JP2013182894A - 光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】結合用光導波路を省略すること。
【解決手段】コア１２ａ及びクラッド１２ｂで構成される光導波路１２を備え、光導波路が第１及び第２リング状光導波路１４_１及び１４_２を備える光共振部１４を有し、第１及び第２リング状光導波路は、一方が第１及び第２端部１４_１ａ及び１４_１ｂを備える有端リング状光導波路であり、他方が無端リング状光導波路であり、有端リング状光導波路の第１端部に対応する光導波路部分と、第１端部に対応する無端リング状光導波路の光導波路部分１４_２ａとが第１光結合部１４ａを構成し、及び有端リング状光導波路の第２端部に対応する光導波路部分と、第２端部に対応する無端リング状光導波路の光導波路部分１４_２ｂとが第２光結合部１４ｂを構成する。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数のリング状光導波路を備え、外部共振器としても利用可能な光素子に関する。

近年、Ｓｉを材料とするコアと、Ｓｉとの屈折率差が大きなＳｉＯ_２を材料とするクラッドとで光導波路（以下、Ｓｉ光導波路とも称する。）を構成した光素子が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。

Ｓｉ光導波路は、コアとクラッドの屈折率差が非常に大きいので光の閉じ込めが強く、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現できる。また、製造時に、Ｓｉ電子デバイスでの加工技術が利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることにより、光素子のサイズを、Ｓｉ電子デバイスと同等にまで小型化できる。このような特徴から、Ｓｉ光導波路は、光と電子とを一つのチップ上で融合する技術として注目されている。

Ｓｉ光導波路の応用例の一つとして、外部共振器を備える波長可変レーザダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術で用いられるＳｉを用いた外部共振器は、Ｓｉ以外の材料で構成された外部共振器（例えば、特許文献２及び３参照）をＳｉ光導波路へ応用したものである。

Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１８，ｐ．２３９２，２００６年１１月 Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．２０，ｐ．１９６８，２００８年１２月 ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ ｖｏｌ．１８，ｐ．２３８９１，２０１０年１０月

特開２０１１−１７１３５５号公報 特開２００６−２７９０３０号公報 特開２００９−２０００９１号公報

これらの外部共振器は、共通して、閉経路状光導波路、すなわちリング状光導波路を複数個、備えている。そして、複数のリング状光導波路の光路長差を利用することにより、共振光の波長調整範囲を幅広くしている。

しかし、これらの外部共振器は、複数のリング状光導波路の間で光の授受を行う結合用光導波路を必要とした。その結果、この結合用光導波路を光が伝搬する過程で、光損失が生じるおそれがあった。この発明はこのような技術的背景の下でなされた。従って、この発明の目的は、波長調整範囲等の外部共振器に必要な機能を従来同様に保ちつつ、結合用光導波路を省略した光素子を得ることにある。

発明者は鋭意検討の結果、開放部を有する有端リング状光導波路と無端リング状光導波路とを、開放部の位置で互いに近接配置して、開放部の両側に光結合部を設ける構成で、上記目的を達成可能なことに想到した。従って、この発明の光素子は、コアとクラッドで構成される光導波路を備える。この光導波路は第１及び第２リング状光導波路を備える光共振部を有する。第１及び第２リング状光導波路は、一方が第１及び第２端部を有する有端リング状光導波路であり、他方が無端リング状光導波路である。

そして、光導波路は、第１光結合部と第２光結合部とを備える。第１光結合部は、有端リング状光導波路の第１端部に対応する光導波路部分と、第１端部に対応する無端リング状光導波路の光導波路部分とで構成される。第２光結合部は、有端リング状光導波路の第２端部に対応する光導波路部分と、第２端部に対応する無端リング状光導波路の光導波路部分とで構成される。

この発明は上述のように構成されており、開放部に対応する無端リング状光導波路の部分領域を従来の結合用光導波路と同等に機能させることができる。従って、従来同様の機能を保ちつつ、結合用光導波路を省略した光素子が得られる。

光素子の構成を概念的に示す模式図である。 一般的な方向性結合器の構造を模式的に示す模式図である。 光素子の構造を模式的に示す斜視図である。 図３のＡ−Ａ線における光素子の断面図である。 第１光回路の構造を模式的に示す平面図である。 第２光回路の構造を模式的に示す平面図である。 光素子の動作を説明するための模式図である。 （Ａ）は第２リング単独の出力特性を示す特性図であり、（Ｂ）は第１光回路の出力特性を示す特性図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、バーニア調整前の光素子の動作状態を示す特性図であり、（Ｃ）及び（Ｄ）は、バーニア調整後の光素子の動作状態を示す特性図である。 バーニア調整前後における、光素子から出力される第１出力光の波長と強度の関係を示す特性図である。 光素子の変形例の構造を模式的に示す斜視図である。 光素子の別の変形例の構造を模式的に示す斜視図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。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、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（光共振部）
光素子の実施形態の詳細説明に先立ち、まず、図１及び図２を参照して、光素子を概略的に説明する。図１は光共振部の構成を概念的に示す模式図である。図２は、一般的な方向性結合器の構造を模式的に示す模式図である。

光共振部１４は、クラッド１２ｂと、このクラッド１２ｂ中に埋め込まれたコア１２ａとを備える光導波路１２に含まれて構成される。光共振部１４は、有端リング状光導波路である第１リング状光導波路１４_１と、無端リング状光導波路である第２リング状光導波路１４_２とをそれぞれ光共振器として備えている。以降、第１及び第２リング状光導波路１４_１及び１４_２を、それぞれ第１及び第２リング１４_１及び１４_２とも称する。さらに、光共振部１４は、第１及び第２リング１４_１及び１４_２間で光の授受を行うための第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂを備えている。

図１に示すように、光共振部１４は、入力光ＩＮから、第１及び第２リング１４_１及び１４_２の第１及び第２最小共振波長λ１ｍｉｎ及びλ２ｍｉｎの公倍数に当たる波長λＲの光を選択して第１出力光ＯＵＴ１として出力する。つまり、λＲ、λ１ｍｉｎ及びλ２ｍｉｎには、λＲ＝ｑ１×λ１ｍｉｎ＝ｑ２×λ２ｍｉｎ（ただし、ｑ１及びｑ２は共に正の整数。）との関係が成り立つ。なお、最小共振波長については後述する。

第１リング１４_１は、第１及び第２端部１４_１ａ及び１４_１ｂと、これらの端部間の経路が切断された開放部１４_１ｃとを備えた、言わばＣ字状の有端リング状光導波路である。第１リング１４_１の経路長Ｓ１は、開放部１４_１ｃを除いた第１リング１４_１の幾何学的長さとする。この例では、第１リング１４_１の経路長Ｓ１を、約１０７μｍとする。

ここで、最小共振波長について説明する。第１リング１４_１の第１最小共振波長λ１ｍｉｎとは、第１共振条件を満たす第１共振波長λ１の中で最も波長が短いものとする。第１共振条件とは、第１リング１４_１で共振が生じるときに成り立つ、λ１＝（２×Ｓ１×ｎａ）／ｑ３（ただし、ｑ３は正の整数）の関係である。ここで、ｎａは、コア１２ａの屈折率とする。

第１リング１４_１は、開放部１４_１ｃの両側に第１及び第２端部１４_１ａ及び１４_１ｂを備えている。開放部１４_１ｃは、この区間の第２リング１４_２の領域部分１４_２ｃを、両リング１４_１及び１４_２のそれぞれを伝搬する光で共有するための構造であり、言わば、従来技術の結合用光導波路に対応する。開放部１４_１ｃの長さＳｃは、コア１２ａの幅Ｄ（図４）の１０倍以上の長さとすることが好ましく、この例では、約４００ｎｍとする。ここで、開放部１４_１ｃの長さとは、両端部１４_１ａ及び１４_１ｂの端面間の距離とする。開放部１４_１ｃの長さをこの範囲とすれば、クラッド１２ｂから両端部１４_１ａ及び１４_１ｂへの光の再結合を抑制でき、クラッド１２ｂに放射された不要な光による干渉を低減できる。

第１及び第２端部１４_１ａ及び１４_１ｂは、開放部１４_１ｃの両側の第１リング１４_１の光導波路部分に対応する。すなわち、第１及び第２端部１４_１ａ及び１４_１ｂは、第１リング１４_１の切断された端面と、この端面に連続する光導波路部分とを含む。

第１及び第２端部１４_１ａ及び１４_１ｂの端面には、不要な光をクラッド１２ｂに効果的に放射するために、無反射構造が設けられている。この例では、無反射構造として、コア１２ａを光伝搬方向に斜めに切断して光の反射を抑制した端面を用いている。なお、無反射構造は、斜めに切断した端面には限定されず、光の反射を防止できる種々の構造が用いられる。例えば、先端に向かって縮径する、言わば先細りのテーパ形光導波路などを用いることができる。

第２リング１４_２は、経路が閉じた、言わばＯ字状の無端リング状光導波路である。第２リング１４_２の経路長Ｓ２は第２リング１４_２の１周の幾何学的長さとする。この例では、第２リング１４_２の経路長Ｓ２を、約１０５μｍとする。

第２リング１４_２の第２最小共振波長λ２ｍｉｎとは、第２共振条件を満たす第２共振波長λ２の中で最も波長が短いものとする。第２共振条件とは、第２リング１４_２で共振が生じるときに成り立つ、λ２＝（２×Ｓ２×ｎａ）／ｑ４（ただし、ｑ４は正の整数）の関係である。

第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂは、両リング１４_１及び１４_２に共通した選択波長λＲでの共振を行わせるために、両リング１４_１及び１４_２の間で、相互に光を授受する。第１光結合部１４ａは、光結合可能な距離を隔てて平行に配置された、第１端部１４_１ａと、第１端部１４_１ａに対応する第２リング１４_２の第１光導波路部分１４_２ａとで構成される。また、第２光結合部１４ｂは、光結合可能な距離を隔てて平行に配置された、第２端部１４_１ｂと、第２端部１４_１ｂに対応する第２リング１４_２の第２光導波路部分１４_２ｂとで構成される。つまり、この例では、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂは、移行率及び透過率が互いに等しい第１及び第２方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２とする。第１及び第２方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２の透過率は、（１／２）^０．５とすることが最も好ましい。また、移行率は、（１／２）^０．５未満の値とすることが好ましい。このように透過率及び移行率を設定することにより、第１出力光ＯＵＴ１の波長半値幅を狭めることができる。

なお、移行率及び透過率とは、概略的には、方向性結合器を構成する２本の光導波路への光の分配に関する量である。ここで、図２を用いてこれらの量について説明する。図２は、一般的な方向性結合器の構造を模式的に示す平面図である。

この方向性結合器ＤＣは、並列された２本の光導波路０１及び０２で構成されている。いま、光導波路０１に入力された入力光ＩＮは、分配率ｘ（ｘは、０≦ｘ≦１の実数）で光導波路０１及び０２にそれぞれ分配される。つまり、光導波路０２及び０１から出力されるクロス出力光ＣＲＳ及びバー出力光ＢＡＲの強度比をＣＲＳ：ＢＡＲ＝ｘ：（１−ｘ）とする。なお、クロス出力光ＣＲＳとは、方向性結合器ＤＣを伝搬する過程で、光導波路０１から光導波路０２にパワーが移行して出力される光である。また、バー出力光ＢＡＲとは、光導波路０２へのパワー移行が生じず、光導波路０１をそのまま透過して出力される光である。このとき、比率ｘを移行率と称する。また、比率（１−ｘ）を透過率と称する。

なお、移行率ｘは、方向性結合器ＤＣの長さＳｄｃを変化させることで調整することができる。すなわち、この方向性結合器ＤＣの結合定数をκＤＣとすると、下記式（１）が成り立つ。

ｘ＝ｓｉｎ^２（κＤＣ×Ｓｄｃ）・・・（１）
よって、式（１）に従い、方向性結合器ＤＣの長さＳｄｃを調整することにより、移行率ｘを所望に変化させることができる。

この例の光共振器１４では、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂとして方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２を用いた場合について説明した。しかし、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂには、２個の出力に所望の分配率で光を分配できる任意の分岐素子を用いることができる。例えば、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂの位置で、第１及び第２リング１４_１及び１４_２を一体化したＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路を用いても良い。

（構造）
続いて、図３〜６を参照して、光素子１０の構成を説明する。図３は、光素子の構造を模式的に示す斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ線における光素子の断面図である。図５は、第１光回路の構造を模式的に示す平面図である。図６は、第２光回路の構造を模式的に示す平面図である。なお、図３、５及び６において、図１と共通する構成要素には同符号を付して、その説明を省略することもある。また、他の図面との対応関係が明らかな構成要素の符号を省略することもある。また、図５及び６においては、基板８とクラッド１２ｂの記載を省略している。

まず始めに、図３を参照して、以下の説明で用いる光素子１０の方向及び寸法を定義する。入力光ＩＮの光伝搬方向（図中矢印Ｐ参照）に垂直かつ主面８ａに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面８ａに垂直な方向を厚み方向と称し、厚み方向に沿って測った幾何学的長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。

図３を参照すると、光素子１０は、共通の基板８に集積された、上述の光導波路１２と、任意的要素である光増幅器２２とを備える。光導波路１２は、第１光回路１８と、任意的要素である第２光回路２０とを備える。第１光回路１８は、上述の光共振部１４と光合分波部１６とを備える。光共振部１４と光合分波部１６とで光の入出力を行うために、第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２が設けられている。また、第１及び第２光回路１８及び２０の間で光の入出力を行うために、第３光入出力部１７_３が設けられている。なお、任意的な要素である光増幅器２２と第２光回路２０については後述する。

概略的に、光源である光増幅器２２から出射された光は、第１光回路１８に入力光ＩＮとして入力される。この入力光ＩＮは、光合分波部１６を経て光共振部１４で波長選択されて、選択波長λＲの第１出力光ＯＵＴ１として、再び光増幅器２２に戻される。第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２は、光合分波部１６と光共振部１４とで、入力光ＩＮ及び第１出力光ＯＵＴ１を入出力する。その結果、光増幅器２２と光共振部１４との間を選択波長λＲの光が往復して、レーザ発振が生じる。生成されたレーザ光は、光増幅器２２の、系外に面した一方の光入出射端から出力される。また、第３光入出力部１７_３を介して第２光回路２０からも、適宜、第２出力光ＯＵＴ２として出力される。

図４を参照して光導波路１２の横断面構造について説明する。光導波路１２は、基板８の主面８ａ側に設けられたコア１２ａと、コア１２ａが埋め込まれたクラッド１２ｂとで構成されている。コア１２ａは、この例では、高さＨ及び幅Ｄの両者が共に約３００ｎｍである正方形の横断面形状に形成されている。コア１２ａの高さＨ及び幅Ｄは約２００〜５００ｎｍの範囲の値から選択することが好ましい。高さＨ及び幅Ｄをこの範囲とすることで、光導波路１２を高さ方向及び幅方向の両方向に関してシングルモードとすることができる。さらに、この例のようにコア１２ａの横断面形状を正方形状とすることにより、光導波路１２を偏波無依存で動作させることが可能となる。コア１２ａの構成材料は、この例では、屈折率ｎａが約３．４７のＳｉとする。

クラッド１２ｂは、平坦面である主面８ａ上に設けられた膜体である。クラッド１２ｂの厚みは、この例では、約４μｍとする。そして、クラッド１２ｂに埋め込まれたコア１２ａの下面と主面８ａとの距離は約２μｍとする。基板８への不所望な光の結合を防ぐためには、コア１２ａと主面８ａとの間には１μｍ以上の厚みのクラッド１２ｂを介在させることが好ましい。クラッド１２ｂの構成材料は、この例では、屈折率ｎｂが約１．４５のＳｉＯ_２とする。クラッド１２ｂ及びコア１２ａの屈折率ｎｂ及びｎａが、ｎｂ≦（１／１．４）ｎａ（≒０．７１４ｎａ）の関係を満たすことが好ましい。この屈折率範囲のクラッド１２ｂを用いることで、光の閉じ込め性に優れた光導波路１２を得ることができる。

次に、図５を参照して、第１光回路１８を構成する光合分波部１６について説明する。

光合分波部１６は、第１主光導波路１６_１と、第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３と、第１光カプラ１６Ｃとを備えている。

光合分波部１６は、光共振部１４と光増幅器２２の間に配置され、両者の間で光を往復させる機能を有する。より詳細には、光合分波部１６は、概略的に、入力光ＩＮを第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３に等強度で分波して光共振部１４に結合する。さらに、光合分波部１６は、第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３を伝搬する光共振部１４由来の選択波長λＲの光を合波して、第１出力光ＯＵＴ１として、光増幅器２２に結合させる。

第１主光導波路１６_１は、光増幅器２２と、第１光カプラ１６Ｃとの間に設けられたチャネル型光導波路である。第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３は、第１主光導波路１６_１の中心線を対称軸として線対称に形成されたチャネル型光導波路である。第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３は、一端部が第１光カプラ１６Ｃに接続されていて、他端部は上述の無反射構造を備える自由端である。

第１光カプラ１６Ｃは、第１主光導波路１６_１と、第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３の、言わば分岐点に設けられている。第１光カプラ１６Ｃは、第１主光導波路１６_１を伝搬する光を第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３に等分配する、言わば３ｄＢカプラである。この例では、第１光カプラ１６Ｃとして、ＭＭＩ導波路を用いる。なお、３ｄＢカプラである第１光カプラ１６Ｃには、ＭＭＩ導波路の他に、例えば、方向性結合器や、Ｙ分岐導波路等を用いることができる。

第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２は、第１リング１４_１と、光合分波部１６との間で光を入出力する。第１入出力部１７_１は、第１リング１４_１の部分領域１４_１ｄと、この領域１４_１ｄに光結合可能な距離を隔てて並列された第１副光導波路１６_２の部分領域１６_２ａとを備える方向性結合器として構成されている。同様に、第２入出力部１７_２は、第１リング１４_１の部分領域１４_１ｅと、この領域１４_１ｅに光結合可能な距離を隔てて並列された第２副光導波路１６_３の部分領域１６_３ａとを備える方向性結合器として構成されている。

第１及び第２入出力部１７_１及び１７_２を構成する方向性結合器は、互いに等しく構成されている。すなわち、２個の方向性結合器は等しい移行率を有する。なお、これらの方向性結合器の移行率は、０又は１以外の任意の値を選択できる。ただし、光共振部１４を周回させる光の強度を充分に高めるためには、移行率を０．１未満とすることが好ましい。また、第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２には、方向性結合器の他に、２個の出力に所望の分配率で光を分配できる、例えば、２入力２出力型のＭＭＩ導波路等を用いることができる。

次に、光素子１０の任意的要素である光増幅器２２及び第２光回路２０について説明する。

光増幅器２２は、この例では、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体レーザダイオードとする。光増幅器２２の、系外に面した光入出力端とは反対側の、他方の光入出射端は、光導波路１２の、光増幅器２２に面した一方の光入出射端に位置決めされている。光増幅器２２と光導波路１２とは、これら光入出射端を介して光の入出力を行う。この例では、光増幅器２２は主面８ａ上に設けられている。

図６を参照すると、第２光回路２０は、第２主光導波路３２と、光回路要素３４と、第２光カプラ３６と、第３副光導波路３８と、第４副光導波路４０と、戻し構造部として湾曲光導波路４２とを備えている。

第２主光導波路３２は、光伝搬方向に沿って延在するチャネル型光導波路である。第３副光導波路３８及び第４副光導波路４０は、一端部が第２光カプラ３６に接続されていて、他端部が湾曲光導波路４２に接続されている湾曲したチャネル型光導波路である。第２光カプラ３６は、第２主光導波路３２に接続された３ｄＢカプラであり、第３副光導波路３８及び第４副光導波路４０を伝搬する光を合波して、第２主光導波路３２に送る。

光回路要素３４は、第２主光導波路３２を伝搬する光に対して種々の処理を行う光回路要素である。光回路要素３４としては、例えば、光変調器、波長変換素子又は光スイッチ等を用いることができる。

湾曲光導波路４２は、第３副光導波路３８及び第４副光導波路４０の他端部同士を接続するチャネル型光導波路である。湾曲光導波路４２と、第３副光導波路３８及び第４副光導波路４０と、第２光カプラ３６とは、略円環状の光導波路構造体を構成する。

そして、光回路１０では、第２リング１４_２及び湾曲光導波路４２が光結合可能な距離に近接配置されており、第３光入出力部１７_３を構成する。この例では、第３光入出力部１７_３は、方向性結合器として構成されている。第３光入出力部１７_３には、方向性結合器の他、上述と同様に２入力２出力型のＭＭＩ導波路等を用いることができる。

（動作）
続いて、主に図７を参照して、光素子１０の動作を説明する。図７は、光素子１０の動作を説明するための模式図である。

光増幅器２２から光導波路１２に入力された入力光ＩＮは、第１主光導波路１６_１を伝搬して第１光カプラ１６Ｃに至る。入力光ＩＮは、第１光カプラ１６Ｃにより第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３に等分配される。ここで、第１及び第２副光導波路１６_２及び１６_３を伝搬する光をそれぞれ光Ｌ_１１及びＬ_２１とする。光Ｌ_１１及びＬ_２１は、伝搬経路が光素子１０の中心軸に対して線対称である以外は、同様に伝搬するので、ここでは、光Ｌ_２１を例に挙げて説明する。

光Ｌ_２１は、第２副光導波路１６_３を伝搬して第２光入出力部１７_２に至る。そして、第２光入出力部１７_２において、一部の成分が第１リング１４_１に移行して、反時計回りに伝播する光Ｌ_２２となる。光Ｌ_２２は、第１リング１４_１を既に周回している光Ｌ_２６（以降、第１周回光Ｌ_２６とも称する。）の一部となる。ここで、光Ｌ_２２の移行に必要な位相条件は、第１周回光Ｌ_２６との位相差がｑ５×２π＋π／２（ここで、ｑ５は正の整数）を満たすことである。このようにして、第１リング１４_１には、該リング１４_１を一周したときに位相の揃う、第１共振条件を満たす第１周回光Ｌ_２６が蓄積する。なお、第１リング１４_１に移行しなかった光Ｌ_２１の成分は、第２副光導波路１６_３の無反射構造からクラッド１２ｂへと放射される。

第１周回光Ｌ_２６は、第１リング１４_１を伝搬して第２光結合部１４ｂへと至る。そして、第２光結合部１４ｂにおいて、一部の成分が第２リング１４_２に移行して、時計回りに伝搬する光Ｌ_２３となる。光Ｌ_２３は、第２リング１４_２を既に周回している光Ｌ_２４（以降、第２周回光Ｌ_２４とも称する。）の一部となる。ここで、光Ｌ_２３の移行に必要な位相条件とは、第２周回光Ｌ_２４との位相差がｑ６×２π＋π／２（ここで、ｑ６は正の整数）を満たすことである。つまり、第１リング１４_１の第１周回光Ｌ_２６の中で、第２リング１４_２に結合された光成分に対応する光Ｌ_２３は、第１共振条件とともに第２共振条件を満たしている。よって、光Ｌ_２３は、第１及び第２最小共振波長の公倍数の選択波長λＲを有している。

このようにして、第２リング１４_２には、該リング１４_２を一周したときに位相の揃う、第２共振条件を満たす第２周回光Ｌ_２４が蓄積する。なお、第２光結合部１４ｂにおいて、第２リング１４_２に移行しなかった第１周回光Ｌ_２６の成分の一部は、第２端部１４_１ｂの無反射構造からクラッド１２ｂへと放射される。

第２周回光Ｌ_２４は、第２リング１４_２を伝搬して第１光結合部１４ａへと至る。そして、第１光結合部１４ａにおいて、一部の成分が第１リング１４_１に移行して、反時計回りに伝搬する光Ｌ_２５となり、第１周回光Ｌ_２６の一部となる。つまり、第２リング１４_２の第２周回光Ｌ_２４の中で第１リング１４_１に結合された光成分に対応する光Ｌ_２５は、第１共振条件とともに第２共振条件を満たしている。よって、光Ｌ_２５は、第１及び第２最小共振波長の公倍数の選択波長λＲを有している。

第１周回光Ｌ_２６は、第１リング１４_１を伝搬して第１光入出力部１７_１に至る。そして、第１光入出力部１７_１において、一部の成分が第１副光導波路１６_２に移行して、第１光カプラ１６Ｃに向かって伝搬する光Ｌ_２７となる。第１副光導波路１６_２に移行しなかった第１周回光Ｌ_２６の成分は、第１リング１４_１を、再び、第２光入出力部１７_２に向かって伝搬する。

第１光カプラ１６Ｃには、第１副光導波路１６_２からの光Ｌ_２７と、第２副光導波路１６_３からの上述の光Ｌ_１１由来の戻り光である光Ｌ_１７とが入力される。光Ｌ_１７及び光Ｌ_２７は、伝搬経路が線対称な以外は、光共振部１４で同じ処理を受けているので、波長及び位相がそれぞれ等しい。よって、両光Ｌ_１７及びＬ_２７は、第１光カプラ１６Ｃで合波されて第１出力光ＯＵＴ１となり、第１主光導波路１６_１を介して光増幅器２２に再び入力される。このように第１出力光ＯＵＴ１は、第１光回路１８と光増幅器２２との間を往復しレーザ発振する。得られたレーザ光は、光増幅器２２の、光導波路１２とは反対側の、一方の光入出射端から出射される。

なお、レーザ光は第３入出力部１７_３を介して第２光回路２０からも取り出すことができる。以下、第２光回路２０での動作を、適宜図６を参照して簡単に説明する。第２リング１４_２を伝搬する第２周回光Ｌ_２４は、第３光入出力部１７_３から湾曲光導波路４２に移行して光Ｌ_２８となる。光Ｌ_２８は、湾曲光導波路４２及び第３副光導波路３８を経て第２光カプラ３６に至る。光Ｌ_２８と、光Ｌ_１１に由来する光Ｌ_１８とは、第２光カプラ３６で合波され第２主光導波路３２を介して光回路要素３４に入力される。そして、光回路要素３４で処理を受けた後に、第２出力光ＯＵＴ２として系外に取り出される。

（動作の定式化）
次に、数式を用いて、光素子１０の動作をさらに詳細に説明する。第１光回路１８において入力光ＩＮから第１出力光ＯＵＴ１が生成される過程は、下記の式（２）〜式（４）で表される。

ここで、φは、光が、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂの区間の第２リング１４_２を、劣弧状に、言わば最短距離で伝搬するときの位相である。一方、ψは、光が、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂの区間の第２リング１４_２を、優弧状に、言わば大回りで伝搬するときの位相である。

また、ｕは、光が、第１光結合部１４ａ及び第１光入出力部１７_１の区間と、第２光結合部１４ｂ及び第２光入出力部１７_２の区間との第１リング１４_１を劣弧状に伝搬するときの位相である。一方、ｖは、光が、第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２の区間の第１リング１４_１を劣弧状に伝搬するときの位相である。

また、ａ及びｂは、第１及び第２方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２の、上述の透過率（１−ｘ）及び移行率ｘである。また、ｔ_ｉ及びｋ_ｉは、第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２に方向性結合器を用いた場合の、該方向性結合器の透過率（１−ｘ）及び移行率ｘである。また、ｔは、第３光入出力部１７_３に方向性結合器を用いた場合の、該方向性結合器の透過率（１−ｘ）である。また、式（３）のｑは、第２リング１４_２を周回する光の周回位相を表す。

なお、第１光回路１８の共振条件は、ｕ＋ｖ＋ｑ＝２×ｑ７×π、かつ、ψ＋φ＝２×ｑ８×πと表すことができる。ここで、ｑ７及びｑ８は、共に正の整数である。

式（２）の｜Ｆ｜ｅ^ｊqは、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂを含めた第２リング１４_２の構造特性を表す。以下、第１及び第２光結合部１４ａ及び１４ｂを含めた第２リング１４_２の構造を、第２リング構造とも称する。式（２）及び式（３）は、第２リング構造を周回する光の強度を総和することで得られる。

式（４）のＩは、第１光回路１８から出力される第１出力光ＯＵＴ１の強度を表す。式（４）は、式（２）及び式（３）で表される第２リング構造をブラックボックス的に捉え、これに第１リング１４_１を周回する光の強度を加えることで得られる。

式（４）中において式（２）由来の｜Ｆ｜に注目すると、式（４）は、第２リング１４_２の共振波長ピークに対応する｜Ｆ｜が、言わば、第１リング１４_１の波長応答関数で変調された形になっている。

以下、この点について、図８（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、詳細に説明する。図８（Ａ）は、式（２）から得られる第２リング１４_２単独の出力特性を示す特性図である。図８（Ｂ）は、式（４）から得られる第１光回路１８の出力特性を示す特性図である。図８（Ａ）及び（Ｂ）共に、縦軸は任意単位で示す光強度であり、横軸は任意単位で示す波長である。

図８（Ａ）によれば、第２共振条件を満たす複数の第２共振波長λ２の光Ｐ２が第２リング１４_２から出力される。隣接するピークＰ２間の波長間隔を第２共振波長間隔Ｗλ２と称する。Ｗλ２は第２共振条件から求められる。

図８（Ｂ）は、言わば、第２リング１４_２からの出力（図８（Ａ））に、更に第１リング１４_１での波長選択を施した場合の出力特性に対応する。図８（Ｂ）で、包絡線で示されるブロードなピークＰ４が、単独の第１リング１４_１から出力される第１共振条件を満たす第１共振波長λ１の出力光である。なお、この図では、ピークＰ４によるピークＰ２の変調の理解に資するために、経路長Ｓ１がＳ２よりも非常に小さい第１リング１４_１を用いることで、Ｐ４の半値幅をＰ２よりもブロードにしている。隣接するピークＰ４間の波長間隔を第１共振波長間隔Ｗλ１と称する。Ｗλ１は第１共振条件から求められる。なお、以降、ピークＰ２及びＰ４を、単にＰ２及びＰ４と称することもある。

図８（Ｂ）を参照すると、第２リング１４_２由来のＰ２が、ブロードなピークであるＰ４で変調されていることが分かる。つまり、式（２）〜式（４）は、第１光回路１８が、第１リング１４_１で波長選択されたＰ２を、第２リング１４_２のＰ４で更に波長選択することを示す。このように、第１及び第２リング１４_１及び１４_２を備えた第１光回路１８により、出力波長が２重に選択されることを、以降、２重選択特性とも称する。

（バーニア効果）
続いて、図９及び図１０を参照してバーニア効果について説明する。上述の２重選択特性は、いわゆるバーニア効果を利用した波長調整に利用することができる。

バーニア効果は、共振波長間隔が接近した複数の光共振器を組み合わせた複合光共振器の波長調整範囲を広げるために用いられる。バーニア効果を利用すれば、何れかの光共振器の共振波長をΔλ変化させることで、複合光共振器全体としての共振波長をΔλよりも大きな波長範囲で変化させることができる。以降、バーニア効果を利用した波長調整をバーニア調整とも称する。

以下、図９（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、光素子１０におけるバーニア調整について説明する。

図９（Ａ）及び（Ｂ）は、バーニア調整前の光素子１０の動作状態を示す。より詳細には、調整前選択波長λＲ１の第１出力光ＯＵＴ１が出力される場合の、第２及び第１リング１４_２及び１４_１の出力特性をそれぞれ示している。

図９（Ｃ）及び（Ｄ）は、バーニア調整後の光素子１０の動作状態を示す。より詳細には、共振条件の変更により、調整後選択波長λＲ２の第１出力光ＯＵＴ１が出力される場合の、第２及び第１リング１４_２及び１４_１の出力特性をそれぞれ示している。

なお、図９（Ａ）及び（Ｃ）は、図８（Ａ）と同様である。また、図９（Ｂ）及び（Ｄ）は、図８（Ｂ）に対応する。ただし、図９（Ｂ）及び（Ｄ）では、第１及び第２リング１４_１及び１４_２の経路長をＳ１≒Ｓ２として、Ｐ４の半値幅をＰ２と同等まで小さくしている。また、これにより第１及び第２共振波長間隔Ｗλ１及びＷλ２は互いに近接した値となる。また、図９（Ａ）〜（Ｄ）の縦軸は任意単位で示す光強度であり、横軸は任意単位で示す波長である。

図９（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、バーニア調整前では、Ｐ２及びＰ４で波長が一致する調整前選択波長λＲ１の第１出力光ＯＵＴ１が出力される。

ここで、図９（Ｄ）に示すように、第１リング１４_１において、第１共振波長λ１全体をΔλだけずらすように第１共振条件を変化させたとする。なお、Δλは、両共振波長間隔Ｗλ１及びＷλ２よりも小さい値とする。これにより、調整前選択波長λＲ１においては、Ｐ２とＰ４のピーク波長が不一致となり、この波長λＲ１とは異なる調整後選択波長λＲ２でＰ２及びＰ４が新たに一致する。つまり、バーニア調整の前後で、光素子１０から出力される第１出力光ＯＵＴ１の選択波長が、λＲ１からλＲ２へと変化する。図９（Ｄ）より明らかなように、λＲ２−λＲ１の大きさは、第１リング１４_１に行った、波長調整幅Δλよりも大きい。

このように、バーニア調整により両共振波長λ１及びλ２の少なくとも一方をΔλだけ変化させることにより、第１光回路１８からの第１出力光ＯＵＴ１の選択波長を｜λＲ２−λＲ１｜（＞Δλ）の幅で調整できる。

次に、図１０のシミュレーション結果を参照して、バーニア調整の具体例について説明する。図１０は、バーニア調整前後における、光素子１０から出力される第１出力光ＯＵＴ１の波長と光強度の関係を示す特性図である。図中の実線で示す曲線Ｉがバーニア調整前に対応し、点線で示す曲線ＩＩがバーニア調整後に対応する。なお、図１０の縦軸は無次元の光強度であり、横軸はμｍ単位の波長である。なお、光強度は、入力光ＩＮの強度に対する第１出力光ＯＵＴ１の強度の比率である。

図１０は、上述の式（２）〜式（４）を、横軸の波長範囲で解いて求めた特性を示している。なお、これらの式を解くに当たり、第１及び第２方向性結合器ＤＣ１及びＤＣ２の透過率ａ及び移行率ｂをそれぞれ０．５とした。また、第１及び第２光入出力部１７_１及び１７_２を、移行率ｋ_ｉ＝（０．０５）^０．５の方向性結合器とした。また、第３光入出力部１７_３を、透過率ｔ＝１の方向性結合器とした。また、光導波路１２の等価屈折率は、Ｓｉを用いたコア１２ａでの典型値である２とした。また、バーニア調整に必要なΔλを生じさせるために、第１及び第２リング１４_１及び１４_２のどちらか一方のコア１２ａの屈折率をΔｎ＝０．００１だけ変化させた。

図１０を参照すると、バーニア調整前の曲線Ｉでは、第１出力光ＯＵＴ１の波長に対応する最高強度のピーク波長は約１．５５６μｍである。それに対し、バーニア調整後の曲線ＩＩでは、最高強度のピーク波長が約１．５４４μｍへと、約０．０１２μｍ移動している。

仮に、第１及び第２リング１４_１及び１４_２のどちらかだけで構成された光共振器のコアに、上述のΔｎ（＝０．００１）を適用した場合、共振条件から、共振波長の変化幅は約０．５ｎｍと求められる。よって、光共振器１０は、バーニア調整を行うことで、バーニア調整によらない場合の２０倍以上の波長幅の波長調整範囲が得られる。

効果的にバーニア調整を行うためには、第１及び第２リング１４_１及び１４_２の経路長Ｓ１及びＳ２がある程度近接している必要がある。より詳細には、経路長Ｓ１及びＳ２が下記式（５）を満足すれば、効果的にバーニア調整を行うことができる。

０．５＜Ｓ１／Ｓ２＜２・・・（５）
なお、光素子１０において、バーニア調整を行わない場合には、式（５）を満足する必要は無い。この場合には、光素子１０からは、第１及び第２最小共振波長λ１ｍｉｎとλ２ｍｉｎの公倍数の選択波長λＲの第１出力光ＯＵＴ１が出力される。

また、上述のΔｎを発生させる手段には、従来公知の構成を用いることができる。例えば、熱光学効果により、コア１２ａの屈折率を調整することができる。この場合、リングのコア１２ａに設けた電極層に電流を流す際のジュール熱を利用できる。また、熱光学効果以外にも、プラズマ効果、ポッケルス効果、バンドフィリング効果、及び量子サイズ効果であるフランツケルディッシュ効果などを用いて、リングのコアの屈折率を調整することができる。

（製造方法）
続いて、光素子１０の製造方法について簡単に説明する。光素子１０は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ_２層とＳｉ層とがこの順序で積層されたＳＯＩ（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を利用して作成される。すなわち、最上層のＳｉ層を利用してコア１２ａを形成し、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ−ＯＸｉｄｅ）層であるＳｉＯ_２層を下側のクラッド１２ｂに利用する。より詳細には、最上層のＳｉ層を従来公知のドライエッチング法等でパターニングしてコア１２ａを作成する。そして、このコア１２ａを埋め込むように、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で、上側のクラッド１２ｂに対応するＳｉＯ_２層を形成する。さらに、クラッド１２ｂの一部領域を主面８ａまで除去して、光増幅器２２の配置領域を形成する。そして、この配置領域に光増幅器２２を位置決めの上、固定して、光素子１０を得る。

（効果）
このように、光素子１０では、第１及び第２リング１４_１及び１４_２の間に結合用光導波路を備えていない。よって、結合用光導波路を伝搬する際の光の損失を低減できる。光損失が抑制された光素子１０は、ＯＮＵやＯＬＴの光源として好適に用いられる。

また、第３光入出力部１７_３として方向性結合器を用いている。そのため、第１及び第２光回路１８及び２０間での位置合わせに当たり、光入射端面と光出射端面とをミクロンオーダの位置精度で位置決めする作業が不要となる。結果として、光素子１０は、第１及び第２光回路１８及び２０間で光を容易に結合できる。

（変形例）
続いて、光素子１０の変形例について説明する。

この実施形態では、第１リング１４_１が有端リング状光導波路であり、第２リング１４_２が無端リング状光導波路である場合について説明した。しかし、光素子１０とは逆に、光増幅器２２側に位置する第１リング１４_１を無端リング状光導波路とし、第２光回路２０側に位置する第２リング１４_２を有端リング状光導波路とした光素子もこの実施形態の光素子１０と同様の効果を奏する。

また、この実施形態では、光共振部１４を、波長可変レーザダイオードである光素子１０の外部共振器の一構成として用いている。しかし、光共振部１４は、入力光ＩＮを、波長選択して第１出力光ＯＵＴ１を出力する単独の波長選択素子として用いることができる。

また、第２光回路２０の戻し構造部は、湾曲光導波路４２に限定されない。例えば、図１１に示すように、光素子８０が、戻し構造部として第３及び第４副光導波路８４及び８６の両者に光結合可能に近接配置された第３リング状光導波路８８を備えていてもよい。ここで、第３リング状光導波路８８と第３及び第４副光導波路８４及び８６との間には、それぞれ、光入出力部Ｃ３及びＣ４が形成されている。

光素子８０は、第３リング状光導波路８８を備えるので、第２出力光ＯＵＴ２の波長選択性をより高めることができる。また、第３光入出力部１７_３として方向性結合器を用いているので、第１及び第２光回路１８及び８２間での位置合わせが容易になる。

また、図１２に示すように、光素子９０が、戻し構造部として、第３及び第４リング状光導波路９８及び１００と、直線状光導波路１０２とを備えていても良い。すなわち、光素子９０では、第３リング状光導波路９８が第３副光導波路９４に光結合可能に近接配置されおり、第４リング状光導波路１００が第４副光導波路９６に光結合可能に近接配置されている。そして、直線状光導波路１０２が第３及び第４リング状光導波路９８及び１００の両者に光結合可能に近接配置されている。ここで、第３リング状光導波路９８と、第３副光導波路９４及び直線状光導波路１０２との間には、それぞれ光入出力部Ｃ３及びＣ５が形成されている。第４リング状光導波路１００と、第４副光導波路９６及び直線状光導波路１０２との間には、それぞれ光入出力部Ｃ４及びＣ６が形成されている。

光素子９０では、第１及び第２リング１４_１及び１４_２に加えて、第２光回路９２に更に第３及び第４リング状光導波路９８及び１００を備えるので、第２出力光ＯＵＴ２の波長選択性を、光素子８０より高めることができる。また、第３光入出力部１７_３として方向性結合器を用いているので、第１及び第２光回路１８及び９２間での位置合わせが容易になる。

８ 基板
８ａ 主面
１０，８０，９０ 光素子
０１，０２，１２ 光導波路
１２ａ コア
１２ｂ クラッド
１４ 光共振部
１４_１ 第１リング
１４_１ａ 第１端部
１４_１ｂ 第２端部
１４_１ｃ 開放部
１４_１ｄ，１４_１ｅ，１４_２ｃ，１６_２ａ，１６_３ａ 部分領域
１４_２ 第２リング
１４_２ａ 第１光導波路部分
１４_２ｂ 第２光導波路部分
１４ａ 第１光結合部
１４ｂ 第２光結合部
１６ 光合分波部
１６_１ 第１主光導波路
１６_２ 第１副光導波路
１６_３ 第２副光導波路
１６Ｃ 第１光カプラ
１７_１ 第１光入出力部
１７_２ 第２光入出力部
１７_３ 第３光入出力部
１８ 第１光回路
２０、８２、９２ 第２光回路
２２ 光増幅器
３２ 第２主光導波路
３４ 光回路要素
３６ 第２光カプラ
３８，８４、９４ 第３副光導波路
４０，８６、９６ 第４副光導波路
４２ 湾曲光導波路
８８，９８ 第３リング状光導波路
１００ 第４リング状光導波路
１０２ 直線状光導波路
Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６ 光入出力部
ＤＣ 方向性結合器
ＤＣ１ 第１方向性結合器
ＤＣ２ 第２方向性結合器

Claims (13)

1. コア及びクラッドで構成される光導波路を備え、
   該光導波路が第１及び第２リング状光導波路を備える光共振部を有し、
   前記第１及び第２リング状光導波路は、一方が第１及び第２端部を備える有端リング状光導波路であり、他方が無端リング状光導波路であり、
   前記有端リング状光導波路の前記第１端部に対応する光導波路部分と、該第１端部に対応する前記無端リング状光導波路の光導波路部分とが第１光結合部を構成し、及び前記有端リング状光導波路の前記第２端部に対応する光導波路部分と、該第２端部に対応する前記無端リング状光導波路の光導波路部分とが第２光結合部を構成することを特徴とする光素子。
2. 前記第１及び第２光結合部をそれぞれ第１及び第２方向性結合器とすることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
3. 前記光導波路が、前記有端リング状光導波路と光合分波部との間で光を入出力する第１及び第２光入出力部を更に備え、
   前記光合分波部と前記光共振部とで第１光回路が構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子。
4. 前記第１及び第２光入出力部が、光結合可能な距離を隔ててそれぞれ並列された、前記有端リング状光導波路の部分領域と、第１及び第２副光導波路の部分領域とで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光素子。
5. 前記光合分波部が、
   一端側に接続された第１主光導波路と、他端側に接続された前記第１及び第２副光導波路とを備え、前記第１主光導波路を伝搬する光を前記第１及び第２副光導波路に等分配する第１光カプラを有することを特徴とする請求項４に記載の光素子。
6. 前記無端リング状光導波路との間で光を入出力する第３光入出力部を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光素子。
7. 前記光導波路が第２光回路を更に備え、
   該第２光回路は、第２主光導波路、第３及び第４副光導波路と、
   前記第２主光導波路の一端に接続され、前記第３及び前記第４副光導波路を伝搬する光を合成して前記第２主光導波路に送る第２光カプラと、
   前記第３及び前記第４副光導波路の間に設けられた、光導波路を有する戻し構造部とを含み、
   前記第３光入出力部が、近接配置された、前記戻し構造部と前記無端リング状光導波路とで構成されることを特徴とする請求項６に記載の光素子。
8. 前記戻し構造部が有する光導波路が、前記第３及び第４副光導波路を接続する湾曲光導波路であることを特徴とする請求項７に記載の光回路。
9. 前記戻し構造部が有する光導波路が、前記第３及び第４副光導波路の両者に光結合可能に近接配置された第３リング状光導波路であることを特徴とする請求項７に記載の光回路。
10. 前記戻し構造部が有する光導波路が、前記第３副光導波路に光結合可能に近接配置された第３リング状光導波路と、前記第４副光導波路に光結合可能に近接配置された第４リング状光導波路と、前記第３及び第４リング状光導波路の両者に光結合可能に近接配置された直線状光導波路を備えて構成されていることを特徴とする請求項７に記載の光回路。
11. 前記光導波路に接続された光増幅器を更に備えることを特徴とする請求項１〜１０の何れか一項に記載の光素子。
12. 前記有端リング状光導波路の経路長Ｓ１と、前記無端リング状光導波路の経路長Ｓ２とに、下記の関係があることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の光素子。
    ０．５＜Ｓ１／Ｓ２＜２
13. 前記コアの材料をＳｉとし、前記クラッドの材料をＳｉＯ_２とすることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の光素子。
    

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