JP2014191088A - 光波長フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】入射する光をその波長毎に異なる導波路へ出力させる波長分波機能、もしくは異なる導波路へ入射された、波長の異なる光を同一光導波路にて出射させる波長合波機能を持つ光波長フィルタを提供する。
【解決手段】Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の入出力導波路と、前記入出力導波路に接続されたＮ個のポートを一方に有し、該Ｎ個のポートに対応する別のＮ個のポートを他方に有するＮ×Ｎポート構成の多モード干渉導波路と、前記多モード干渉導波路の前記他方に設けられたＮ個のポートに一端が接続され、それぞれ長さの異なるＮ本の遅延導波路とを備え、前記遅延導波路の他端には、該遅延導波路を往復するように光を反射する反射鏡が設けられている光波長フィルタである。前記遅延導波路は、Ｎ本の遅延導波路を往復した光の位相の相対関係が揃うように、Ｎ本の遅延導波路の長さと幅が調整されている。
【選択図】図２

Description

本発明は光デバイスに関し、より詳しくは光をその波長毎に異なる導波路へ出力させる波長分波機能、もしくは異なる導波路へ入射された波長の異なる光を同一光導波路にて出射させる波長合波機能を持つ光波長フィルタに関する。

光通信の大容量性の一つの要因は波長分割多重（ＷＤＭ）技術による所が大きく、すなわち異なる波長のレーザ光を搬送波としてこれを送信側では合波させて一本のファイバへ入射し、受信側では受信光を波長毎に分波してそれぞれの波長毎に光を受信することで１本の光ファイバにて多くの情報を送ることが可能である点にある。この光の波長毎の合波・分波の機能を実現する素子が波長フィルタである。

波長フィルタとして多く用いられている光デバイスとしてアレー回折格子による、いわゆるＡＷＧ素子が挙がるが、他にも多モード干渉導波路による波長フィルタも存在する。一般に複数の入出力ポートを有する多モード干渉導波路は、各入力ポートへ入力される光の位相の相対関係により、光が出力されるポートが異なるといった特徴を持っている。

これを応用して、例えば適当な１×Ｎカプラによって光を分波した後に、分波ポート毎に異なる長さの遅延導波路を経由して多モード干渉導波路へ光を入射させることで実現される波長フィルタが提案されている。（非特許文献１）
すなわち図１に示すように、１つの入力導波路Ａから入力された光は、適当な１×Ｎカプラ１によりＮ分岐される。分岐された光は、Ｎ本の遅延導波路Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂ（Ｎ−１）、ＢＮを導波するが、波長毎に遅延導波路における光の位相変化が異なるために、Ｎ×Ｎポート多モード干渉導波路（ＭＭＩ）２に入力されるＮ個のモードの光位相の相対関係は、波長によって異なる。従って、Ｎ×ＮポートＭＭＩ２に入力された光はその波長毎に異なる出力ポートから異なる出力導波路Ｃ１、Ｃ２、・・・Ｃ（Ｎ−１）、ＣＮへ出力されることになる。

非特許文献２では４×４ポートの多モード干渉導波路と４本の遅延導波路により波長フィルタの一種である４×４ポートのトランスバーサルフィルタ（ＴＦ）を構成し光ＯＦＤＭ用の受光回路として用いている。多モード干渉導波路による４×４ポートのＴＦの利点としては、一般的な波長フィルタであるＮ×ＮポートのＡＷＧにおいてはアレー導波路の本数が一般にＮ以上必要であることに対して、非特許文献１の多モード干渉導波路による４×４ポートのＴＦの遅延導波路本数は４本であり、光回路一般において作製誤差の要因となる位相を制御するための導波路の本数が少ないことが挙げられる。また多モード干渉導波路自身も他のカプラと比較すると小型かつ作製が容易であるという利点もある。

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これまで述べてきたように、多モード干渉導波路によるＴＦ（ＭＭＩ−ＴＦ）は小型かつ作製許容度に優れた性質を持っている。

しかしながら、例えば典型的な光素子である半導体レーザが数百μｍ程度の大きさである一方で、ＭＭＩ−ＴＦの大きさは例えば非特許文献３のような半導体多モード干渉導波路による４×４ポート構成であると２ｍｍ程度の大きさとなり、いかにＭＭＩ−ＴＦが小型であろうとも他の光素子よりもサイズとしては大きい。

従って発振波長の異なるレーザの波長合波器としてＭＭＩ−ＴＦを集積してＷＤＭ集積光源を得る際などには、ＭＭＩ−ＴＦのサイズが集積チップのサイズ縮小に妨げとなる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ＭＭＩ−ＴＦを更に小型化することを目的とする。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の入出力導波路と、前記入出力導波路に接続されたＮ個のポートを一方に有し、該Ｎ個のポートに対応する別のＮ個のポートを他方に有するＮ×Ｎポート構成の多モード干渉導波路と、前記多モード干渉導波路の前記他方に設けられたＮ個のポートに一端が接続され、それぞれ長さの異なるＮ本の遅延導波路とを備え、前記遅延導波路の他端には、該遅延導波路を往復するように光を反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする光波長フィルタである。

多モード干渉導波路を用いた従来の波長フィルタの構成を示す図である。 Ｎ×Ｎポートの多モード干渉導波路を用いた光波長フィルタの構成を示す図である。 ５×５ポートの多モード干渉導波路を用いた光波長フィルタの構成を示す図である。 光波長フィルタを構成する導波路の断面構造を示す図である。 光波長フィルタ内の光入射方向の光伝搬の様子を示す図である。 光波長フィルタ内の光入射方向と逆方向の光伝搬の様子を示す図である。 光波長フィルタのフィルタ特性を計算によって求めた結果を示す図である。 光波長フィルタと光源を集積したＷＤＭ光源の模式図である。 従来のＴＦと光源を集積したＷＤＭ光源の模式図である。 光波長フィルタと受光器を集積したＷＤＭ受信機の模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本発明の光波長フィルタの模式図を図２に示す。光波長フィルタは、Ｎを２以上の整数とした時に、Ｎ×Ｎポート構成の多モード干渉導波路ＭＭＩ３において、Ｎポートを有するＭＭＩ３の一方にＮ本の入出力導波路ＩＯ１・・・ＩＯＮが接続され、上記Ｎポートと対応する別のＮポートを有するＭＭＩ３の他方には、それぞれ長さの異なるＮ本の遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮの一端が接続されている。さらに、Ｎ本の遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮの他端には反射鏡が設けられている。

この光波長フィルタでは、入出力導波路ＩＯ１・・・ＩＯＮのいずれかより入力された光が、ＭＭＩ３を伝搬して、それぞれ長さの異なるＮ本の遅延導波路Ｄ１から遅延導波路ＤＮのそれぞれに等分岐して出力される。等分岐された光は、遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮを伝搬し、遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮの２つの端部のうち、ＭＭＩ３とは接続されていない端部に設けられた反射鏡にて反射されてＭＭＩ３まで戻り、再びＭＭＩ３を伝搬して入出力導波路ＩＯ１・・・ＩＯＮへ出力される。入出力導波路ＩＯ１・・・ＩＯＮへ出力される際に、光の波長毎に異なる入出力導波路へ集光されるように、Ｎ本の遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮを往復した光の位相の相対関係が揃うようにＮ本の遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮの長さと幅が調整されている。

遅延導波路Ｄ１・・・ＤＮの２つの端部のうち、ＭＭＩ３とは接続されていない端部に設けられた反射鏡Ｍ１から反射鏡ＭＮは、導波路と空気による反射鏡、空気と導波路の間に導波路とは異なる材料による複数の膜によって構成される高反射多層膜による反射鏡、導波路の先端に金属膜を付けた金属反射鏡、その他光を反射させる手段によって構成されている。

さらに、１つ以上のレーザダイオードを、上記の光波長フィルタの入出力導波路に接続することによって、同一の基板上に集積された光源・変調器集積型の光半導体装置を構成できる。

さらに、１つ以上のフォトディテクタを上記の光波長フィルタの入出力導波路に接続することによって、同一の基板上に集積された光受光装置を構成できる。

実施例１として反射型のＭＭＩ−ＴＦ（以下、光波長フィルタ）について５×５多モード干渉導波路を用いて、１×４ポート構成の光波長フィルタについて光透過特性の計算例を示す。本実施例では１×４ポートの構成を例に挙げて説明するが、一般に（Ｎ＋１）×（Ｎ＋１）ポートの多モード干渉導波路（ＭＭＩ）４を用いれば、１×ＮポートのＴＦへの拡張も可能である。図３は、光波長フィルタの模式的な構造を示す図であり、図４は、光波長フィルタの導波路部分の具体的な構造を示す図である。

図４において、光波長フィルタの導波路部分は、ＩｎＰ基板Ｓ４と、ＩｎＰ下部クラッドＣＬ４−１と、ＩｎＧａＡｓＰをベースとしたコア層ＣＯ４と、ＩｎＰ上部クラッド層ＣＬ４−２とが積層され、残りの周囲のクラッドＣＬ４−３で満たされて構成されている。

コア層ＣＯ４はＩｎＧａＡｓＰ系の４元混晶としているが、ＩｎＰ基板上に成長可能でクラッド層よりも屈折率が高い材料ならばどのような材料でも構わない。コア層ＣＯ４はフォトルミネッセンスピーク波長で１．１５μｍ付近の光を発光するような組成となっている。

図４に示す光波長フィルタの導波路部分の製造方法としては、まずＩｎＰ基板Ｓ４の上に、ＩｎＰ下部クラッドＣＬ４−１、コア層ＣＯ４、上部クラッド層ＣＬ４−２をエピタキシャル成長させる。次にフォトリソグラフィーにより、図３に示した導波路パターンを形成し、ドライエッチングによりＩｎＰ基板Ｓ４まで図４のようにエッチングをすることで、いわゆるハイメサ導波路構造を形成する。

その後、遅延導波路の２つの端部のうちＭＭＩ４に接続されない端部に、蒸着装置を用いてＡｕを蒸着することで金属ミラーからなる反射鏡を形成する。本実施例では金属ミラーによる反射膜としたが、誘電体多層膜による高反射膜によって反射鏡を形成してもよいし、半導体と空気といった単純な異種材料間の反射を用いた反射鏡を形成してもよい。

また、導波路部分を構成する材料として本実施例ではＩｎＰ系半導体を材料として用いたが、ガラスや他の誘電体、シリコン等、導波路を形成できるならば他の材料でもよい。

光波長フィルタの特性を数値計算する上で以下のパラメータを用いた。入力光として波長が１．２８５μｍから１．３１５μｍの光について計算を実施した。本実施例では１．３μｍ帯の波長を選んだが、例えば光ファイバにおいて損失が最小となる波長が１．５５μｍ付近の光についても同様の結果が得られる。入出力導波路ＩＯ３−１・・・ＩＯ３−５と遅延導波路Ｄ３−１・・・Ｄ３−５の幅は２μｍとした。多モード干渉導波路ＭＭＩ４については、長さ８０４μｍ、幅２０μｍと設定しており、この長さと幅ではＭＭＩ４は５×５カプラとして機能する。すなわち、ＭＭＩ４は、入出力導波路ＩＯ３−１・・・ＩＯ３−５のどのポートへ光を入射しても、光は遅延導波路Ｄ３−１・・・Ｄ３−５へ等しく５分岐されるように機能する。

ＭＭＩの長さをＬ、幅をＷとすると、Ｗ、Ｌの関係にはある程度の任意性があるが概ね次のように決まる。一般に本発明のＭＭＩ−ＴＦに要求される、光をＮ分岐するＮ×ＮポートのＭＭＩの長さＬは、Ｌ≒４×ｎ×Ｗ^２÷（Ｎ×λ）と表される（非特許文献５）。ここでｎはＭＭＩを構成する材料の屈折率であり、λは取り扱う光の波長域の中心波長である。

今回の計算例では、上述のとおり、ＭＭＩの幅Ｗが２０μｍであり、入力光の波長λが１．３μｍ付近で、さらに材料をＩｎＰ系半導体としているので、今回の波長域では屈折率ｎは３．５程度である。

したがって、上の式に従うとＬ≒８６１．５μｍとなり、屈折率ｎの見積もりや採用する波長λにもよるが、この式がＭＭＩを設計するにあたって概ねの長さを与える指針となる。

各遅延導波路Ｄ３−１・・・Ｄ３−５の長さは、基本的には非特許文献２記載の手法により決定されるが本実施例では反射型の遅延導波路となるため、非特許文献２のような透過型のフィルタの遅延線と比較してその半分の長さとなる。

例えば、光波長フィルタの中心の入出力導波路ＩＯ３−３へ光を入射すると、図５に示した様に光は５つの入出力導波路ＩＯ３−１・・・ＩＯ３−５へ等しく出射される。ＭＭＩ４の低波長依存性を反映して、一定の入力光の波長域幅ならば実用上十分に均等に光は分岐される。５分岐した光はそれぞれ各導波路を導波する。

ここで遅延導波路Ｄ３−１・・・Ｄ３−５においてＭＭＩ４に入力された光の位相が２πの整数倍変化する長さをｄＬとする。この整数倍値はＭＭＩ４のフィルタとしての透過強度のピーク波長間隔により決定される。

非特許文献２に示されている様に、Ｎ分岐させた光、すなわち本実施例では５分岐させた光に対してｄＬの整数倍ずつ長い光路長を５つの光に経験させることで本実施例の光波長フィルタはフィルタとして動作する。

更に、このｄＬの整数倍の長さによる位相変化の他にも、非特許文献２にあるように、本実施例の光波長フィルタをトランスバーサルフィルタとして機能させるためには、入出力導波路ＩＯ３−１・・・ＩＯ３−５より入射されて５分岐した光の位相を同じにする必要がある。つまり、一般に多モード干渉導波路４による１×ＮカプラではＮ分岐された光はある位相関係を持っているため、これを相殺する必要がある。

本実施例である、図３に示した様に入出力導波路ＩＯ３−３から光を入射して５本の遅延導波路Ｄ３−１から遅延導波路Ｄ３−５に５分岐される場合は、光の位相の相対関係は遅延導波路Ｄ３−１へ出力される光を基準にすると、０、０．６π、０．８π、０．６π、０の関係を持っている。従って、光波長フィルタがＴＦとして機能するために遅延導波路Ｄ３−２から遅延導波路Ｄ３−５を伝搬する光が遅延導波路Ｄ３−１を伝搬する光と比較して経験するべき光路差をＬｐ２、Ｌｐ３、Ｌｐ４、Ｌｐ５とすれば、
Ｌｐ２：Ｄ３−２とＤ３−１を伝搬する光の位相差が−０．６πとなる長さ
Ｌｐ３：Ｄ３−３とＤ３−１を伝搬する光の位相差が−０．８πとなる長さ
Ｌｐ４：Ｄ３−４とＤ３−１を伝搬する光の位相差が−０．６πとなる長さ
Ｌｐ５：Ｄ３−５とＤ３−１を伝搬する光の位相差が０となる長さ
となる。

本実施例では遅延線の長さは図３に示した通り、遅延導波路Ｄ３−１、遅延導波路Ｄ３−３、遅延導波路Ｄ３−５、遅延導波路Ｄ３−４、遅延導波路Ｄ３−２の順で長くなっているので遅延導波路Ｄ３−１を基準とすると、本実施例の光波長フィルタが反射型であることを考慮して、
Ｄ３−２の長さ＝（４×ｄＬ＋Ｌｐ２）÷２＋遅延導波路Ｄ３−１の長さ
Ｄ３−３の長さ＝（ ｄＬ＋Ｌｐ３）÷２＋遅延導波路Ｄ３−１の長さ
Ｄ３−４の長さ＝（３×ｄＬ＋Ｌｐ４）÷２＋遅延導波路Ｄ３−１の長さ
Ｄ３−５の長さ＝（２×ｄＬ＋Ｌｐ５）÷２＋遅延導波路Ｄ３−１の長さ
となる。

すなわち、それぞれの遅延導波路は、１番短い遅延導波路を基準とし、遅延導波路を伝搬してＭＭＩ４に入力された光の位相が２πの整数倍変化するのに要する長さをｄＬとし、ＭＭＩ４から出力された光について、基準とする遅延導波路に対する位相差を相殺するのに要する長さをＬｐとした場合に、
各遅延導波路の長さ＝基準とする遅延導波路の長さ＋（整数×ｄＬ＋Ｌｐ）÷２
となる。以上の長さの遅延導波路Ｄ３−１・・・Ｄ３−５を往復した光は再びＭＭＩ４へ入射される。

そして図６に示すように、各遅延導波路Ｄ３−１・・・Ｄ３−５にて経験した位相変化に対応して、特定の入出力導波路ＩＯ３−１・・・ＩＯ３−５へ光は出力される。図６では光は一番上の入出力導波路ＩＯ３−１へ戻ってきている。光が経験する位相変化はその光の波長によって異なるので、光の波長毎に特定の入出力導波路へ光が出力されることになる。

以上より、図３において入出力導波路ＩＯ３−３の１つと、入出力導波路ＩＯ３−１、入出力導波路ＩＯ３−２、入出力導波路ＩＯ３−４、入出力導波路ＩＯ３−５の４つの組み合わせで１×４ポートのＴＦが構成されることになる。

図７はモード展開法の計算によって、図３において本実施例の光波長フィルタの入出力導波路ＩＯ３−３へ光を入力した際の、入力光の波長と各入力ポートへ戻ってきた光強度を示したものである。図中の凡例の入出力導波路ＩＯ３−１、入出力導波路ＩＯ３−２、入出力導波路ＩＯ３−３、入出力導波路ＩＯ３−４、入出力導波路ＩＯ３−５は図３の５つの入出力導波路を意味している。

図７に示す結果によれば、例えば入出力導波路ＩＯ３−１へは１３００ｎｍ付近の光が最も強く戻ってきていることになる。

入出力導波路ＩＯ３−３は光を入射する導波路も兼ねているため入出力導波路ＩＯ３−３に戻ってきた光を取り出すためにはサーキュレータが必要になり、この時は１×５ポートのＴＦとなる。入出力導波路ＩＯ３−３から光を取り出さない場合は１×４ポートのＴＦとなる。

従って、本実施例の光波長フィルタは、入力された光がその波長に応じて、長さの異なる遅延導波路を伝搬して、特定の入力ポートの入出力導波路へ戻ってきていることが分かり、光波長フィルタとして動作していることが理解できる。

本実施では、実施例１の光波長フィルタと波長の異なる光源を集積することでコンパクトなＷＤＭ光源を得る。

特に非特許文献４のようなレーザ素子などの光源をアレー状に並べたアレー光源などは各光源に高周波を印加することから、高周波のクロストークの観点から各アレーの間隔をある程度、通常１００μｍ程度は設ける必要がある。なお、光源は、レーザ素子と変調器とを有するものであってもよい。

一方で光波長フィルタの幅はＭＭＩ５の幅により決定されるので例えば５×５ポートの構成であっても半導体で作製する場合は２０μｍ程度である。

従って図８に示すように各アレー間にＭＭＩ５を配置することで、合波フィルタによるチップ面積増大を避けることができるために、コンパクトなＷＤＭ光源を実現できる。例えば図９の様に各光源とＴＦを接続する構成と比較して、図８の構成では実質的に波長合波器が占有する面積が不要となる。

つまり、例えば非特許文献３の半導体による４×４ＴＦと４つの光源を集積したチップを考えると、非特許文献３のＴＦの長さが３ｍｍ程度あるので、集積光源のチップの長さを３ｍｍ程度短くすることができる。

なお、図８では４波長の光源からの合波器として描いているが、この考えは一般のポート数Ｎにも拡張可能である。

本実施例では、実施例１の光波長フィルタとフォトディテクタを集積することでコンパクトな光受信機を得る。

実施例１の光波長フィルタは、ＷＤＭ信号の受信機においてＷＤＭ信号の分波器として用いることができる。また、実施例１の光波長フィルタはトランスバーサルフィルタであるので非特許文献２のようにＯＦＤＭ用の受信回路としても用いることができる。図１０に示すようにＷＤＭ信号やＯＦＤＭ信号を実施例１の光波長フィルタへ入射させることでその波長やサブキャリア毎に異なる出力ポートへ出力される。

したがって、出力ポートにフォトディテクタ（ＰＤ）を集積すれば、分波器とＰＤのモノリシック受信回路を得ることができる。

なお、図１０では４波長の分波器として描いているが一般のポート数Ｎにも拡張可能である。

１ １×Ｎカプラ
２ Ｎ×Ｎポート多モード干渉導波路
３ 多モード干渉導波路（ＭＭＩ）
ＩＯ１・・・ＩＯＮ 入出力導波路
Ｄ１・・・ＤＮ 遅延導波路

Claims (6)

1. Ｎ本（Ｎは２以上の整数）の入出力導波路と、
   前記入出力導波路に接続されたＮ個のポートを一方に有し、該Ｎ個のポートに対応する別のＮ個のポートを他方に有するＮ×Ｎポート構成の多モード干渉導波路と、
   前記多モード干渉導波路の前記他方に設けられたＮ個のポートに一端が接続され、それぞれ長さの異なるＮ本の遅延導波路とを備え、
   前記遅延導波路の他端には、該遅延導波路を往復するように光を反射する反射鏡が設けられていることを特徴とする光波長フィルタ。
2. 前記遅延導波路は、前記Ｎ本の入出力導波路のいずれかより入力された光が、前記多モード干渉導波路で等分岐されてＮ本の遅延導波路のそれぞれを伝搬し、前記反射鏡で反射されて前記多モード干渉導波路まで戻り、前記多モード干渉導波路を再び伝搬して入出力導波路へ出力される際に、光の波長毎に異なる入出力導波路へ集光されるように、Ｎ本の遅延導波路を往復した光の位相の相対関係が揃うように、Ｎ本の遅延導波路の長さと幅が調整されていることを特徴とする請求項１に記載の光波長フィルタ。
3. 前記遅延導波路は、１番短い遅延導波路を基準とし、遅延導波路を伝搬してＭＭＩ４に入力された光の位相が２πの整数倍変化するのに要する長さをｄＬとし、ＭＭＩ４から出力された光について、基準とする遅延導波路に対する位相差を相殺するのに要する長さをＬｐとした場合に、
   遅延導波路の長さ＝基準とする遅延導波路の長さ＋（整数×ｄＬ＋Ｌｐ）÷２
   で決定される長さに設定されることを特徴とする請求項２に記載の光波長フィルタ。
4. 前記反射鏡は、導波路と空気とによる反射鏡、空気と導波路の間に導波路とは異なる材料による複数の膜によって構成される高反射多層膜による反射鏡、導波路の先端に金属膜を付けた金属反射鏡、その他光を反射させる手段のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光波長フィルタ。
5. １つ以上のレーザダイオードが、請求項１から４のいずれか１つに記載の光波長フィルタの入出力導波路に接続され、該光波長フィルタと同一の基板上に集積されたことを特徴とする集積型の光半導体装置。
6. １つ以上のフォトディテクタが、請求項１から４のいずれか１つに記載の光波長フィルタの入出力導波路に接続され、該光波長フィルタと同一の基板上に集積されたことを特徴とする光受光装置。

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