JP2011075767A

JP2011075767A - 光リング共振器

Info

Publication number: JP2011075767A
Application number: JP2009226330A
Authority: JP
Inventors: Morio Takahashi; 森生高橋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】安定した温度特性を有する光回路を実現する。
【解決手段】光リング共振器は、第１リングと第２リングと第３リングとを備えた平面導波路型光リング共振器であって、第２リングの光路上に配置された第１熱光学位相シフタと、第３リングの光路上に配置された第２熱光学位相シフタとを備える。第２リングの光路長は第１リングの光路長よりも長い。第３リングの光路長は第１リングの光路長よりも短い。
【選択図】図２

Description

本発明は、光リング共振器の構成に関する。

ブロードバンド時代を迎え、光ファイバの効率的な活用に向け、複数の光波長の通信が可能なＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システムの導入が進んでいる。最近では数十の光波長を多重化することにより、さらに高速な伝送を可能にするＤＷＤＭ装置（高密度波長分割多重装置）の活用も拡がっている。これに伴い、各ＷＤＭ伝送システムには、光波長毎に対応した光源が必要となってきている。高多重化に伴い、必要な光源の種類は飛躍的に増加している。

更に最近では、任意波長を各ノードでＡｄｄ／ＤｒｏｐするＲＯＡＤＭ（Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｏｐｔｉｃａｌａｄｄ／ｄｒｏｐｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ）の商用化が進行している。本システムを導入すれば、波長多重による伝送容量の拡大に加え、波長を変えることによる光路切り換えが可能となる。その結果、光ネットワークの自由度が飛躍的に高まる。

上記のような波長多重通信システムでは、伝送容量の増大に伴ってチャンネル数が飛躍的に増大していることにより、制御が複雑化しているという側面もある。上記のシステムでは、数十個の光源をチャンネル毎に高度なレベルで個別制御することが求められる。それに加えて、低価格化・小型化も要求される。これらの要求を満たすためには、制御性の良い光素子を１チップに高密度に集積化することが必須となる。

光リング共振器を直列接続して構成される可変波長フィルタを用いた波長可変レーザは、このような要件を満たすことができる光源デバイスである。波長可変レーザの開発では、シリコン基板上に成膜したガラスに光回路を形成するＰＬＣ（ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）技術をベースとして、シリコン基板上に様々な素子（熱光学位相シフタ、化合物半導体である半導体光増幅器や受光素子等）をハイブリッド実装して１チップに集積化してきた。

ＰＬＣ技術を用いた波長可変光源の参考例として特許文献１を挙げる。

特開２００６−１９６５５４号公報

しかし、光機能のさらなる高密度集積化を進めることで課題が顕在化している。各素子から発生した熱の拡散や、パッケージへの熱放散の不均一性などにより、集積されたシリコン基板上に温度の不均一な分布が発生する。この温度分布により、極めて重要な光回路特性が温度変動で変化してしまう可能性がある。こうした現象により光デバイスの特性が劣化する可能性が高くなってきた。

各素子を低消費電力化することでシリコン基板の温度の不均一な分布をある程度防ぐことができる。しかし、この方法でも充分でない場合が起こりつつある。今後さらにリング直径の小さい光回路の導入や、高密度ハイブリッド集積化および高機能化を図る上で、こうした温度分布による影響は無視できなくなってきた。

レーザ光源に用いている光リング共振器回路において、リング間の温度分布が発生した場合にも安定したレーザ発振を実現することを可能とする技術が望まれる。

以下に、［発明を実施するための形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による光リング共振器は、第１リングと第２リングと第３リングとを備えた平面導波路型光リング共振器であって、第２リングの光路上に配置された第１熱光学位相シフタと、第３リングの光路上に配置された第２熱光学位相シフタとを備える。第２リングの光路長は第１リングの光路長よりも長い。第３リングの光路長は第１リングの光路長よりも短い。

上記の構成により、想定外の温度変化が第２リングと第３リングに発生したとしても、それぞれの利得差劣化が相乗されることがなく、より少ない利得差劣化で抑えることができる。

本発明により、安定した温度特性を有する光回路を実現することができる。

図１は、光リング共振器を有する波長可変光源を示す。図２は可変波長フィルタの概念図である。図３はリング共振器の透過スペクトルを示す。図４はリング共振器の透過スペクトルを示す。図５はリング共振器の透過スペクトルを示す。図６はリング共振器の透過スペクトルを示す。図７は利得差の温度差依存性を示す。図８は利得差の温度差依存性を示す。

本発明の実施形態における平面導波路型の光リング共振器は、例えば波長可変光源に適用される。図１は、波長可変光源の構成例を示す平面図である。波長可変光源１０は光リング共振器２０を有する。光リング共振器２０は、ＰＬＣ基板１３上に形成され互いに異なる光路長を有するリング共振器２１〜２３が方向性結合器Ｃ及び導波路２４、２５を介して連結されることにより形成される。ＰＬＣ基板１３上には更に、入出側導波路１１及び反射側導波路１２が形成される。光リング共振器２０の一端は、方向性結合器Ｃを介して入出側導波路１１の一端に接続される。入出側導波路１１の他端は、無反射膜（符号省略）を介してＳＯＡ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）の光入出力端に接続される。光リング共振器２０の他端は、方向性結合器Ｃを介して反射側導波路１２の一端に接続される。反射側導波路１２の他端に接続された光導波路には高反射膜（反射ミラー）１４が形成される。反射側導波路１２中には、帯域制限用の非対称マッハツェンダ干渉計１８が挿入される。

光リング共振器２０は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路から成るリング共振器２１〜２３が光結合されることにより形成される光導波路型フィルタである。リング共振器２２、２３には、多重共振器の共振波長を変化させる膜状ヒータであるＴＯ（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ）位相シフタ１６、１７がそれぞれ配置される。リング共振器２１〜２３はどのような順序で配置されてもよい。光リング共振器２０によれば、全てのリング共振器２１〜２３が同時に共振する共振波長の光信号が最も透過され、リング共振器間のバーニア効果によって大きなＦＳＲ（ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）が得られる。バーニア効果とは、互いに共振器長が微妙に異なる複数の共振器を組み合わせて波長可変範囲を大きくする手法であり、それらの共振周波数の最小公倍数の周波数でそれぞれの共振周波数が重なる。このため、見かけ上ＦＳＲが各リングの最小公倍数の周波数になったように機能する。このため、単一の共振器よりもずっと容易に広い周波数での特性の制御を行うことができる。

図２にＦＳＲが約１００ＧＨｚであるリング（第１リングＲ１〜第３リングＲ３）を３段直列接続した光リング共振器２０によって形成される可変波長フィルタの概念図を示す。図１のように半導体光増幅器（ＳＯＡ）１５を光リング共振器２０によって形成された可変波長フィルタに接続することで、半導体光増幅器から発せられた光が可変波長フィルタに入射し、３つのリングの状態に応じて特定の波長がフィルタで選択され、半導体光増幅器へ戻る。結果として、可変波長フィルタで選択された波長でレーザ発振する波長可変光源が形成される。各リングの状態は、ＴＯ位相シフタ１６、１７のような各リング導波路に形成された熱光学位相シフタで調整される。

各リングはそれぞれ、ＩＴＵ−Ｔグリッド波長にロックするための第１リング、発振可能帯域を選択する粗調用の第２リング、発振波長を狭い帯域で選択する微調用の第３リングからなる。第１リングは周波数の基準として機能し、図１のリング共振器２１に対応する。第２リング、第３リングと図１のリング共振器２２、２３との対応は任意である。

第１リングはＷＤＭ通信でよく用いられる１００ＧＨｚ周期の規格波長を選択するよう、ＦＳＲが１００ＧＨｚに調整されたリングであり、共振波長の基準として機能する。図３にその透過スペクトルを示す。第２リングは第１リングと近い円周の長さを有し、最大の波長可変帯域幅を決めている。最大の波長可変帯域幅は第２リングと第１リングのバーニアＦＳＲで決まる。例えば第１リングがＦＳＲ１００ＧＨｚ、第２リングがＦＳＲ９９ＧＨｚである場合、その最小公倍数である９９００ＧＨｚの周期がバーニアＦＳＲとなる。バーニアＦＳＲ間隔毎に第１リングと第２リングの透過スペクトルの重なり方が同じ状態が再現されるため、これが最大の波長可変帯域幅となる。図４にその透過スペクトルを示す。

ここではバーニアＦＳＲの大きさを表す値としてＭ値を以下のように定義する。
Ｍ_２＝（１−ＦＳＲ_２／ＦＳＲ_１）＾（−１）・・・式（１）
ＦＳＲ_１：第１リングのＦＳＲ（基準）
ＦＳＲ_２：第２リングのＦＳＲ
上記の例では、第１リングと第２リングの間のＭ値（Ｍ_２）は１００となる。Ｍ値の意味するところは、第２リングの透過ピークが１００個（＝Ｍ値）毎に第１リングとの間で同じ状態が再現されるということである。

ここで、第２リングのＦＳＲを、リング導波路に形成された熱光学位相シフタで調整することを考える。第２リングのＦＳＲは次式で計算される。
ＦＳＲ_２＝ｃ／（ｎ_ｅｆｆ×Ｌ_２）・・・式（２）
ｃ：光速
ｎ_ｅｆｆ：導波路の実効屈折率
Ｌ_２：第２リングの円周

熱光学位相シフタに電力を投入すると、導波路の実効屈折率が増加する。例えば、ここで用いているガラス導波路の場合、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴはおよそ＋１０^−５／Ｋである。従って、導波路の温度を上昇させるとリングの円周が長くなりＦＳＲが小さくなるよう変化する。基準である第１リングのＦＳＲは１００ＧＨｚに固定されているため、第１リングと第２リングの透過スペクトルの重なり方はこの温度変化に依存して状態が変わる。すなわち、温度を調整することで任意の周波数（波長）で透過ピークを重ねることができ、波長選択が可能となる。

一方、第３リングのＦＳＲを９０ＧＨｚに設定したとすると、第１リングと第３リングのバーニアＦＳＲは９００ＧＨｚ、Ｍ値（Ｍ_３）は１０である。第２リングに比べて１／１０の周期で第１リングとの透過スペクトルの重なり方が同じ状態となるため、狭帯域の中で透過ピークの重なり方を制御することができる。従って、狭い範囲で波長選択を行うことができるようになる。このように第３リングは、微調整が可能なリングとしての役割を果たす。以上の設計は一例であり、必ずしも基準リング以外の各リングが粗調、微調と役割を分担しなくても、波長可変フィルタとしての効果は変わらないことを明記しておく。

本設計において、Ｍ_２とＭ_３はそれぞれ正の値を用いている。すなわち、式（１）より、基準リングに対してＦＳＲが小さい（円周が大きい）リングを用いている。この場合、第２リングおよび第３リングの熱光学位相シフタに電力を投入すると、第１リングの周波数の低い（波長の長い）ピークと順次重なるようにバーニア状態が変化する。

このような設計においては、外気温度の変動やパッケージ温度の変動、半導体光増幅器の消費電力変更（レーザ光源の出力光強度変更）などによりシリコン基板上に温度勾配が発生すると、次の問題が生じる。基準リングである第１リングが一定温度制御されている条件下で第２リングおよび第３リングの温度が上昇したとすると、可変波長フィルタの特性が変化して別の波長との選択性（利得差）が減少し、レーザ発振特性が劣化する可能性がある。

例えば、図５のように約１９４．１ＴＨｚのピークが選択されている状態から、温度が第２リングで１度、第３リングで２度ずれた場合、図６のように波長選択性が劣化する。この例では、利得差が基準状態（図５）で９．７７ｄＢあったが、温度勾配発生により６．２２ｄＢまで劣化する（図６）。これにより、ＳＭＳＲ（Ｓｉｄｅ−ＭｏｄｅＳｕｐｒｅｓｓｉｏｎＲａｔｉｏ）の劣化等が懸念され、他チャンネルへの光クロストーク発生や、パワー変動等が発生してしまう。

逆に、Ｍ値が負の値の場合、すなわち基準リングに対してＦＳＲが大きい（円周が小さい）リングを用いた場合について考える。第２リングおよび第３リングの熱光学位相シフタに電力を投入すると、第１リングの周波数の高い（波長の短い）ピークと順次重なるようにバーニア状態が変化する。熱光学位相シフタに電力を投入すると屈折率が大きくなるという現象は同じでも、Ｍ値の符号によってバーニア状態の変化方向は周波数領域で逆になる。

以上の議論から、第２リングと第３リングのＭ値をそれぞれ正の値と負の値（逆もまた可）となるよう設計する、すなわち第２リングの光路長が第１リングよりも長い場合には第３リングの光路長を第１リングよりも短く設計すると（逆も可）、次のような効果が得られる。図５〜図６で明らかなように波長選択性（利得差）の劣化はバーニア状態の変化方向と関係がある。そのため、利得差劣化が発生するピークが、第２リングと第３リングにおいて、選択されている第１リングのピーク周波数（波長）に対して正負逆の周波数方向となることがわかる。従って、想定外の温度変化が第２リングと第３リングに発生したとしても、それぞれの利得差劣化が相乗されることがなく、より少ない利得差劣化で抑えることができる。

例えば、Ｍ値がＭ_２＝８０、Ｍ_３＝９と両方が正の値となるよう設計した場合について考える。第１リングの温度が一定として、第２リングと第３リングにそれぞれ２℃までの温度変化を発生させた場合、隣接ピークでの利得差劣化は図７のように最大で３．７ｄＢにもなる。初期の利得差がおよそ９ｄＢであるから、デシベルレンジで４０％以上もの利得差劣化が発生していることになる。この結果、ＳＭＳＲが劣化するなど発振特性が劣化し、レーザ光源としての機能を果たせなくなる。

一方、Ｍ値がＭ_２＝８０、Ｍ_３＝−９と両方の符号が逆の値となるよう設計した場合、同様の条件化での隣接ピークの利得差劣化は図８のように最大で２．８ｄＢに抑えることができる。初期の利得差は同様におよそ９ｄＢであるから、デシベルレンジで３０％程度の利得差劣化で収まり、従来の設計に対して大きなメリットがあることがわかる。

以上述べた様に、本発明で示した光リング共振器回路の設計を用いることで、従来のレーザ発振初期特性を損なうことなく、外的要因による熱勾配や熱クロストークが原因の特性劣化を抑えることができ、安定した温度特性を有する光回路を実現することができる。

１０波長可変光源
１１入出側導波路
１２反射側導波路
１３ＰＬＣ基板
１４高反射膜
１５ＳＯＡ
１６、１７位相シフタ
１８非対称マッハツェンダ干渉計
２０光リング共振器
２１〜２３リング共振器
２４、２５導波路

Claims

第１リングと第２リングと第３リングとを備えた平面導波路型光リング共振器であって、
前記第２リングの光路上に配置された第１熱光学位相シフタと、
前記第３リングの光路上に配置された第２熱光学位相シフタとを備え、
前記第２リングの光路長は前記第１リングの光路長よりも長く、
前記第３リングの光路長は前記第１リングの光路長よりも短い
光リング共振器。