JP2019139161A - リング共振器フィルタおよびその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタおよびその設計方法を提供すること。【解決手段】リング共振器フィルタは、コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で構成され、前記コアは、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する２つの光合分波部とを有し、前記光合分波部の分岐比が０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、リング共振器フィルタおよびその設計方法に関するものである。

リング共振器を用いた光学素子として、リング共振器に分岐比が５０：５０の光合分波器が接続された構成を有するものが開示されている（特許文献１）。

一方、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を制御する方法として、レーザ光の一部を、光の波長に対して周波数的に周期的な曲線状の透過特性を有するエタロンフィルタに透過させ、この透過光の強度をモニタする方法がある（特許文献２）。このような機構はたとえば波長ロッカーと呼ばれる。このエタロンフィルタはその透過スペクトルによって波長弁別曲線を提供する。

特開２０００−２３１０６３号公報 特開２０１２−３３８９５号公報

エタロンフィルは、透過スペクトルの特性の設計の自由度が低いので、提供できる波長弁別曲線の自由度も低い。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタおよびその設計方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で構成され、前記コアは、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する２つの光合分波部とを有し、前記光合分波部の分岐比が０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満であることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記光合分波部の分岐比が５０％より大きいことを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記コアは、複数の前記リング状部を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記コアは、前記複数のリング状部を光学的に結合する光合分波部をさらに有することを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記光合分波部は多モード光干渉型であることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記光合分波部は、外形状を微小に摂動させた形状における損失を繰り返して計算することにより特定された構造最適化形状であることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が５％以上であることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタの設計方法は、コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で形成され、前記コアが、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する光合分波部とを有するリング共振器フィルタの設計方法であって、所望の透過特性に応じて、前記光合分波部の分岐比を設定することを特徴とする。

本発明によれば、透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタを実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図２は、図１のリング共振器フィルタの透過特性の例を示す図である。 図３は、光合分波部の構造最適化形状を説明する図である。 図４は、実施形態２に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図５は、実施形態３に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図６は、実施形態４に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図７は、図６のリング共振器フィルタの透過特性を示す図である。

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一又は対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ１０は、コア１１とクラッド１２とを有する石英系平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）で構成されている。

クラッド１２は、コア１１を取り囲んでおり、たとえばシリコン基板やガラス基板上に形成されている。クラッド１２は、石英系ガラス材料で構成されている。

コア１１は、クラッド１２の屈折率よりも高い屈折率を有する石英系ガラス材料で構成されている。このような屈折率が高い石英系ガラス材料として、たとえば屈折率を高めるドーパントとしてのゲルマニア（ＧｅＯ_２）やジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む石英ガラスを用いることができる。特に、ジルコニアを含む石英ガラスであるいわゆるＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２系材料であれば、クラッド１２に対するコア１１の比屈折率を、たとえば５％以上と高くできるので、リング共振器フィルタ１０を小型化する場合には好ましい。

コア１１は、２つのアーム部１１ａ、１１ｂと、リング状部１１ｃと、アーム部１１ａ、１１ｂとリング状部１１ｃとを光学的に結合する２つの光合分波部１１ｄ、１１ｅとを有している。本実施形態ではアーム部１１ａ、１１ｂは直線状であり、リング状部１１ｃは、２つの円弧部と２つの直線部とで形成される角丸長方形状であるが、形状はこれらに限定されず、リング状部１１ｃはたとえば円形状や楕円形状でもよい。

光合分波部１１ｄ、１１ｅは、入力側が２ポート、出力側が２ポートの２×２型であり、方向性結合型や多モード光干渉（ＭＭＩ）型のものであるが、本実施形態ではＭＭＩ型であるとする。

アーム部１１ａ、１１ｂと、リング状部１１ｃとは、クラッド１２に対する比屈折率差に応じて、使用波長（たとえば１．５５μｍ帯）の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。光合分波部１１ｄ、１１ｅは、クラッド１２に対する比屈折率差に応じて、使用波長（たとえば１．５５μｍ帯）の光をマルチモードで伝搬し、かつ以下に説明する分岐比となるように、その断面のサイズが設定されている。

光合分波部１１ｄ、１１ｅについてより具体的に説明する。光合分波部１１ｄは、入力側の２ポートがそれぞれアーム部１１ａ、リング状部１１ｃに接続されており、出力側の２ポートもそれぞれアーム部１１ａ、リング状部１１ｃに接続されている。これにより、光合分波部１１ｄは、アーム部１１ａとリング状部１１ｃとを光学的に接続する。光合分波部１１ｄはリング状部１１ｃの一方の直線部に配置されている。

光合分波部１１ｄは、図面左側のアーム部１１ａから入力された光Ｌ１をｘ：（１００−ｘ）で分岐し、破線矢印で示すように、光Ｌ１のｘ［％］をリング状部１１ｃに時計回りの方向に出力し、（１００−ｘ）［％］をアーム部１１ａの図面右側に出力する。すなわち、光合分波部１１ｄの分岐比はｘ［％］である。

光合分波部１１ｅは、入力側の２ポートがそれぞれアーム部１１ｂ、リング状部１１ｃに接続されており、出力側の２ポートもそれぞれアーム部１１ｂ、リング状部１１ｃに接続されている。これにより、光合分波部１１ｅは、アーム部１１ｂとリング状部１１ｃとを光学的に接続する。光合分波部１１ｅはリング状部１１ｃの他方の直線部に配置されている。すなわち、光合分波部１１ｄと光合分波部１１ｅとはリング状部１１ｃの中心を挟んで対向する位置に配置されている。すなわち、光合分波部１１ｄと光合分波部１１ｅとは、リング状部１１ｃの中心に対して点対称に配置されており、かつリング状部１１ｃの長軸に対して軸対称に配置されている。

光合分波部１１ｅは、リング状部１１ｃから入力された光をｘ：（１００−ｘ）で分岐し、破線矢印で示すように、（１００−ｘ）［％］をリング状部１１ｃに時計回りの方向に出力し、ｘ［％］を図面左側のアーム部１１ｂに出力する。すなわち、光合分波部１１ｅの分岐比はｘ［％］である。

ここで、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比ｘ［％］は、０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満に設定されている。リング共振器フィルタ１０において、アーム部１１ａの図面左側から入力された光Ｌ１を入力光、アーム部１１ｂの図面左側から出力される光Ｌ２を透過光とすると、リング共振器フィルタ１０の透過特性は、分岐比ｘ［％］に応じて変化する。

図２は、リング共振器フィルタ１０の透過特性の例を示す図である。なお、縦軸は光の周波数であり、横軸は透過光のパワーであり、スペクトルはそれぞれｘを５０％、６０％、８２％、８８％に設定したものである。図２に示すように、透過光のパワーのスペクトルはｘに応じて変化する。たとえば、透過光のパワーの最大値と最小値との差を消光比（Extinction Ratio：ＥＲ）とし、最小値を過剰損失と規定すると、ｘが５０％、６０％、８２％、８８％の場合、ＥＲはそれぞれ７．１ｄＢ、５．５ｄＢ、２．５ｄＢ、１．７ｄＢであった。また、過剰損失はそれぞれ７．６ｄＢ、６．７ｄＢ、４．８ｄＢ、４．２ｄＢであった。また、ｘを３０％とした場合、ＥＲはたとえば９．０ｄＢ、過剰損失はたとえば１０ｄＢである。

すなわち、リング共振器フィルタ１０によれば、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比ｘの設定を変更することで、その透過特性を自由に変更することができ、透過特性の設計の自由度が高い。言い換えれば、所望の透過特性に応じて、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比を設定することにより、所望の透過特性を有するリング共振器フィルタ１０を容易に設計できる。

このような設計の自由度の高さを生かして、たとえばこのリング共振器フィルタ１０を波長ロッカーに適用すれば、仕様などで要求されているレーザ光の波長の制御に応じて、その制御に適した設計の波長弁別曲線を提供できる。また、リング共振器フィルタ１０は、波長ロッカーの用途に関わらず、その設計の自由度の高さを生かして、さまざまな用途に適用できる。

なお、図２からもわかるように、分岐比ｘ［％］が大きい方が、過剰損失が小さいので、光の損失を低減する上で好ましく、たとえば５０％より大きいことが好ましい。また、６０％〜９０％がより好ましい。

ところで、光合分波部１１ｄ、１１ｅは、外形状を微小に摂動させた形状における損失を繰り返して計算することにより特定された構造最適化形状であることが好ましい。構造最適化形状とは、光合分波部１１ｄ、１１ｅの外形状を微小に摂動させ、当該摂動させた形状における結合損失をコンピュータシミュレーションによって計算するというプロセスを繰り返すことにより、過剰損失が小さく抑えられる形状としてコンピュータシミュレーションによって特定された形状のことである。この最適化アルゴリズムは、たとえば波面整合法やトポロジー最適化法という名で知られている手法を用いることができる。

図３は、光合分波部１１ｄ、１１ｅの構造最適化形状を説明する図である。この光合分波部１１ｄ、１１ｅは、トポロジー最適化法を用いて構造最適化形状としたものであり、外形状が直線状ではなく、微少に凹凸状となっている。このような構造最適化形状とすることによって、光合分波部１１ｄ、１１ｅの過剰損失を低減できる。なお、図３に示すように、入力光は、ｘ：（１００−ｘ）で分岐され、出力光として出力される。

（実施形態２）
図４は、実施形態２に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ２０は、コア２１とクラッド１２とを有する石英系ＰＬＣで構成されている。コア２１、クラッド１２の構成材料および断面のサイズは、それぞれ実施形態１に係るリング共振器フィルタ１０のコア１１、クラッド１２のものと同じなので説明を省略する。

コア２１は、２つのアーム部１１ａ、１１ｂと、２つのリング状部１１ｃ、２１ｆと、アーム部１１ａとリング状部１１ｃとを光学的に結合する光合分波部１１ｄと、アーム部１１ｂとリング状部２１ｆとを光学的に結合する光合分波部１１ｅと、リング状部１１ｃ、１１ｆを光学的に結合する光合分波部２１ｇとを有している。すなわち、リング共振器フィルタ２０では、リング共振器フィルタ１０の構成において、リング状部２１ｆと光合分波部２１ｇとを追加した構成を有する。

リング状部２１ｆはリング状部１１ｃとは異なる光路長を有しており、リング状部１１ｃとは異なるＦＳＲ（Free Spectral Range）を有する。本実施形態ではリング状部２１ｆは角丸長方形状であるが、形状はこれらに限定されない。

光合分波部２１ｇは、入力側が２ポート、出力側が２ポートの２×２型であり、方向性結合型やＭＭＩ型のものであるが、本実施形態ではＭＭＩ型であるとする。また、好ましくは、構造最適化形状である。また、光合分波部２１ｇも、破線矢印で示すように、光合分波部１１ｄ、１１ｅと同様に分岐比がｘ［％］である。また、光合分波部１１ｄと光合分波部２１ｇとはリング状部１１ｃの中心を挟んで対向する位置に配置されている。光合分波部２１ｇと光合分波部１１ｅとはリング状部２１ｆの中心を挟んで対向する位置に配置されている。

このリング共振器フィルタ２０において、アーム部１１ａの図面左側から入力された光Ｌ１を入力光、アーム部１１ｂの図面右側から出力される光Ｌ２を透過光とすると、リング共振器フィルタ２０の透過特性は、リング状部１１ｃのＦＳＲおよび分岐比ｘ［％］を反映した透過スペクトルとリング状部２１ｆのＦＳＲおよび分岐比ｘ［％］を反映した透過スペクトルとを合成した透過スペクトルを有する。

また、リング共振器フィルタ２０の透過特性は、リング共振器フィルタ１０と同様に、分岐比ｘ［％］に応じて変化する。したがって、リング共振器フィルタ２０によれば、光合分波部１１ｄ、１１ｅ、２１ｇの分岐比ｘの設定を変更することで、その透過特性を自由に変更することができ、透過特性の設計の自由度が高い。そして、所望の透過特性に応じて、光合分波部１１ｄ、１１ｅ、２１ｇの分岐比を設定することにより、所望の透過特性を有するリング共振器フィルタ２０を容易に設計できる。

（実施形態３）
図５は、実施形態３に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ３０は、コア３１とクラッド１２とを有する石英系ＰＬＣで構成されている。コア３１、クラッド１２の構成材料および断面のサイズは、それぞれ実施形態１に係るリング共振器フィルタ１０のコア１１、クラッド１２のものと同じなので説明を省略する。

コア３１は、リング共振器フィルタ１０のコア２１の構成において、さらにもう一組のリング状部１１ｃ、光合分波部１１ｄおよび光合分波部１１ｅを追加した構成を有する。

このリング共振器フィルタ３０において、アーム部１１ａの図面左側から入力された光Ｌ１を入力光、アーム部１１ｂの図面左側から出力される光Ｌ２を透過光とすると、リング共振器フィルタ３０の透過特性は、２つのリング状部１１ｃ、１１ｃのＦＳＲおよび分岐比ｘ［％］を反映した透過スペクトルを合成した透過スペクトルを有する。なお、このとき、２つの透過スペクトルは、２つの光合分波部１１ｄの間の光路長に相当する位相差だけ位相がずれた状態で合成される。

リング共振器フィルタ３０の透過特性は、分岐比ｘ［％］および位相差に応じて変化する。したがって、リング共振器フィルタ３０によれば、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比ｘの設定および位相差を変更することで、その透過特性を自由に変更することができ、透過特性の設計の自由度が高い。そして、所望の透過特性に応じて、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比および位相差を設定することにより、所望の透過特性を有するリング共振器フィルタ２０を容易に設計できる。

（実施形態４）
図６は、実施形態４に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ４０は、コア４１とクラッド１２とを有する石英系ＰＬＣで構成されている。コア４１、クラッド１２の構成材料および断面のサイズは、それぞれ実施形態１に係るリング共振器フィルタ１０のコア１１、クラッド１２のものと同じなので説明を省略する。

コア４１は、入力部４１ｈと、遅延部４１ｉと、アーム部４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１、４１ｂ２と、リング状部４１ｃ１、４１ｃ２と、アーム部４１ａ１、４１ｂ１とリング状部４１ｃ１とを光学的に結合する光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１と、アーム部４１ａ２、４１ｂ２とリング状部４１ｃ２とを光学的に結合する光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２とを有している。

遅延部４１ｉは、入力部４１ｈから入力された光Ｌ１を２分岐してアーム部４１ａ１、４１ａ２に出力する。このとき、アーム部４１ａ１、４１ａ２に出力する２つの光の少なくともいずれか一方に時間的遅延を与え、２つの光に位相差をつける。この位相差は、たとえばπ／２に設定される。

アーム部４１ａ１、４１ｂ１、リング状部４１ｃ１、光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１は、それぞれ、それぞれ、リング共振器フィルタ１０におけるアーム部１１ａ、１１ｂ、リング状部１１ｃ、光合分波部１１ｄ、１１ｅに対応している。同様に、アーム部４１ａ２、４１ｂ２、リング状部４１ｃ２、光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２も、それぞれ、アーム部１１ａ、１１ｂ、リング状部１１ｃ、光合分波部１１ｄ、１１ｅに対応している。

光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１、４１ｄ２、４１ｅ２の分岐比ｘ［％］は、０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満に設定されている。リング共振器フィルタ４０において、入力部４１ｈから入力された光Ｌ１を入力光、アーム部４１ｂ１、４１ｂ２の図面左側から出力される光Ｌ２１、Ｌ２２を透過光とすると、リング共振器フィルタ２０の透過特性は、分岐比ｘ［％］に応じて変化する。

図７は、リング共振器フィルタ４０の透過特性の例を示す図である。スペクトルＡは、光Ｌ２１に対する透過光のパワーのスペクトルであり、スペクトルＢは、光Ｌ２２に対する透過光のパワーのスペクトルである。このように、スペクトルＡ、Ｂは、遅延部４１ｉの作用により位相差がついたスペクトルとなる。

このようなリング共振器フィルタ４０は、波長ロッカーに適用する際に、たとえば制御したいレーザ光の周波数がｆ１の場合は、周波数ｆ１において周波数に対する透過率の傾斜が大きいスペクトルＢを波長弁別曲線として使用する。一方、周波数がｆ２の場合は、周波数ｆ２において周波数に対する透過率の傾斜が大きいスペクトルＡを波長弁別曲線として使用する。これによって、レーザ光の周波数に応じてより適切な波長弁別曲線を提供することができる。

なお、本実施形態では、光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１の分岐比と、光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２の分岐比とを、いずれもｘ［％］と同じにしているが、光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１の分岐比と、光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２の分岐比とを違う値にしてもよい。

また、上記各実施形態では、リング状部の数は１または２であるが、使用用途等に応じて３以上の複数としてもよい。また、上記各実施形態では、２つの光合分波部は、リング状部の中心に対して点対称に配置されており、かつリング状部の長軸に対して軸対称に配置されているが、２つの光合分波部が、点対称または軸対称のいずれか一方が成り立つ配置でも本発明の効果を奏する。なお、リング状部が円形状である場合は、光合分波部が軸対称に配置される場合の対称軸は、中心を通る任意の軸である。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１０、２０、３０、４０ リング共振器フィルタ
１１、２１、３１、４１ コア
１１ａ、１１ｂ、４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１、４１ｂ２ アーム部
１１ｃ、２１ｆ、４１ｃ１、４１ｃ２ リング状部
１１ｄ、１１ｅ、２１ｇ、４１ｄ１、４１ｄ２、４１ｅ１、４１ｅ２ 光合分波部
１２ クラッド
４１ｈ 入力部
４１ｉ 遅延部
Ａ、Ｂ スペクトル
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ２２ 光

Claims (8)

1. コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で構成され、
   前記コアは、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する２つの光合分波部とを有し、
   前記光合分波部の分岐比が０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満であることを特徴とするリング共振器フィルタ。
2. 前記光合分波部の分岐比が５０％より大きいことを特徴とする請求項１に記載のリング共振器フィルタ。
3. 前記コアは、複数の前記リング状部を有することを特徴とする請求項１または２に記載のリング共振器フィルタ。
4. 前記コアは、前記複数のリング状部を光学的に結合する光合分波部をさらに有することを特徴とする請求項３に記載のリング共振器フィルタ。
5. 前記光合分波部は多モード光干渉型であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ。
6. 前記光合分波部は、外形状を微小に摂動させた形状における損失を繰り返して計算することにより特定された構造最適化形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ。
7. 前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が５％以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ。
8. コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で形成され、前記コアが、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する光合分波部とを有するリング共振器フィルタの設計方法であって、
   所望の透過特性に応じて、前記光合分波部の分岐比を設定することを特徴とするリング共振器フィルタの設計方法。
   

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