JP2020008734A - 波長選択フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】リング共振器を備えた波長選択フィルタにおいて、光信号の入力側と出力側とで光導波路とリング共振器との結合効率をそれぞれ容易に設定できるようにする。【解決手段】波長選択フィルタは、光を伝搬する第１の光導波路２０及び第２の光導波路４０と、第１の光導波路及び第２の光導波路とそれぞれ間隙を介して光結合され、光結合によって一方の光導波路から入力される光信号のうち、特定波長の光信号を他方の光導波路に選択的に出力するリング共振器３０と、を備える。そして、第１の光導波路及び第２の光導波路の少なくとも一方は、一部がリング共振器に近付くように折り曲げられ、折り曲げられた先の直線部２４、４４でリング共振器と光結合されている。【選択図】図２

Description

本開示は、リング共振器を備えた波長選択フィルタに関する。

従来、外部から入力された光信号の中から特定波長の光信号を選択して出力する波長選択フィルタとして、共振点を有し、共振波長だけを光導波路に結合可能なリング共振器を備えたものが知られている。

この種の波長選択フィルタにおいては、特許文献１，２に記載のように、リング共振器を、光信号入力用の第１の光導波路と光信号出力用の第２の光導波路との間に配置することで、リング共振器と各光導波路とを光学的に結合（光学カップリング）させる。

この結果、第１の光導波路にて伝搬される光信号のうち、共振波長の光信号だけが、リング共振器を介して第２の光導波路に伝搬されて、第２の光導波路から出力されることになり、波長選択フィルタは、Ｑ値の高いフィルタとして機能する。

特開２００９−２７８０１５号公報 特許第４２７３０２０号公報

ところで、波長選択フィルタにおけるフィルタ特性は、リング共振器と第１、第２の光導波路との間の結合効率により変化し、この結合効率は、下記のａ）〜ｃ）に起因して決まる。

ａ）光導波路のコアとクラッドの材料屈折率。
ｂ）光導波路とリング共振器の結合幅。
ｃ）光導波路とリング共振器の結合長。

上記ａ）〜ｃ）のうち、ａ）の材料屈折率を調整して結合効率を調整するのは困難であることから、結合効率を調整する場合には、ｂ）の結合幅か、ｃ）の結合長を調整することになる。

また、ｂ）の結合幅は、製造時の加工精度の影響を受けてバラツキが発生し易く、特許文献１に記載のように、バラツキを抑える対策が必要であることから、結合効率を調整する際には、ｃ）の結合長を変える方法が一般的である。

しかし、リング共振器５０が、入力側及び出力側の光導波路６０,７０の間の中心軸Ｏを挟んで線対称となる円、楕円若しくは矩形形状である場合、各光導波路６０、７０とリング共振器５０との結合部６１、７１での結合長Ｌが一致する。従って、この場合には、光導波路６０、７０毎にリング共振器５０との結合長Ｌを調整して、結合効率を設定することができない。

このため、リング共振器５０を一般的な円、楕円若しくは矩形形状にした場合、光導波路６０、７０毎にリング共振器５０との結合効率を設定するには、各光導波路６０、７０とリング共振器５０との結合幅Ｇを変えざるを得ない。

一方、結合幅Ｇを変えずに、結合長Ｌを変えて、入力側の結合効率と出力側の結合効率を各々設定するには、図４Ｂに例示するように、リング共振器５０をいびつな形状にしなければならず、設計変更が難しくなる。

本開示の一局面は、リング共振器を備えた波長選択フィルタにおいて、光信号の入力側と出力側とで光導波路とリング共振器との結合効率をそれぞれ容易に設定できるようにすることが望ましい。

本開示の一局面の波長選択フィルタは、光を伝搬する第１の光導波路（２０）及び第２の光導波路（４０）と、第１の光導波路及び第２の光導波路とそれぞれ間隙を介して光結合されるリング共振器（３０）と、を備える。

リング共振器は、第１の光導波路及び第２の光導波路と光結合されることにより、一方の光導波路から入力される光信号のうち、特定波長の光信号を他方の光導波路に選択的に出力する。

従って、本開示の波長選択フィルタによれば、外部から一方の光導波路に入力された光信号のうち、リング共振器の共振周波数に対応した特定波長の光信号を、リング共振器を介して他方の光導波路に伝搬し、他方の光導波路から外部に出力させることができる。

また特に、本開示の波長選択フィルタにおいて、第１の光導波路及び第２の光導波路の少なくとも一方は、一部がリング共振器に近付くように折り曲げられており、その折り曲げられた先の直線部（２４，４４）でリング共振器と光結合される。

このため、本開示の波長選択フィルタにおいては、一部がリング共振器に近付くように折り曲げられた光導波路において、リング共振器と光結合される直線部の長さを調整することで、リング共振器との結合効率を設定できることになる。

よって、本開示の波長選択フィルタによれば、リング共振器の形状を一般的な円、楕円若しくは矩形形状から変形させることなく、光導波路とリング共振器との結合効率を設定できるようになり、波長選択フィルタの設計作業を容易に行うことができる。

また、光導波路とリング共振器との結合効率を設定する際、光導波路とリング共振器との間隙の幅を調整する必要がないので、光導波路とリング共振器との間隙の幅を、製造時の加工精度の影響を受け難い幅に固定しておくことができる。

このため、製造時の加工精度の影響を受けて、光導波路とリング共振器との間隙の幅がばらつき、光導波路とリング共振器との結合効率、延いては、波長選択フィルタのフィルタ特性、が変化するのを抑制できる。

よって、本開示の波長選択フィルタによれば、波長選択フィルタの製造効率を高めることもできる。
なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態の波長選択フィルタを備えた監視装置全体の構成を表す説明図である。 波長選択フィルタ各部の形状及び長さを説明する説明図である。 光導波路とリング共振器との結合効率を求めるためのシミュレーションモデルを表す説明図である。 従来の波長選択フィルタの構成を表し、図４Ａはリング共振器が中心軸に対し線対称となるループ形状の波長選択フィルタを表し、図４Ｂはリング共振器がいびつなループ形状の波長選択フィルタを表す。

以下に本開示の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示す監視装置２は、レーザー光源４からの出射光の周波数の変動を、光検出器６にて検出されるレーザー光の信号レベルにて監視する装置であり、レーザー光源４からの出射光のうち、基準周波数の光を光検出器６へ伝搬する波長選択フィルタ１０を備える。

波長選択フィルタ１０は、レーザー光源４から出射光の一部が、出射光出力用の光導波路８から分岐して入力される第１の光導波路２０と、第１の光導波路２０に光結合されるリング共振器３０と、リング共振器３０に光結合される第２の光導波路４０とを備える。

ここで、リング共振器３０は、第１の光導波路２０との光結合により入力されるレーザー光のうち、自身の共振周波数ｆ０で決まる特定波長の光信号を、第２の光導波路４０に選択的に出力することで、第２の光導波路４０から光検出器６に入力させる。

つまり、リング共振器３０の共振周波数ｆ０は、レーザー光源４４が発生する理想の出射光の波長に対応するように設定されている。しかし、レーザー光源４４からの出射光の周波数ｆは、使用環境等によって、理想の出射光の基準周波数ｆ０を中心に揺らぎ、その揺らぎが大きくなる程、基準周波数ｆ０での光信号の信号レベル（パワーＰ）が減少する。

そこで、本実施形態の監視装置２は、波長選択フィルタ１０のリング共振器３０を介して、レーザー光源４から出力される基準周波数ｆ０の光信号を抽出し、光検出器６にてその信号レベルを検出することで、レーザー光源４の周波数の揺らぎを監視する。

次に、リング共振器３０は、光導波路をループ状に形成することにより構成されている。そして、本実施形態では、リング共振器３０のループは、図２に示すように、上下左右にそれぞれ平行に配置された直線部３１，３２，３３，３４を有する矩形形状になっており、４つの角部３５，３６，３７，３８が、それぞれ同じ曲率の円弧形状になっている。

また、リング共振器３０のループは、図２において、左右の軸方向に長く、これに直交する上下の軸方向に短い長尺形状であり、第１の光導波路２０及び第２の光導波路４０は、リング共振器３０の長手方向に沿って、リング共振器３０を挟むように、配置されている。

第１の光導波路２０及び第２の光導波路４０は、それぞれ、リング共振器３０の長手方向に沿った直線部３１，３２に平行な直線形状になっており、その直線の一部が、リング共振器３０の直線部３１，３２に近付くように、折り曲げられている。

そして、その折り曲げられた先には、リング共振器３０の直線部３１，３２と間隙を介して光結合するよう、所定長さの直線部２４，４４がそれぞれ設けられている。
なお、図１に示す光導波路８、２０、４０及びリング共振器３０は、例えば、共通のシリコン基板に光導波路パターンを形成して、周囲にクラッド層を形成することにより、レーザー光源及び光検出器を含む一つの電子部品として一体的に構成されている。この製造手順については、例えば、特許文献２にも記載されており、周知であるため、ここでは詳細な説明は省略する。

ところで、第１及び第２の光導波路２０，４０の直線部２４，４４とリング共振器３０の直線部３１，３２とにより光結合される結合部２１，４１の結合効率は、結合部２１，４１の長さ（結合長）Ｌ１、Ｌ２と、間隙の幅（結合幅）Ｇ１、Ｇ２とで決まる。

そして、各光導波路２０，４０とリング共振器３０との結合効率を設定する際、各光導波路２０、４０とリング共振器３０との結合幅Ｇ１、Ｇ２を調整するようにすると、製造時の加工精度の影響を受け易くなる。

これに対し、本実施形態では、第１及び第２の光導波路２０，４０の一部がリング共振器３０に近付くように折り曲げられ、折り曲げられた先の直線部２４，４４がリング共振器３０と光結合するように構成されている。

このため、本実施形態の波長選択フィルタ１０によれば、第１及び第２の光導波路２０，４０において、直線部２４，４４の長さを調整することで、第１及び第２の光導波路２０，４０とリング共振器３０との結合効率を、各々、任意に設定できるようになる。

よって、本実施形態によれば、光導波路２０，４０とリング共振器３０との結合幅Ｇ１，Ｇ２を調整したり、リング共振器３０をいびつな形状にしたりすることなく、各光導波路２０，４０とリング共振器３０との結合効率を各々設定できるようになる。

また、本実施形態では、結合効率を設定するための設計作業を、所定のシミュレーションモデルを用いて、効率よく実施できるようにするために、波長選択フィルタ１０を、下記１）〜３）のように構成している。

１）第１及び第２の光導波路２０，４０の直線部２４，４４と、リング共振器３０の直線部３１，３２との間隙の幅（結合幅）Ｇ１，Ｇ２が、互いに等しくなるように、リング共振器３０を挟んで、第１及び第２の光導波路２０，４０が配置されている。

２）第１及び第２の光導波路２０，４０において、リング共振器３０と光結合される直線部２４、４４を形成するために、直線部２４，４４の両端側で折り曲げられる折り曲げ部２２，４２の形状を、各光導波路２０，４０において同一形状にしている。

３）第１及び第２の光導波路２０，４０において、直線部２４，４４の両端の折り曲げ部２２，４２を、リング共振器３０のループの角部３５，３６，３７，３８と同じ曲率の円弧形状の曲線部２５，２６及び２７，２８を組み合わせて構成している。

このように、本実施形態では、第１及び第２の光導波路２０，４０、及び、リング共振器３０は、直線と一定の曲率の曲線との組み合わせにて構成されている。
このため、第１の光導波路２０側及び第２の光導波路４０側の結合部２１，４１の結合長Ｌ１，Ｌ２を調整して、各結合部２１，４１での結合効率を設定するのに用いるシミュレーションモデルを、共通にすることができる。

つまり、図３に示すように、各結合部２１，４１の結合効率のシミュレーションモデルは、図４Ａに示した従来の波長選択フィルタのシミュレーションモデルと同様、直線形状の主光導波路８２と、両端が円弧にて折り曲げられた副光導波路８４とで構成できる。

そして、主光導波路８２の一端側から光を入力したときに、主光導波路８２の他端側から出力される光の強度（出力１）と、副光導波路８４から出力される光の強度（出力２）とを計測することで、結合効率を「出力２／（出力１＋出力２）」として算出できる。

また、このシミュレーションモデルは、図４Ａに示した従来の波長選択フィルタにおけるシミュレーションモデルと同様のものを利用できるので、従来のシミュレーション結果を利用して、所望の結合効率を実現し得る結合長Ｌ１，Ｌ２を求めることもできる。

よって、本実施形態の波長選択フィルタ１０によれば、結合部２１，４１の結合長Ｌ１，Ｌ２を調整することで、各光導波路２０，４０とリング共振器３０との結合効率を各々設定できるだけでなく、その設計作業を極めて簡単に行うことができるようになる。

また、本実施形態では、各結合部２１，４１での結合幅Ｇ１，Ｇ２を一致させているため、設計時の効率を高めることができるだけでなく、その結合幅Ｇ１，Ｇ２を製造時の加工精度の影響を受け難い幅にすることで、フィルタ特性が変化するのを抑制できる。

同様に、本実施形態では、第１及び第２の光導波路２０，４０、及び、リング共振器３０を、直線と一定の曲率の曲線とで構成しているため、製造時にこれら各部、特に曲線部、の形状がばらつき、フィルタ特性が変化するのを抑制できる。

また、リング共振器３０において各光導波路２０，４０と光結合可能な直線部３１，３２の長さＬ３は、光導波路２０，４０においてリング共振器３０に近付くように折り曲げられた折り曲げ部２２，４２の両端間の長さＬ２２，Ｌ４２よりも長くなっている。

これは、光導波路２０，４０において直線部２４，４４を含む折り曲げ領域全体の長さＬ２２，Ｌ４２よりも、リング共振器３０の直線部３１，３２の長さＬ３を長くすることで、結合部２１，４１の長さ調整によって結合効率を設定できるようにするためである。

つまり、リング共振器３０の直線部３１，３２の長さＬ３を上記のように設定することで、直線部３１，３２の長さが短すぎて、各光導波路２０，４０の直線部３１，３２の長さ調整により、結合効率を設定することができなくなるのを抑制できる。また、製造時の誤差によってリング共振器３０の直線部３１，３２の長さが短くなって、所望の結合効率が得られなくなることも抑制できる。

以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態では、第１及び第２の光導波路２０，４０をそれぞれ折り曲げることで、リング共振器３０と光結合する直線部２２，４２を形成するものとして説明した。

しかし、２つの光導波路２０，４０のうち、一方の光導波路２０又は４０だけを折り曲げて、リング共振器３０と光結合する直線部２２又は４２を形成し、他方の光導波路４０又は２０は、折り曲げずにリング共振器３０の直線部全域で光結合するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、第１及び第２の光導波路２０，４０とリング共振器３０との結合効率を設定する際の設計作業を、シミュレーションモデルを用いて効率よく実施できるように、波長選択フィルタ１０を、上記１）〜３）に記載のように構成している。

しかし、上記１）〜３）に記載した構成条件は、必ずしも全て採用する必要はなく、本開示の技術を適用するに当たって、適宜選択して採用するようにしてもよいし、全て採用しないようにしてもよい。

また、上記実施形態では、本開示の波長選択フィルタ１０を、レーザー光源４からの出射光の周波数の揺らぎを監視する監視装置に適用した場合について説明した。しかし、本開示の波長選択フィルタは、こうした監視装置に限らず、入力光の中から特定波長の光信号を選択して出力する必要がある光学装置であれば、上記実施形態と同様に適用することができる。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

１０…波長選択フィルタ、２０…第１の光導波路、４０…第２の光導波路、２２，４２…折り曲げ部、２４，４４…直線部、２５〜２８…曲線部、３０…リング共振器、３１〜３４…直線部、３５〜３８…角部。

Claims (6)

1. 光を伝搬する第１の光導波路（２０）及び第２の光導波路（４０）と、
   前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路とそれぞれ間隙を介して光結合され、該光結合によって一方の光導波路から入力される光信号のうち、特定波長の光信号を他方の光導波路に選択的に出力するリング共振器（３０）と、
   を備え、
   前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路の少なくとも一方は、一部が前記リング共振器に近付くように折り曲げられ、折り曲げられた先の直線部（２４，４４）でリング共振器と光結合されている、波長選択フィルタ。
2. 前記リング共振器のループは、一部が前記リング共振器に近付くように折り曲げられる前記光導波路の前記直線部に平行な軸方向に長く、該直線部に直交する軸方向に短い、長尺形状である、請求項１に記載の波長選択フィルタ。
3. 前記第１の光導波路及び第２の光導波路は、それぞれ、一部が前記リング共振器に近付くように折り曲げられており、折り曲げられた先の前記直線部と前記リング共振器との間隙の幅（Ｇ１，Ｇ２）が、互いに等しくなるように配置されている、請求項１又は請求項２に記載の波長選択フィルタ。
4. 前記リング共振器は、一定の曲率の曲線部（３５〜３８）と直線部（３１〜３３）とで構成されており、該直線部で前記光導波路と光結合されている、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の波長選択フィルタ。
5. 一部が前記リング共振器に近付くように折り曲げられた前記光導波路の曲線部（２５〜２８）の曲率は、前記リング共振器の前記曲線部の曲率と一致するように構成されている、請求項４に記載の波長選択フィルタ。
6. 前記リング共振器において前記光導波路と光結合される前記直線部（３１，３２）の長さ（Ｌ３）は、一部が前記リング共振器に近付くように折り曲げられた前記光導波路において、前記リング共振器に近付くように折り曲げられた折り曲げ部（２２，４２）の両端間の長さ（Ｌ２２，Ｌ４２）よりも長い、請求項４又は請求項５に記載の波長選択フィルタ。