JP2019082633A - Reflection type wavelength filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光デバイスに関し、より詳しくは一定の範囲内の波長域において任意の波長の光を反射させることができる反射型波長フィルタに関する。 The present invention relates to an optical device, and more particularly to a reflective wavelength filter capable of reflecting light of any wavelength in a wavelength range within a certain range.
光通信の大容量性の一つの要因は波長分割多重(wavelength−division multiplexing: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。 One factor of the large capacity of optical communication is largely due to wavelength-division multiplexing (WDM) technology, that is, laser light of different wavelengths is used as a carrier and this is multiplexed on the transmission side to form a single fiber. It is possible to transmit a large amount of information through one optical fiber by demultiplexing the reception light for each wavelength and receiving the light for each wavelength on the reception side.
WDM通信システムを構築するにあたって、特定の波長を選択的に取り出したり、異なる波長を一つの光路にまとめることができる波長フィルタはWDMシステムを構築するにあたって重要な光デバイスである。 In constructing a WDM communication system, wavelength filters capable of selectively extracting specific wavelengths or combining different wavelengths into one optical path are important optical devices in constructing a WDM system.
特に異なる材料を多層状にした多層薄膜基板を用いて作製する導波路型の波長フィルタはその小型性や、他の機能素子とモノリシックにした際の機能性の観点からシステムの省スペース化や高機能化に有利である。しばしば、この導波路型のフィルタのスペクトル特性を外部信号により調整することが求められる。 In particular, a waveguide type wavelength filter manufactured using a multilayer thin film substrate in which different materials are formed in multiple layers can save space and increase the space of the system from the viewpoint of its compactness and functionality when monolithically made with other functional elements. It is advantageous for functionalization. Often it is required to adjust the spectral properties of this waveguide-type filter with an external signal.
導波路型フィルタの典型例であるアレー回折格子(arrayed waveguide grating:AWG)の透過スペクトルを調整する方法が非特許文献1に記載されている。非特許文献1では、Si製のAWGに関して、Siの屈折率の温度依存性を利用してその透過スペクトルを変化させている。これは、AWGの一対の入出力ポートに着目した際に、その透過ピーク波長がアレー回折格子を形成する導波路の屈折率に比例する事実を用いている。
Non-Patent
AWGの他にもリング共振器によるフィルタを調整する報告も多く存在する。非特許文献2では、化合物半導体によるリング共振器に電流を注入して屈折率を変化させることで、波長可変光源(tunable light source:TLS)用の波長可変フィルタとしている。リング共振器の特性スペクトルもAWGと同様にその材料の屈折率に比例してシフトする。
Besides the AWG, there are many reports on adjusting a filter with a ring resonator. In
また、その他の導波路型にも対応できる代表的なフィルタとしては、特定の波長の光を反射させる分布型ブラッグ反射器(distributed Bragg reflector:DBR)が挙げられる。DBRもAWGやリング共振器と同様に、その導波路材料の屈折率に比例して特性スペクトルがシフトする。非特許文献3には、微小なDBR部においてマイクロヒータによる局所加熱によってその屈折率を変化させることでDBRの反射スペクトルを変化させることが記載されている。この手法では、光利得媒質を二つのDBRで挟むことにより、TLSを形成している。
In addition, as a typical filter that can cope with other waveguide types, a distributed Bragg reflector (DBR) that reflects light of a specific wavelength can be mentioned. Similar to AWGs and ring resonators, the characteristic spectrum of DBR shifts in proportion to the refractive index of its waveguide material. Non-Patent
以上に説明したフィルタの共通の問題として、フィルタ特性が導波路の屈折率に比例するといった問題がある。言い換えると、波長可変量は導波路の屈折率の制御範囲で決定される。導波路の屈折率を変えるためには温度・電流・電界・応力など多くの手法が存在するが、いずれにせよ、高々1%以下であるといえ、波長可変量としては十分なものではなかった。 A common problem with the filters described above is that the filter characteristics are proportional to the refractive index of the waveguide. In other words, the variable amount of wavelength is determined by the control range of the refractive index of the waveguide. There are many methods to change the refractive index of the waveguide, such as temperature, current, electric field, stress, but in any case, although it is at most 1% or less, it was not sufficient as a wavelength variable. .
例えば一つのフィルタのピーク波長を光通信波長帯で用いる1550nmに設定したとすると、材料の屈折率にもよるが、その波長可変量は10nm以下である。光通信の波長帯は、例えば光ファイバの光損失が最も小さくなるCバンド帯に限定しても40nmの幅があり、上記の波長可変量では不十分であることが分かる。以上の問題に全て共通する原因として、フィルタのスペクトルがフィルタを構成する屈折率と1対1で対応している点にある。 For example, if the peak wavelength of one filter is set to 1550 nm used in the optical communication wavelength band, the variable wavelength amount is 10 nm or less, although it depends on the refractive index of the material. The wavelength band of the optical communication is, for example, 40 nm wide even if it is limited to the C band where the optical loss of the optical fiber is the smallest, and it is understood that the above-mentioned variable wavelength amount is insufficient. The reason common to all the above problems is that the spectrum of the filter is in one-to-one correspondence with the refractive index constituting the filter.
ところで近年、導波路の屈折率ではなく、導波路を伝搬した光の位相によりフィルタ特性を実現する報告がある。非特許文献4の多モード干渉導波路(multi−mode interference:MMI)を使った反射型のトランスバーサルフィルタ(reflection−type transeversal filter:RTF)は、N×Nポート構成のMMIに入射された光がN分岐されて、長さの異なるN本の反射型の遅延線を往復して再びMMIに入射される際に、N個の遅延線からの光の位相関係を反映して、特定の入力ポートに光が戻される機能を持つ。すなわち、各遅延導波路からの光の位相が特定の相対関係になった時のみに、特定のポートに光が集光される。
In recent years, it has been reported that the filter characteristic is realized not by the refractive index of the waveguide but by the phase of light propagating through the waveguide. A reflection-type transversal filter (RTF) using multi-mode interference (MMI) of Non-Patent
非特許文献4のような多モード干渉導波路で重要なことは、屈折率では無く位相でフィルタ特性を制御できる点にある。光の位相変化は伝搬する光導波路の長さと材料の屈折率変化に比例し、波長に反比例(周波数に比例)する。したがって、たとえ屈折率変化量が小さくても屈折率を変化させる導波路の長さを長くすることで位相変化は大きくできることが分かる。
The important point in the multimode interference waveguide as in
図1は非特許文献4のような位相制御型のRTFの構成を示す図である。RTFは、入出力導波路10と端部に反射部が設けられた互いに長さの異なる遅延線20との間に多モード干渉導波路30が設けられた構成を備えている。RTFのフィルタ特性は各遅延線の長さの差で規定され、最も短い遅延線の長さ(参照遅延線と呼ぶ)をどの程度にするかについては自由度がある。すなわち、参照遅延線の長さを長く取ることで、ここに導波路の屈折率を変化させる電極を設ければ、遅延線を往復する位相の変化を大きくすることができる。この場合、遅延線を不用意に長くすることによるフィルタ特性の劣化も実際上は存在する(非特許文献4)が、拡張する長さが限定的であればその劣化度合を十分小さくすることができる。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a phase control RTF as in
上述したような位相でフィルタ特性を制御する原理は、MMIによるRTFを反射型としない非特許文献5でも実現可能である。非特許文献4のような反射型の利点は光が遅延線を往復するため、透過型で同一の原理を実現する時と比べて、ある導波路に屈折率変化が与えられた際に位相変化が2倍になる利点がある。
The principle of controlling the filter characteristics with the phase as described above can also be realized by Non-Patent
導波路の屈折率ではなく位相によるフィルタ特性の制御は、厳密には、AWGにおいても物理的には不可能という訳ではないが実際上は非常に困難であったり、その効果が小さい。それはAWGとトランスバーサルフィルタの大きな違いとして、遅延線の個数の多さと、各遅延線から出射される光の位相の連続性に起因している。 The control of the filter characteristics not by the refractive index but by the phase of the waveguide is strictly not physically impossible even with the AWG, but it is extremely difficult in practice, or its effect is small. The main difference between the AWG and the transversal filter is the large number of delay lines and the continuity of the phase of light emitted from each delay line.
本発明者らは上記従来の問題を鋭意検討したところ、多モード干渉導波路を用いたトランスバーサルフィルタ、特に反射型である反射型トランスバーサルフィルタを用いて導波路を伝搬した光の位相によりフィルタ特性を制御することにより、従来よりも波長可変量を大きくすることができることを見出し、本発明に至った。 The inventors of the present invention have intensively studied the above-mentioned problems, and have found that the transversal filter using a multimode interference waveguide, in particular, the filter according to the phase of light propagating through the waveguide using a reflective transversal filter that is a reflection type. By controlling the characteristics, it has been found that the variable amount of wavelength can be made larger than that of the prior art, resulting in the present invention.
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、屈折率により制限される可変波長範囲よりも広くて波長可変量が十分な導波路型波長フィルタを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a waveguide type wavelength filter which is wider than the variable wavelength range limited by the refractive index and has a sufficient amount of variable wavelength. It is in.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、M(Mは1以上の整数)×K(Kは2以上の整数)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K個のポートそれぞれに接続された、互いに長さの異なるK個の遅延線とを備えた反射型波長フィルタであって、前記K個の遅延線のそれぞれには、第1の電極と、第2の電極と、第3の電極とのうちの少なくとも1つが設けられており、ri(i=1,2,,,,,K)、dL、L0、Le1、Le2、Le3をゼロ以上の実数、Bはriの中で最も大きい値以上であるとし、前記K個の遅延線は長さがL0+ri×dLであるとき、第1の電極の長さはri×Le1であり、第2の電極の長さは(B−ri)×Le2であり、第3の電極の長さはLe3であることを特徴とする反射型波長可変フィルタである。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in one embodiment comprises: a multimode interference waveguide having M (M is an integer of 1 or more) × K (K is an integer of 2 or more) port configuration; A reflective wavelength filter comprising K delay lines of different lengths connected to each of K ports of the mode interference waveguide, wherein each of the K delay lines is And at least one of the second electrode and the third electrode is provided, and ri (i = 1, 2,..., K), dL, L0, Le1, Le2, Le3. Is a real number greater than or equal to zero, B is greater than or equal to the largest value among ri, and the length of the K delay lines is L0 + ri × dL, the length of the first electrode is ri × Le1 , The length of the second electrode is (B−ri) ×
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
実施例1では、多モード干渉導波路(multi−mode interference:MMI)を用いた反射型波長可変フィルタ(reflection−type transeversal filter:RTF)を用いた例を説明する。 In the first embodiment, an example in which a reflection-type transversal filter (RTF) using a multi-mode interference (MMI) is used will be described.
導波路の材料としてはフォトルミネッセンス波長が1375nmである多重量子井戸構造(Multi−quantum well:MQW)をコアとしたInP系化合物半導体(図2(a))を用いる。ここでは上記の材料を例にしたが、Siやガラスなどの他の材料であっても構わない。 As a material of the waveguide, an InP-based compound semiconductor (FIG. 2A) having a multi-quantum well (MQW) structure with a photoluminescence wavelength of 1375 nm is used. Here, although the above-described materials are taken as an example, other materials such as Si and glass may be used.
基板Sの上に種類の異なる半導体を多層膜状に堆積して積層基板が構成される。基板SとしてInPを用い、その上にコア層COとして総層厚が0.5μmのInAlGaAsとInAlAsによるMQWと2.0μmのクラッド層CLとしてInPを積層する。 Different types of semiconductors are deposited in the form of a multilayer film on the substrate S to form a laminated substrate. InP is used as the substrate S, and MQW made of InAlGaAs and InAlAs with a total layer thickness of 0.5 μm is stacked thereon as the core layer CO, and InP is stacked as the cladding layer CL of 2.0 μm.
図2(a)の積層基板を図2(b)のようにドライエッチングにより導波路形状に加工して、さらに蒸着工程により導波路上に電極Pi、Ni、Jiを設ける。 The laminated substrate of FIG. 2A is processed into a waveguide shape by dry etching as shown in FIG. 2B, and electrodes Pi, Ni and Ji are provided on the waveguide path by a vapor deposition process.
MQWに電界を印加した際にその屈折率が変化する、量子閉じ込めシュタルク効果(Quantum−confined Stark effect:QCSE)は電圧制御による屈折率変化を利用する。電圧制御による屈折率変化は、対象の材料を絶縁性にしておき、リーク電流が十分に小さければ消費電力は限りなく小さくなるという利点がある。 The quantum-confined Stark effect (QCSE), in which the refractive index changes when an electric field is applied to the MQW, utilizes the refractive index change due to voltage control. Refractive index change due to voltage control has an advantage that the target material is made insulating, and if the leak current is sufficiently small, the power consumption becomes as small as possible.
本実施例においてはクラッドCL側がpドープの半導体、基板Sがnドープの半導体であれば、基板Sの電位を基準とした時にクラッドCL側に負の電圧を印加すれば、電圧の値が降伏電圧以下ではこの構造に流れる電流は小さい。 In the present embodiment, if the cladding CL side is a p-doped semiconductor and the substrate S is an n-doped semiconductor, the voltage value is broken if a negative voltage is applied to the cladding CL side based on the potential of the substrate S. Below the voltage the current through this structure is small.
一方で、電圧制御による屈折率変化のデメリットとしては電流注入や局所加熱と比較してその屈折率変化は1/10程度であり、大きな屈折率変化を得るために電圧を大きくしすぎると、駆動回路の負担が大きくなってしまったり、そもそも半導体材料としての降伏電圧を越えて電流が流れ出してしまったりする問題がある。 On the other hand, as a demerit of refractive index change due to voltage control, the refractive index change is about 1/10 compared to current injection or local heating, and if the voltage is made too large to obtain a large refractive index change, There is a problem that the load on the circuit is increased, or the current flows out beyond the breakdown voltage of the semiconductor material in the first place.
後述のように、本発明は屈折率変化が小さくても、電極長の設計によってフィルタ特性の変化量を大きくできる点にある。従って、QCSEの様に電力効率は高いが屈折率変化量の最大値が決まっている物理に対しては恩恵が大きい。 As described later, according to the present invention, even if the change in refractive index is small, the amount of change in filter characteristics can be increased by designing the electrode length. Therefore, although the power efficiency is high, such as QCSE, the benefit is great for the physics in which the maximum value of the refractive index change is determined.
図3は図2(b)に示した導波路構造の導波方向の長さが100μmであった際に、この導波路に電圧を印加した際の位相変化を非特許文献6の手法に基づいて数値計算したものである。それぞれ、入力波長(単位はマイクロメートル)毎に印加電圧と位相変化との関係を示している。例えば1.55μmの光に対しては導波路に10Vの電圧を印加すると、およそ0.3πの位相変化が生じることになる。本実施例では、以上の導波路構造を用いて図4に示す反射型波長フィルタを構成してその特性を観察する。 FIG. 3 shows the phase change when a voltage is applied to the waveguide when the length of the waveguide direction shown in FIG. 2 (b) is 100 μm, based on the method of Non-Patent Document 6 Calculated numerically. Each shows the relationship between the applied voltage and the phase change for each input wavelength (unit: micrometer). For example, for a light of 1.55 μm, applying a voltage of 10 V to the waveguide causes a phase change of approximately 0.3π. In the present embodiment, the reflection type wavelength filter shown in FIG. 4 is configured using the above waveguide structure, and the characteristics thereof are observed.
図4(a)は図2(b)の導波路構造を用いて構成した反射型波長フィルタの一例を示す図である。本実施例の反射型波長フィルタは、図4(a)に示すように、M(入力ポート数)=K(出力ポート数)=5とした多モード干渉導波路30と、多モード干渉導波路30の5つの入力ポートにそれぞれ接続された5つの入出力導波路10と、多モード干渉導波路30の5つの出力ポートにそれぞれ接続された5つの遅延線20を備えた構成である。説明のために、5つの遅延線20に対して、上から順にi=1、2、3、4、5と識別番号を与える(201、202、203、204、205)。図4では、最も短い遅延線(参照遅延線)203は3番(i=3)でありその長さをL0とする。その他の遅延線205、204、202、201は、i=5、i=4、i=2、i=1の順番で遅延線は長くなっていき、それぞれの長さをLiとするとLi=L0+ri×dLとすることができる。ここでL0、dLはゼロ以上の実数である。多モード干渉導波路30の出力ポートに接続されていない5つの遅延線20の他端にはミラー22が設けられている。
FIG. 4 (a) is a view showing an example of a reflection type wavelength filter configured using the waveguide structure of FIG. 2 (b). As shown in FIG. 4A, the reflection type wavelength filter of the present embodiment has a
それぞれの遅延線20には、動的に位相を動かさない固定の位相シフタ21が設けられている。本実施例および他の実施例における反射型波長可変フィルタは、図1に示すようないわゆる反射型のトランスバーサルフィルタをベースに構成されたものであり、この固定の位相シフタ21の部分が反射型波長可変フィルタをトランスバーサルフィルタとして機能させている。すなわち、この固定の位相シフタ21による位相シフト量はMMI30の伝達関数と一致させるように調整して、反射型波長フィルタがフィルタ特性を発現するように適当に選択される。riが1から4の整数である場合は図4の回路は反射型の離散フーリエ変換素子となる。なお、遅延線20の長さの順番やそれに対応した位相シフタ21の固定位相シフト量は非特許文献5に記載されたように一定の任意性に基づいて設定することができる。
Each
図4の回路が離散フーリエ変換素子である場合、特定のポートに光を入射すると、MMI30で光は5分岐されて各遅延線を往復し、再びポートに光が出力されるが、各ポートに出力される光の波長(周波数)はある周波数間隔Δf/5となる。すなわち、特定のポートに注目すると周波数間隔Δf毎に、光は周期的に反射されることになる。
In the case where the circuit of FIG. 4 is a discrete Fourier transform element, when light enters a specific port, the light is branched into five by the
ここでΔf=c/ng/2/dLの関係がある。cは光速、ngは導波路の群屈折率であり、因子2は図4のフィルタが反射型であることに由来する。Δfは一般にfree spectral range(FSR)と呼ばれる。すなわち、dLの設計によって、各ポートのFSRを制御することができる。ここではdL=31.3μmとして、r1=4、r2=3、r3=0、r4=2、r5=1とする。
Here, there is a relationship of Δf = c / ng / 2 / dL. c is the speed of light, ng is the group index of the waveguide, and
また、各遅延線には最大三つの電気的に分離された電極Pi、Ni、Jiが設けられている。これらの電極は、電極Piの長さをri×Le1、電極Niの長さを(B−ri)×Le2(ただしB≧max(ri):Bはriの中で最も大きい値以上である)、電極Jiの長さをLe3とすることができ、この例ではB=4を採用している。そして、Le1=Le2=120μmとして、Le3=600μmとする。Le1、Le2、Le3はゼロ以上の実数である。 In addition, up to three electrically separated electrodes Pi, Ni, Ji are provided on each delay line. In these electrodes, the length of the electrode Pi is ri × Le1 and the length of the electrode Ni is (B−ri) × Le2 (where B ≧ max (ri): B is greater than or equal to the largest value among ri) The length of the electrode Ji can be set to Le3, and B = 4 is adopted in this example. Then, it is assumed that Le3 = 600 μm, assuming that Le1 = Le2 = 120 μm. Le1, Le2, Le3 are real numbers greater than or equal to zero.
3つの電極Pi、Ni、Jiは各遅延線20の中においては電気的に分離している必要があるが、異なる遅延線20間で同じグループの電極(Pi同士、Ni同士、Ji同士)については図4(b)の様に短絡されていても構わない。図4(b)の構成にすることで短絡した端子に電気信号を印加した際に、それぞれの遅延線20に設けられた電極Pi、Ni、Jiの長さに比例した位相変化が起きるので、以降に述べるスペクトルシフトを起こすには、制御が簡素になるメリットがある。
The three electrodes Pi, Ni, and Ji need to be electrically separated in each
図5(a)にはMMI30の入力側のポート3に光を入射したときにMMI30の入力側の各ポートに返ってくる光の強度についての数値計算結果を示す。なお、MMI30の入力側のポート3に光を入射した際に同じポート3におけるスペクトルは、このポート3から見た時の反射スペクトルである。なお、図5(a)には、各ポートのスペクトルは♯ポート番号で示されている。
FIG. 5A shows the result of numerical calculation of the intensity of light returned to each port on the input side of
図5(a)によれば、2nm毎に異なる波長の光が各ポートに現れ、一つのポートに着目すると10nm毎にピーク波長が表れていることがわかる。すなわち、一つのポートに注目した際のFSRが10nmということである。 According to FIG. 5A, it can be seen that light of different wavelengths appears at each port every 2 nm, and when focusing on one port, peak wavelengths appear every 10 nm. That is, the FSR when focusing on one port is 10 nm.
図5(b)には、グラフの見やすさのため、ポート2のみに着目して、電極に電圧を印加しない場合、電極Piの全てに5Vの電圧を印加した場合、電極Niの全てに5Vの電圧を印加した場合のそれぞれの場合のスペクトルを示す。
In FIG. 5 (b), in the case where the voltage is not applied to the electrodes focusing on
図5(b)によれば、電極Piに印加した場合はスペクトルが長波側にシフトし、電極Niに印加した場合はスペクトルが短波側にシフトしている様子がわかる。図5(b)ではポート2のみに注目したが、この波長シフトはポート2以外にも全てのポートにて生じる。これは次のように理解できる。
According to FIG. 5B, it can be seen that the spectrum shifts to the long wave side when applied to the electrode Pi, and the spectrum shifts to the short wave side when applied to the electrode Ni. Although
MMI30によるトランスバーサルフィルタにおいて、識別番号iの参照遅延線を往復した光の位相θiを次式(1)のように表す。
In the transversal filter according to the
式(1)でλは光の波長、nは波長λにおける屈折率、Liは識別子iの遅延線の長さ(Li=L0+ri×dL)であり、φiは電極Pi、Ni、Jiへ電圧を印加する外部信号による位相シフトを示している。 In equation (1), λ is the wavelength of light, n is the refractive index at wavelength λ, Li is the length of the delay line of identifier i (Li = L0 + ri × dL), and φi is the voltage to electrodes Pi, Ni, Ji The phase shift by the applied external signal is shown.
参照遅延線を往復した光の位相をθi=refとして、各遅延線の相対位相は次式(2)になる。 Assuming that the phase of light reciprocated in the reference delay line is θi = ref , the relative phase of each delay line is given by the following equation (2).
波長と周波数の分散関係f=c/λ(f:光の周波数、c:光速)、及び屈折率をn=n’λ+ngと表して(n’:屈折率の分散、ng:群屈折率)とすると、次式(3)となる。 Dispersion relationship between wavelength and frequency f = c / λ (f: frequency of light, c: speed of light), and refractive index as n = n'λ + ng (n ': dispersion of refractive index, ng: group refractive index) Then, the following equation (3) is obtained.
ここで、各遅延線の可変の位相シフタ(電極Pi、Ni、Ji)に信号を印加していない時と、印加した時でスペクトル特性がfからf+Δfにシフトしたとすると、 Here, assuming that the spectral characteristics shift from f to f + Δf when no signal is applied to the variable phase shifters (electrodes Pi, Ni, Ji) of the delay lines and when the signals are applied,
が成り立つ。 Is true.
例えば、参照遅延線には信号を印加しない場合(φi=ref=0)は、 For example, when a signal is not applied to the reference delay line (φ i = ref = 0),
となり、参照遅延線以外に、それぞれの遅延線のriに比例した位相シフト量を与えれば、スペクトルはシフトすることになる。つまり上記の位相調整電極Piの長さに関する記述の通り、位相調整電極Piの長さをriと定数Le1の長さの積で設定すれば、全てのPiに同一の電圧を印加した際には、スペクトルが長波長側にシフトする。ただし、ここで上記式(5)に注目すると、位相シフトのための屈折率変化の物理が同一ならば、基本的には位相変化φiの符号は一通りである。例えば、φi>0であった場合はΔf<0となり、低周波数側(波長ならば長波長側)にのみしかシフトできない。 If the phase shift amount proportional to ri of each delay line is given other than the reference delay line, the spectrum will be shifted. That is, as described above regarding the length of the phase adjustment electrode Pi, if the length of the phase adjustment electrode Pi is set by the product of ri and the length of the constant Le1, the same voltage is applied to all the Pi. , The spectrum shifts to the long wavelength side. However, if attention is paid to the above equation (5), the sign of the phase change φi is basically one as long as the physics of the refractive index change for phase shift is the same. For example, if .phi.i> 0, .DELTA.f <0, and it is possible to shift only to the low frequency side (long wavelength side if it is wavelength).
そこで、参照遅延線の位相シフト量φi=refが正の有限値であったとすると式(4)より Then, assuming that the phase shift amount φ i = ref of the reference delay line is a positive finite value, according to equation (4)
となるのでφi<φi=refならばΔf>0にも成り得ることが分かる。 Therefore, it can be understood that if φi <φi = ref, then Δf> 0.
ここでφi=ref=ABΔf(B>0)と、参照遅延線の位相シフト量を任意定位数Bと位相シフト量をΔfの積で表す。その時のφiは Here, φ i = ref = ABΔf (B> 0) and the phase shift amount of the reference delay line is represented by the product of the arbitrary localization number B and the phase shift amount of Δf. At that time φ i
全ての識別番号iの遅延線についてφi≧0であるためにはΔf≧0に注意すると、下記式(8)となる。 If it is noted that .DELTA.f.gtoreq.0 in order to satisfy .phi.i.gtoreq.0 for all delay lines with identification numbers i, the following equation (8) is obtained.
すなわち、上記の位相調整電極Niの長さに関する記述の通り、位相調整電極Niの長さをB−ri(ただし、Bはriの中で最も大きい値以上)と定数Le2の長さの積で設定すれば、全てのNiに同一の電圧を印加した際にはスペクトルが短波長側にシフトする。 That is, as described in relation to the length of the phase adjustment electrode Ni, the length of the phase adjustment electrode Ni is the product of B-ri (where B is the largest value of ri or more) and the length of the constant Le2. If set, when the same voltage is applied to all Ni, the spectrum shifts to the short wavelength side.
図5(c)もポート2のスペクトルのみに注目して示して、電極に電圧を印加しない場合と電極電極Jiすべてに9Vの電圧を印加した場合のそれぞれの場合のスペクトルを示す。図5(c)によれば、電極Jiすべてに9Vを印加すると既存のフィルタのピークの中間の場所にピークが表れていることがわかる。ここで、電極Jiはi=2とi=5の電極のみに設けられており、その長さは上述の通り、全てL3=600μmである。
FIG. 5C also shows only the spectrum of
この原理について式(3)を用いて説明する。今、周波数f=f0にスペクトルにピークがあったとすると、式(3)は下記式(9)に示すように変形できる。 This principle will be described using equation (3). Now, assuming that the spectrum has a peak at the frequency f = f0, the equation (3) can be modified as shown in the following equation (9).
この一方で、スペクトルピークの中間、すなわち周波数がf0からスペクトルのFSRだけシフトした時の位相関係は On the other hand, the middle of the spectral peak, that is, the phase relationship when the frequency is shifted from f0 by FSR of the spectrum is
式(9)と式(10)の位相が等しいならば、下記式(11)が導ける。 If the phases of Equation (9) and Equation (10) are equal, Equation (11) below can be derived.
今riは0から4の整数であることから、参照遅延線に電圧を印加しない(φi=ref=0)ならば、ri=0、2、4の遅延線に信号を印加しない。すなわち識別番号i=3、4、1の遅延線には信号を印加しないが、識別番号i=2、5の遅延線のみそれぞれの位相変化がπになる様に電圧を印加すればよい。具体的には、電極Jiのグループは同じ長さの電極を設けて、それらに同一の電圧を印加すると図5(c)で示した作用が得られる。より一般的には電極Jiをどの遅延線に設けるかについては遅延線の本数などにも依存するがいずれにせよ、一部の遅延線に長さが同じ電極を設けることが重要である。 Since ri is an integer from 0 to 4, if no voltage is applied to the reference delay line (φ i = ref = 0), no signal is applied to the delay lines of ri = 0, 2 and 4. That is, a signal is not applied to the delay lines of identification numbers i = 3, 4 and 1, but a voltage may be applied such that the phase change of each of the delay lines of identification numbers i = 2 and 5 is π. Specifically, when the groups of the electrodes Ji are provided with electrodes of the same length and the same voltage is applied to them, the action shown in FIG. 5C is obtained. More generally, it depends on the number of delay lines and the like as to which delay line the electrode Ji is provided, but in any case, it is important to provide an electrode with the same length in some of the delay lines.
ちなみに、式(11)の作用、すなわち特定の遅延線のみの位相を制御することでフィルタ特性を変化させる手法は、遅延線ごとの位相の連続性が重要なAWGでは不可能である。 Incidentally, the method of changing the filter characteristics by controlling the operation of the equation (11), that is, controlling only the phase of a specific delay line, is impossible with the AWG in which the phase continuity for each delay line is important.
以上で述べた実施例1では、波長調整はQCSEを前提としていたが、QCSEに限らずあらゆる屈折率変化を利用した位相調整において電極長は長い方が高効率になる。 In the first embodiment described above, the wavelength adjustment is premised on QCSE. However, in the phase adjustment using not only QCSE but any refractive index change, the longer the electrode length, the higher the efficiency.
本実施例の最後に電極長を長くするにあたって参照遅延線L0の長さを有限にして、遅延線上の電極Piを長くした場合の波長シフト効率の向上について本実施例の反射型波長可変フィルタとAWGの場合とを比較する。 Finally, in the case of increasing the electrode length, the length of the reference delay line L0 is made finite, and the improvement of the wavelength shift efficiency when the electrode Pi on the delay line is increased. Compare with AWG.
遅延線上の電極Piは上記の説明よりriに比例する必要があるので、参照遅延の拡張により得られる電極長がΔlであった際には、まず最も長い遅延線の電極をΔl長くすることができる。この時の遅延線の識別番号をi=mとする。その際、ある遅延線上の電極(長さLi)が長さLi’になったとすると、その変化の割合は電極間の比は一定である上述の必要条件より以下式(12)となる。 Since the electrode Pi on the delay line needs to be proportional to ri according to the above description, when the electrode length obtained by the extension of the reference delay is Δl, the electrode of the longest delay line may first be elongated by Δl it can. The identification number of the delay line at this time is i = m. At that time, assuming that the electrode (length Li) on a certain delay line becomes the length Li ′, the rate of the change becomes the following equation (12) from the above-mentioned requirement that the ratio between the electrodes is constant.
したがって最も長い遅延線の電極、言い換えると最も長い遅延線長が長い程、変調効率向上の恩恵は小さいということになる。K個のポート構成のAWGは一般にKの3倍から4倍の遅延線が必要である、すなわちトランスバーサルフィルタと比較して最大の遅延線の長さが4倍になるAWGは図1でも説明したような参照遅延線の拡大による変調効率の恩恵は小さい。 Therefore, the longer the delay line electrode, in other words, the longest delay line length, the smaller the benefit of improving the modulation efficiency. AWGs with K port configurations generally require a delay line of 3 to 4 times K, ie an AWG with 4 times the length of the largest delay line compared to the transversal filter is also described in Figure 1 The benefit of modulation efficiency from the expansion of the reference delay line as described above is small.
結局、上記の理由によりAWGにおい変調領域の長さの拡張することによる屈折率変化の拡大(すなわち位相制御)よりも非特許文献1のように素子全体(遅延線全体)の屈折率を制御することによるフィルタ特性の制御の方が有利であるといえる。さらに、本実施例の反射型波長可変フィルタでは、素子サイズが許す限りは参照遅延線拡大による電極長の拡大の恩恵が大きいことが、一つの利点である。
After all, the refractive index of the entire element (the entire delay line) is controlled as in
図7は本実施例で採用した反射型波長可変フィルタの構成を示す図である。実施例1は電極Nまたは電極Pが設けられた遅延線20(Nは202から205、Pは201、202、204、205)全てについて電極Nの電極群または電極Pの電極群がそれぞれ短絡している構成であったが、本実施例では遅延線に設けられた電極Nの電極群または電極Pの電極群のいずれかの電極群のうち1以上かつK−1個以下の電極N同士または電極P同士が短絡され、残りの電極N同士または電極P同士も別に短絡されている構成を備える反射型波長可変フィルタを用いる。反射型波長可変フィルタのその他の構成は同様である。
FIG. 7 is a view showing the configuration of a reflection type variable wavelength filter adopted in this embodiment. Example 1 (the N from 20 2 20 5,
本実施例で用いる反射型波長可変フィルタの構成の利点を理解する準備として、遅延線の長さを決定する因子riを意図的に規則性から外すことでフィルタ特性に包絡線を持たせることを考える。 In preparation for understanding the advantages of the configuration of the reflective wavelength tunable filter used in the present embodiment, the filter characteristics are made to have an envelope by intentionally removing from the regularity the factor ri that determines the length of the delay line. Think.
実施例1ではriの選び方についてはゼロ以上の実数であるという以外は特別な制限は無く0から4の整数値としたが、これについて特別な選び方をすると、フィルタ特性をより高機能にできる場合がある。例えば、実施例1で選んだriのうち、r1、r2についてはr1=5.4、r2=4.05とする。これは意図的に分解すると、r1=4×(1+0.35)、r2=3×(1+0.35)となる。 In the first embodiment, the method of selecting ri is not particularly limited except that it is a real number of 0 or more, and is an integer value of 0 to 4. However, when the special selection is made, the filter characteristic can be made more sophisticated. There is. For example, of ri selected in the first embodiment, r1 and r2 are set to r1 = 5.4 and r2 = 4.05, respectively. When this is intentionally decomposed, r1 = 4 × (1 + 0.35) and r2 = 3 × (1 + 0.35).
この時のポート3に光を入射した時のフィルタスペクトルを図6(a)に示す。上記の遅延線の長さの因子0.35のために、図6(a)からわかるように、フィルタ特性に包絡線が表れる。この包絡線の周期はおよそ28nmであり、図4(a)のdLで与えられる一つのポートのFSR(10nm)の1/0.35倍に相当する。このようなフィルタ特性は、例えば実施例3以降で述べる、多波長光源または波長可変光源用の波長選択機構として重要である。このように、一部の遅延線の長さを特別に設計することにより、そのスペクトル特性を変化させることができる。
The filter spectrum when light is incident on the
ここで本実施例の反射型波長可変フィルタでは、図7に示す通り、i=1,2の電極とi=4,5の電極をそれぞれ短絡させて端子P12の電極群とP45の電極群とに分ける。ここで端子P45のみに5Vの電圧を印加した際のスペクトルが図6(b)である。図6(b)によれば、図6(a)と比較してその包絡線がシフトしていることがわかる。なお、図6には、各ポートのスペクトルは♯ポート番号で示されている。 Here, in the reflection type wavelength tunable filter of the present embodiment, as shown in FIG. 7, the electrodes of i = 1, 2 and i = 4, 5 are short-circuited respectively, and the electrode group of terminal P12 and the electrode group of P45 Divided into The spectrum at the time of applying the voltage of 5V only to the terminal P45 here is FIG.6 (b). According to FIG. 6 (b), it can be seen that the envelope is shifted as compared with FIG. 6 (a). In FIG. 6, the spectrum of each port is indicated by # port number.
また図6(c)はP12とP45の双方に5Vの電圧を印加した際のスペクトルである。この場合は包絡線の位置はそのままに、各ポートのスペクトルのみがシフトしていくことがわかる。 FIG. 6 (c) is a spectrum when a voltage of 5 V is applied to both P12 and P45. In this case, it can be seen that only the spectrum of each port shifts while the position of the envelope remains unchanged.
このように、遅延線の一部を他の遅延線の設計ルールと変更させて(ここではriが整数と非整数)変更させた電極とそうでない電極を別々に短絡させ、個別に電気信号を印加することで、そのスペクトル形状の包絡線まで変化させることができることがわかる。 In this way, a part of the delay line is changed with another design rule of the delay line (here, ri is an integer and a non-integer), and the changed and short electrodes are separately shorted, and the electric signal is individually It can be seen that by applying, the envelope of the spectral shape can be changed.
図8は本実施例で採用した多波長光源または多波長受光器の構成を示す図である。本実施例では、反射型波長可変フィルタの入出力導波路10の入力側に光源40を設けて多波長光源または反射型波長可変フィルタの出力側に受光器50を設けて多波長受光器として構成したものを用いている。図8では、任意に選択された入出力導波路103のみは光源40も受光器50も設けられていない。
FIG. 8 is a view showing the configuration of a multi-wavelength light source or a multi-wavelength light receiver adopted in this embodiment. In this embodiment, the
光源からの光の波長や、素子外から入射する光信号が変化する場合に、上記多波長光源または多波長受光器を用いて、入出力ポートと光源または受光器間の透過率が最大になる様に、もしくは意図的に 特定の波長を遮断するように、電極PiやNiやJiを調整する。例えばPiやNiを制御すれば与えられた光の波長に対する最大透過率を最大化できる。 When the wavelength of light from the light source or the light signal incident from the outside of the device changes, the transmissivity between the input / output port and the light source or light receiver is maximized using the multi-wavelength light source or the multi-wavelength light receiver Adjust the electrodes Pi, Ni and Ji to block specific wavelengths in a similar or intentional manner. For example, controlling Pi and Ni can maximize the maximum transmittance for a given wavelength of light.
また、実施例2のようにスペクトルに包絡線を設けて、目的の波長以外は遮断する際に電極Jiにより遮断波長を制御できる。 Further, as in the second embodiment, an envelope is provided in the spectrum, and the cutoff wavelength can be controlled by the electrode Ji when blocking other than the target wavelength.
更にこれらの用途において多くの場合は、電極に長時間にわたって電気信号を加え続けて素子のフィルタ特性を一定に保つ必要が有る。 Furthermore, in many of these applications it is often necessary to keep the filter characteristics of the device constant by continuing to apply an electrical signal to the electrodes over time.
この実施例で採用した構成は、電極長の長さに任意性がある(上述のL0の自由度)ために、消費電力は小さいが屈折率変化の小さな物理(例えばQCSE)において利用価値が高い。すなわち、本実施例のように長期間にわたって電気信号を印加し続ける用途において消費電力の観点で有利である。 The configuration adopted in this embodiment has low power consumption but has high utility value in physics (for example, QCSE) having a small change in refractive index because the length of the electrode is arbitrary (the above-mentioned degree of freedom of L0). . That is, it is advantageous in terms of power consumption in an application in which an electrical signal is continuously applied for a long time as in the present embodiment.
図9は本実施例で採用した波長可変光源の構成を示す図である。本実施例では、実施例1または2の反射型波長可変フィルタの入力側に半導体光増幅器(Semiconductor Optical Amplifier:SOA)60を設けることによって構成した波長可変光源(Tunable Laser Source:TLS)を採用している。反射型波長可変フィルタの入力側のM個のポートの一部、または全てに(図9(a)では全ての場合を示している)がミラー終端された波長可変光源を示している。
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the wavelength variable light source adopted in this embodiment. In this embodiment, a tunable laser source (TLS) configured by providing a semiconductor optical amplifier (SOA) 60 on the input side of the reflective wavelength tunable filter of the
各半導体光増幅器60のもう一端は基本的にはミラー22で終端されている。しかしながら図9(a)では遅延線の一つ(ここでは4番の遅延線)についてはミラー終端していない。したがって、各半導体光増幅器60が反射型波長可変フィルタの波長選択性を受けて特定の波長が発振して、4番の遅延線から光が出力される。各SOA毎に反射される光の波長が異なるので、各半導体光増幅器60は異なる光の波長が発振する。
The other end of each semiconductor
これは、実施例1または2の反射型波長可変フィルタの複数のポートに半導体光増幅器60を接続した場合は、電流を注入して励起する半導体光増幅器60を選べばそれに応じて素子からの波長を選ぶことができることを意味する。波長の微調整に関しては各電極に信号を印加すればよい。
This is because, when the semiconductor
また、図6で示したスペクトル特性に包絡線がある様に実施例1または2の反射型波長可変フィルタを調整すれば、波長選択性が向上し、包絡線を用いない場合と比べて更に高い精度で発振波長を選択できる。
Further, if the reflection type wavelength tunable filter of the
また図9(b)は全ての遅延線20を終端する代わりに半導体光増幅器60の終端ミラー22の反射率を下げた構成である。このような低反射ミラー半導体光増幅器60を構成する半導体のへき開などで容易に得られる。この場合は低反射ミラーと実施例1または2の反射型波長可変フィルタの反射特性を受けて各SOAは発振し、発振した光は各半導体光増幅器60の低反射ミラーからの透過光として得られる。
Further, FIG. 9B shows a configuration in which the reflectance of the
実施例1または2の反射型波長可変フィルタのriを実施例1のように0から4までの整数をそれぞれ割り当てれば、反射型波長可変フィルタは離散フーリエ変換素子となることは実施例1で述べた通りであり、各半導体光増幅器60が感じる光の反射率のピーク間隔はdLを反映した波長間隔で決定される(実施例1の場合は2nm)。すなわち、全ての半導体光増幅器60を励起してそれぞれを発振させた時は特定の波長間隔の波長で発振すると考えられる。したがって、近年その実用性が議論されているスーパーチャネル伝送の様な、波長間隔が一定に調整された、異なる波長の光が一度に必要なシステムの光源として利用できる。
If ri of the reflection type wavelength tunable filter of the
図9(c)は図9(a)の構成のTLSのMMI30の上に電極を設けている。TLSは一般に波長選択のフィルタの特性の他にも、共振器全体の長さを反映した利得の波長依存性(縦モード)を調整する必要が有る。図9(c)の様にMMIの上に縦モード制御のための電極を設けることで、どの半導体光増幅器60を励起したとしてもそれぞれが感じる共振器の縦モードを制御できるため、TLSの電極構造を簡素化できる。この構成は、実施例5など他のTLSにおいても適用できる。
In FIG. 9 (c), an electrode is provided on the
本実施例は反射型波長可変フィルタとして、実施例1の様にInP基板上のMQWを使ったQCSE効果を利用すれば、同じくInP基板上で作製できる半導体光増幅器60とモノリシック集積することが可能で、TLSの小型化や実装コスト低減による経済化も期待できる。
This embodiment can be monolithically integrated with the semiconductor
図10は本実施例で採用した波長可変光源の構成を示す図である。本実施例では、半導体光増幅器60の両側に実施例1または2の反射型波長可変フィルタを設けて構成した波長可変光源を採用している。実施例5では各、半導体光増幅器60のミラーについて特に限定はしていないが、これらを図10の様に実施例1または2の反射型波長可変フィルタに置き換えることで高機能な波長可変光源を実現できる。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the wavelength variable light source adopted in this embodiment. In this embodiment, a variable-wavelength light source configured by providing the reflection type variable-wavelength filters according to the first or second embodiment on both sides of the semiconductor
ここで2つの反射型波長可変フィルタをfrontMIR(第1の反射型波長可変フィルタ)30aとrearMIR(第2の反射型波長可変フィルタ)30bとする。図10ではそれぞれの反射型波長可変フィルタ30a、30bの電極Pi、Ni、Jiは省略している。1つのSOAに注目すると、そのSOAを導波する光はfrontMIR30aとrearMIR30bの反射スペクトルの積に相当する反射率でSOAを往復し、その積のピーク波長が発振する。図10にある通り、frontMIR30aでは1つの遅延線203に終端ミラーが無いために実施例4と同様にこのポートから発振した光が出力される。
Here, two reflection type wavelength tunable filters are referred to as frontMIR (first reflection type wavelength tunable filter) 30 a and rearMIR (second reflection type wavelength tunable filter) 30 b. In FIG. 10, the electrodes Pi, Ni, and Ji of the reflective wavelength
図11はfrontMIR30aとrearMIR30bとその積の反射スペクトルを示しており、グラフの見やすさのためにfrontMIR30aとrearMIR30bとのうちの1つのSOAが感じる反射スペクトルのみを記している。なお、これまでのスペクトルはdB表示のスペクトルであったが、ここではリニアスケールの表示にしている。なお、図11には、各ポートのスペクトルは「♯ポート番号」または「系列ポート番号」で示されている。
FIG. 11 shows the reflection spectra of the
ここでfrontMIR30aとrearMIR30bは、各ポートのFSRが4nmと4.4nmになるように、遅延線20を設計している。このFSRのずれを反映して、2つのフィルタの積は1550nmの波長でピークを持っており、その他の波長の反射率は低い。したがって、該当するSOAは1550nm近傍で発振すると考えらえる。
Here, the
ここで、例えばfrontMIR30aの遅延線20の電極P、N、Jに信号を印加してそのスペクトルを0.4nm長波側にシフトさせることを考える(図12)。すると二つの反射型波長可変フィルタの反射の積は完全に、従来のピークの隣にジャンプする(フロントのピークとリアのピークが一致する波長がひとつ隣のピークに移行する)ことが分かる。これはバーニア効果と呼ばれる原理であり、マルチピークを持つ反射器を組み合わせにより広い波長域について特定の波長について共振器を形成する手法としては既知のものであるが、従来はDBRやリング共振器によって実現されてきた。
Here, for example, a signal is applied to the electrodes P, N, and J of the
本発明はQCSEの様な小さな屈折率変化においてもこの効果を利用できることや、MMIの多ポート性を活かして、各SOAでバーニア効果を実現することでより広い波長域にて光を発振させることができる。 The present invention can utilize this effect even in small refractive index changes such as QCSE, and make the light oscillate in a wider wavelength range by realizing the vernier effect in each SOA by making use of the multiport property of MMI. Can.
図13は本実施例で採用した波長可変光源の構成を示す図である。本実施例では、実施例5で用いた波長可変光源のfrontMIR30aの前記多モード干渉導波路のK個のポートに接続された遅延線のいずれかを介して接続されたマッハツェンダ変調器(Mach−Zehnder modulator:MZM)70を設けて構成した波長可変光源集積型マッハツェンダー変調器を採用している。本実施例の構成は上述のように半導体MQW構造のQCSEのような低消費電力な物理を利用できることにある。
FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the wavelength variable light source adopted in this embodiment. In this embodiment, a Mach-Zehnder modulator (Mach-Zehnder modulator) connected via any of delay lines connected to the K ports of the multimode interference waveguide of the
一方で、近年InP上のMQWのQCSEを使ったマッハツェンダー変調器70について多くの報告がある(例えば非特許文献6)。すなわち、例えば実施例5で示したTLSとMZMとはSOA部を除けばその半導体は全く同一でも作製できる。
On the other hand, in recent years, there have been many reports on a Mach-
したがって図13のように本発明を用いたTLSと半導体MZMを基板S(半導体InP基板)上にモノリシックに集積することにより、光源と変調器間の光結合損失の低減や、実装コスト低減による経済的なTLS型の集積MZMが実現できる。 Therefore, by integrating TLS and semiconductor MZM according to the present invention monolithically on the substrate S (semiconductor InP substrate) as shown in FIG. 13, the economy of the optical coupling loss between the light source and the modulator is reduced and the mounting cost is reduced. TLS-type integrated MZM can be realized.
10 入出力導波路
20 遅延線
30 多モード干渉導波路
40 光源
50 受光器
60 半導体光増幅器
70 マッハツェンダー変調器
10 input /
Claims (8)
前記K個の遅延線のそれぞれには、第1の電極と、第2の電極と、第3の電極とのうちの少なくとも1つが設けられており、
ri(i=1,2,,,,,K)、dL、L0、Le1、Le2、Le3をゼロ以上の実数、Bはriの中で最も大きい値以上であるとし、前記K個の遅延線は長さがL0+ri×dLであるとき、
第1の電極の長さはri×Le1であり、第2の電極の長さは(B−ri)×Le2であり、第3の電極の長さはLe3であることを特徴とする反射型波長可変フィルタ。 M (M is an integer of 1 or more) × K (K is an integer of 2 or more) A multimode interference waveguide having a port configuration and lengths of mutually connected K ports of the multimode interference waveguide A reflective wavelength filter comprising K different delay lines,
Each of the K delay lines is provided with at least one of a first electrode, a second electrode, and a third electrode,
Let ri (i = 1,2 ,,,, K), dL, L0, Le1, Le2, Le3 be a real number greater than or equal to zero, B be greater than or equal to the largest value of ri, and the K delay lines Is when the length is L0 + ri × dL
Reflective type characterized in that the length of the first electrode is ri × Le 1, the length of the second electrode is (B−ri) × Le 2, and the length of the third electrode is Le 3 Wavelength tunable filter.
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