ傾いて延在する格子面を備え、かつ、前記平面導波路を挟んで前記チャネル型導波路に対向して配置されていて、結合された前記光を回折する反射型回折格子と、
前記光伝搬方向に対して第2の傾斜角だけ傾いて延在し、かつ前記格子面と交差する法線を有する反射面を備える反射鏡であって、前記平面導波路を挟んで前記反射型回折格子に対向して配置されていて、回折された前記光を該反射型回折格子に向けて反射する当該反射鏡と、
結合された前記光の前記格子面に対する入射角を変化させる光偏向部と
を備えた波長選択素子。 The channel-type waveguide that couples input light to a planar waveguide through one surface of the channel-type waveguide along the light propagation direction;
The lattice plane extending at a first inclination angle with respect to the light propagation direction and extending opposite to the channel-type waveguide with the planar waveguide interposed therebetween are coupled to each other. A reflective diffraction grating that diffracts light;
A reflecting mirror having a reflecting surface extending at a second inclination angle with respect to the light propagation direction and having a normal intersecting the grating surface, the reflecting type sandwiching the planar waveguide A reflecting mirror disposed opposite to the diffraction grating and reflecting the diffracted light toward the reflective diffraction grating;
A wavelength selection element comprising: an optical deflecting unit that changes an incident angle of the combined light with respect to the grating surface.
当該チャネル型導波路の屈折率を変化させることによって前記入射角を調整することを特徴とする請求項1に記載の波長選択素子。 The optical deflection unit is provided in the channel-type waveguide,
The wavelength selection element according to claim 1, wherein the incident angle is adjusted by changing a refractive index of the channel-type waveguide.
当該領域の屈折率を変化させることによって前記入射角を調整することを特徴とする請求項1に記載の波長選択素子。 The light deflection unit is provided in a part or all of the planar waveguide,
The wavelength selection element according to claim 1, wherein the incident angle is adjusted by changing a refractive index of the region.
前記第1光偏向部は前記チャネル型導波路の屈折率を、及び、前記第2光偏向部は前記平面導波路の前記領域の屈折率を、それぞれ変化させることによって前記入射角を調整することを特徴とする請求項1に記載の波長選択素子。 The optical deflection unit includes a first optical deflection unit provided in the channel-type waveguide, and a second optical deflection unit provided in a part or all of the planar waveguide,
The first light deflection unit adjusts the incident angle by changing the refractive index of the channel-type waveguide, and the second light deflection unit adjusts the refractive index of the region of the planar waveguide. The wavelength selective element according to claim 1.
該間隙の幅が、前記反射型回折格子に向かうにしたがって小さくなるように、前記チャネル型導波路及び前記平面導波路が配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の波長選択素子。 The one surface of the channel-type waveguide and the surface of the planar waveguide facing the one surface are provided with a gap therebetween,
6. The channel-type waveguide and the planar waveguide are arranged so that the width of the gap becomes smaller toward the reflective diffraction grating. The wavelength selection element according to 1.
前記チャネル型導波路の光入出力端面に、反射ミラーを備えた光共振器。 An optical resonator comprising the wavelength selection element according to any one of claims 1 to 7,
An optical resonator comprising a reflection mirror on an optical input / output end face of the channel waveguide.
前記チャネル型導波路の光入出力端面との間に間隔を空けて対向して反射ミラーを備えた光共振器。 An optical resonator comprising the wavelength selection element according to any one of claims 1 to 7,
An optical resonator comprising a reflection mirror facing and spaced from the light input / output end face of the channel waveguide.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005360050A JP2007163835A (en) | 2005-12-14 | 2005-12-14 | Wavelength selecting element and optical resonator |
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