JP2020118887A - 波長制御素子及び波長制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の発振波長が外部要因で絶対波長から外れた際に、修正することのできる波長制御素子及び波長制御方法を提供する。【解決手段】光導波路コアは、波長制御機能を備えた光源から入力された入力光を、信号光と検証光とに分割する光分割部２００と、検証光を第１検証光及び第２検証光に２分岐する光分岐部３００と、第２検証光の所定の波長帯域のみを透過させる波長フィルタ部４００とを備える。波長制御素子１００は、第１検証光が入力されて第１受光データを生成する第１受光素子５０１と、波長フィルタ部を透過した第２検証光が入力されて第２受光データを生成する第２受光素子５０２と、第１受光データと、第２受光データの差分を取得する差分取得部６０２と、差分を、予め記憶部に格納されている初期値と比較し、その結果に基づいて、光源に制御信号を送る比較部６０４とを備える。光分割部、光分岐部、及び、波長フィルタ部は、温度無依存である。【選択図】図１

Description

この発明は、波長制御素子と、この波長制御素子で用いて好適な波長制御方法に関する。

情報伝達量の増大に伴い、光配線技術が注目されている。光配線技術では、光ファイバや光導波路を伝送媒体とした光デバイスを用いて、情報処理機器内の装置間、ボード間又はチップ間等の情報伝達を光信号で行う。その結果、高速信号処理を要する情報処理機器においてボトルネックとなっている、電気配線の帯域制限を改善することができる。

光デバイスは、光送信器や光受信器等の光学素子を備えて構成される。これらの光学素子は、各光学素子の中心位置（受光位置あるいは発光位置）を設計位置に合せるための複雑な光軸合わせを行った上で、例えばレンズを用いて互いに空間結合することができる。

各光学素子を結合するための手段として、レンズの代わりに光導波路素子を利用する技術がある。光導波路素子を利用する場合には、光が光導波路内に閉じ込められて伝搬するため、レンズを利用する場合と異なり、複雑な光軸合わせを必要としない。従って、光デバイスの組立工程が簡易となるため、量産に適する形態として有利である。

ここで、光導波路素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）を導波路材料とすることができる。Ｓｉを材料とする光導波路素子（Ｓｉ導波路）では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば数μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

しかも、Ｓｉ導波路を利用する場合には、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の製造過程を流用することによって、多様な機能を有する素子を同一基板上にモノシリック集積した光デバイスを、大量生産することが可能である。従って、Ｓｉ導波路を利用する光デバイスは、小型化及び低コスト化に有利である（例えば、特許文献１並びに非特許文献１及び非特許文献２参照）。

一般に光モジュールは、情報処理機器内などに組み込まれて使用される。このため、光モジュールに半導体レーザ（ＬＤ）を集積した場合、ＬＤは、厳しい温度環境下にさらされ、また自身の電力消費による発熱により、温度変化の影響を受ける。この結果、ＬＤの発振波長が変動してしまう。

絶対波長が規定された波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送では、ＬＤの発振波長が変動しないように光モジュールとして対策する必要がある。このため、ＬＤが集積された光モジュールでは、波長制御素子が組み込まれる（例えば非特許文献３参照）。

非特許文献３に記載されているシステムでは、２つのモニタ用の受光素子（ＰＤ１及びＰＤ２）、光を二分割するハーフミラー、及び、波長に対して周期的な透過特性を有するエタロンフィルタから構成される。このシステムではＬＤの背面光を利用しており、ハーフミラーにより背面光を二分割し、一方の光を一方の受光素子（ＰＤ１）で、もう一方の光を、波長依存性をもつエタロンフィルタを通過させた後、他方の受光素子（ＰＤ２）で検出している。ＰＤ２の受光電流値は、入射される光がエタロンフィルタを通過することで波長依存性をもつ。このため、ＰＤ２の受光電流値が一定となるように、ＬＤに温度制御フィードバックをかけることで発振波長が安定化する。このような波長制御機構では、ハーフミラーやエタロンフィルタといった機能ブロックをハイブリッド集積する必要があり、実装面や素子コスト面で改善の余地がある。

これに対し特許文献２では、石英系導波路を用いて同様の機能を実現している。このシステムの要素デバイスの１つである波長フィルタ部には、温度無依存特性が要求される。このために、特許文献２に記載の波長フィルタ部には、温度無依存化のため導波路とは逆の温度依存性を有するシリコーン樹脂などが挿入されている。また、波長制御のためのモニタ光として、ＬＤの背面光を利用している。従って、この方法では、メイン出力となる前面光に対する調芯に加え、モニタ用の背面光に対する調芯も必要となり、導波路形成および実装工程が複雑化してしまう。

特開２０１７−７７１３３号公報 特開２００４−１７９４６５号公報

IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.11, No.1, January/February 2005 p.232-240 IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, vol.12, No.6, November/December 2006 p.1371-1379 WDM システム用波長ロッカ付レーザモジュール（http://www.fujitsu.com/downloads/JP/archive/imgjp/jmag/vol51-3/paper04.pdf.）

上述のように、非特許文献３又は特許文献２に開示されている技術は、いずれも実装工程が複雑である。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、初期設定で調整した半導体レーザなどの光源の発振波長が何らかの外部要因で絶対波長から外れた際に、それを修正するための機能を、工程を複雑化することなく光回路で構成することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の波長制御素子は、支持基板と、光導波路コアと、支持基板上に、光導波路コアを包含して形成されるクラッドとを備えて構成される。

光導波路コアは、波長制御機能を備えた光源から入力された入力光を、信号光と検証光とに分割する光分割部と、検証光を、第１検証光及び第２検証光に２分岐する光分岐部と、第２検証光の所定の波長帯域のみを透過させる波長フィルタ部とを備える。波長制御素子は、さらに、第１検証光が入力されて第１受光データを生成する第１受光素子と、波長フィルタ部を透過した第２検証光が入力されて第２受光データを生成する第２受光素子と、第１受光データと、第２受光データの差分を取得する差分取得部と、差分を、予め記憶部に格納されている初期値と比較し、比較の結果に基づいて、光源の波長制御機能に制御信号を送る比較部とを備えて構成される。ここで、光分割部、光分岐部、及び、波長フィルタ部は、温度無依存である。

この発明の波長制御素子の好適実施形態では、光分割部は、ＭＭＩ導波路と、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、入力光が入力される入力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、信号光が出力される第１出力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、検証光が出力される第２出力ポートとを備える。また、光分割部が、光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ導波路と、テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、入力光が入力される入力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、信号光が出力される第１出力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、検証光が出力される第２出力ポートとを備える構成にしてもよい。

また、この発明の波長制御素子の好適実施形態では、光分岐部は、ＭＭＩ導波路と、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、検証光が入力される入力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第１検証光が出力される第１出力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第２検証光が出力される第２出力ポートとを備えて構成される。また、光分岐部が、光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ導波路と、テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、検証光が入力される入力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第１検証光が出力される第１出力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第２検証光が出力される第２出力ポートとを備える構成にしてもよい。

また、この発明の波長制御素子の好適実施形態では、波長フィルタ部は、温度無依存の第１光カプラ及び第２光カプラと、それぞれ、第１光カプラと第２光カプラとを接続する、第１アーム導波路及び第２アーム導波路とを備えて構成される。

第１アーム導波路は、第１光カプラ側から、第１湾曲導波路、第１テーパ導波路、第２テーパ導波路、第１位相調整領域、第３テーパ導波路、第２湾曲導波路、第３テーパ導波路、第１位相調整領域、第２テーパ導波路、第１テーパ導波路及び第１湾曲導波路を順に接続して構成され、第２アーム導波路は、第１光カプラ側から、第１湾曲導波路、第１テーパ導波路、第２位相調整領域、第２テーパ導波路、第３テーパ導波路、第２湾曲導波路、第３テーパ導波路、第２テーパ導波路、第２位相調整領域、第１テーパ導波路及び第１湾曲導波路を順に接続して構成される。

ここで、第１位相調整領域と第２位相調整領域とは、光導波路コアの幅が互いに異なっており、第１テーパ導波路は、一端のコア幅が、第１湾曲導波路のコア幅に等しく、他端のコア幅が、第２位相調整領域のコア幅に等しいテーパ形状であり、第２テーパ導波路は、一端のコア幅が、第２位相調整領域のコア幅に等しく、他端のコア幅が、第１位相調整領域のコア幅に等しいテーパ形状であり、第３テーパ導波路は、一端のコア幅が、第１位相調整領域のコア幅に等しく、他端のコア幅が、第２湾曲導波路のコア幅に等しいテーパ形状であり、第１位相調整領域を伝搬する光の等価屈折率ｎ_１及び伝搬方向に沿った長さＬ_１と、第２位相調整領域を伝搬する光の等価屈折率ｎ_２及び伝搬方向に沿った長さＬ_２は、以下の式を満たす。なお、Ｔは導波路の温度を表す。

波長フィルタ部が備える第１光カプラは、ＭＭＩ導波路と、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、光分岐部の第２出力ポートに接続される第１入力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第１アーム導波路に接続される第１出力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第２アーム導波路に接続される第２出力ポートとを備えて構成され、波長フィルタ部が備える第２光カプラは、ＭＭＩ導波路と、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、第１アーム導波路に接続される第１入力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、第２アーム導波路に接続される第２入力ポートと、ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第２受光素子に接続される第１出力ポートとを備える構成にするのが良い。また、第１光カプラを、光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ導波路と、テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、光分岐部の第２出力ポートに接続される入力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第１アーム導波路に接続される第１出力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第２アーム導波路に接続される第２出力ポートとを備える構成にし、第２光カプラを、光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が狭くなるテーパ導波路と、テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、第１アーム導波路に接続される第１入力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、第２アーム導波路に接続される第２入力ポートと、テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、第２受光素子に接続される出力ポートとを備える構成にしてもよい。

また、この発明のこの発明の波長制御方法は、上述の波長制御素子を用いて行われる波長制御方法であって、以下の過程を備えて構成される。

先ず、光分割部の第１出力部から出力される信号光をモニタし、光源の波長を所望の波長に設定する。次に、第１受光データと、第２受光データの差分を、初期値として記憶部に格納する。

その後、新たに取得された、第１受光データと、第２受光データの差分が、初期値から変化した場合は、該差分が初期値と一致するように、光源の波長を制御する。

この発明の波長制御素子によれば、初期設定で調整した半導体レーザの発振波長が何らかの外部要因で絶対波長から外れた際に、それを修正するための機能を、工程を複雑化することなく光回路で構成できる。

波長制御素子を示す概略平面図である。 波長制御素子の概略的端面図である。 光分割部及び光分岐部の模式図である。 波長フィルタ部の模式図（１）である。 波長フィルタ部の模式図（２）である。 波長制御機能を説明するための模式図である。 光分割部の特性を示す図である。 光分岐部の特性を示す図である。 波長フィルタ部の特性を示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、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の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（波長制御素子）
図１及び図２を参照して、この発明の波長制御素子の実施形態を説明する。図１は、波長制御素子を示す概略平面図である。なお、図１では、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。図２は、図１に示す波長制御素子をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。

波長制御素子１００は、支持基板１０、クラッド２０、及び、光導波路コア３０を備える光導波路を基本構造として有している。

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

クラッド２０は、支持基板１０上に設けられている。クラッド２０は、支持基板１０の上面を被覆し、かつ、光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばＳｉを材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア３０に入力された光が光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

光導波路コア３０は、光分割部２００、光分岐部３００、及び、波長フィルタ部４００を備えて構成される。また、波長制御素子１００は、第１の受光素子（ＰＤ１）５０１、第２の受光素子（ＰＤ２）５０２、及び、波長制御部６００を備えている。波長制御部６００は、さらに、差分取得部６０２、比較部６０４及び記憶部６０６を備えている。波長制御部６００の各構成要素については、当業者が、任意好適に構成することができる。

光分割部２００は、ＭＭＩ導波路２０１、入力ポート２０２、第１出力ポート２０３及び第２出力ポート２０４を有する。入力ポート２０２は、ＭＭＩ導波路２０１の光の伝搬方向の一方の側に設けられている。また、第１出力ポート２０３及び第２出力ポート２０４は、ＭＭＩ導波路２０１の、光の伝搬方向の他方の側に設けられている。

光分割部２００の入力ポート２０２には、送信光源として、例えば、半導体レーザ（ＬＤ）１１０が接続される。光分割部２００は、入力ポート２０２を経て入力される入力光（レーザ出力光）を、信号光と検証光とに分割する。信号光は、第１出力ポート２０３から出力され、検証光は第２出力ポート２０４から出力される。

レーザ出力光の一部を波長制御のために使用する際、光分割部２００は、できるだけ光の損失が抑えられ、波長及び温度に対して特性が変動せず、かつ、作製誤差に強い構造であることが好ましい。このため、光分割部２００を１入力２出力の１×２ＭＭＩ構造にするのが良い。

ＭＭＩ導波路２０１の長さは、ＭＭＩ導波路２０１を伝搬する基本モードと１次モードとのビート長から決まる。また、ＭＭＩ導波路２０１に対する入力ポート２０２の幅方向オフセット量を第１出力ポート２０３と同じ量に設定することで、入力ポート２０２に入力される光のミラーイメージが第１出力ポート２０３において得られる。このように、第１出力ポート２０３は、低損失な透過ポートとして機能し、入力されたレーザ出力光を信号光として、低損失で出力する。第２出力ポート２０４は、残りの散乱成分を検証光として出力する。

第１出力ポート２０３から出力された信号光は、波長制御素子の外部に出力される。この信号光は、例えば、信号生成用の変調器に入力されて、出力信号光となる。なお、波長制御素子１００に信号生成用の変調器が搭載されていてもよい。また、第２出力ポート２０４から出力された検証光は、光分岐部３００に送られる。

このように、光分割部２００から出力される、信号光の強度ａと、検証光の強度ｂ（＝１−ａ）は、ａ＞ｂの関係を満たすように設計されている。検証光の強度ｂが大きいと、その分信号の損失となり、信号光の強度ａが小さくなってしまう。従って、検証光の強度ｂは、波長制御に十分な範囲で、できるだけ小さくするのが良い。

光分岐部３００は、ＭＭＩ導波路３０１、入力ポート３０２、第１出力ポート３０３及び第２出力ポート３０４を有する。入力ポート３０２は、ＭＭＩ導波路３０１の光の伝搬方向の一方の側に設けられている。また、第１出力ポート３０３及び第２出力ポート３０４は、ＭＭＩ導波路３０１の、光の伝搬方向の他方の側に設けられている。

光分岐部３００の入力ポート３０２には、光分割部２００の第２出力ポート２０４が接続されている。光分岐部３００は、入力ポート３０２を経て入力される検証光を、第１検証光と、第２検証光とに等分岐する。第１検証光は、第１出力ポート３０３から出力され、第２検証光は第２出力ポート３０４から出力される。

光分岐部３００は、検証光を第１検証光と第２検証光とに等分岐するので、入力ポート３０２はＭＭＩ導波路３０１の幅方向の中心に配置される。また、第１出力ポート３０３及び第２出力ポート３０４は、ＭＭＩ導波路３０１の幅方向の中心から等距離となるように配置される。

この光分岐部３００も、光分割部２００と同様に波長及び温度に対してフラット特性でかつ作製誤差に強いことが要求される。このため、光分岐部３００を、１入力２出力の１×２ＭＭＩ構造にするのが良い。

ＭＭＩ導波路３０１の長さは、第１出力ポート３０３及び第２出力ポート３０４の出力比が等分岐となるように決定される。

第１出力ポート３０３から出力された第１検証光は、第１受光素子（ＰＤ１）に送られる。また、第２出力ポート３０４から出力された第２検証光は、波長フィルタ部４００に送られる。

ここでは、光分割部２００及び光分岐部３００を、１×２ＭＭＩ構造とした例を説明したが、Ｙ分岐導波路構造にしてもよい。

図３を参照して、Ｙ分岐導波路構造を採用した場合の光分割部及び光分岐部を説明する。図３（Ａ）は、光分割部の模式図であり、図３（Ｂ）は、光分岐部の模式図である。図３（Ａ）に示すように、光分割部２１０は、テーパ導波路２１１、入力ポート２１２、第１出力ポート２１３及び第２出力ポート２１４を備えて構成される。テーパ導波路２１１は、光伝搬方向の一方の側から光伝播方向の他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ構造を有している。テーパ導波路２１１の、光伝搬方向の一方の側に入力ポート２１２が設けられている。また、テーパ導波路２１１の、光伝搬方向の他方の側に第１出力ポート２１３及び第２出力ポート２１４が設けられている。

第１出力ポート２１３と第２出力ポート２１４の、テーパ導波路２１１と接続される面の大きさは、第２出力ポート２１４に比べて第１出力ポート２１３の方が大きい。この構成により、光分割部２１０から出力される、信号光の強度ａと、検証光の強度ｂ（＝１−ａ）は、ａ＞ｂとなる。

図３（Ｂ）に示すように、光分岐部３１０は、テーパ導波路３１１、入力ポート３１２、第１出力ポート３１３及び第２出力ポート３１４を備えて構成される。テーパ導波路３１１は、光伝搬方向の一方の側から光伝播方向の他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ構造を有している。テーパ導波路３１１の、光伝搬方向の一方の側に入力ポート３１２が設けられている。また、テーパ導波路３１１の、光伝搬方向の他方の側に第１出力ポート３１３及び第２出力ポート３１４が設けられている。

第１出力ポート３１３と第２出力ポート３１４の、テーパ導波路３１１と接続される面の大きさは、互いに等しい。この構成により、光分岐部３１０から出力される、第１検出光と第２検出光の強度は互いに等しく、光分岐部３１０は、３ｄＢカプラとして機能する。

光分割部及び光分岐部を、１×２ＭＭＩ構造とした場合、光の干渉を利用して分割又は分岐させるため、光分割部及び光分岐部での光の損失を低くすることができる。一方、光分割部及び光分岐部を、Ｙ分岐構造とした場合、第１出力ポートと第２出力ポートのギャップでの光損失が起こるが、作製誤差による損失を抑えることが容易となる。

図４を参照して波長フィルタ部について説明する。図４は、波長フィルタ部の概略平面図である。

波長フィルタ部４００は、第１光カプラ４１０、第２光カプラ４２０、第１アーム導波路４３０及び第２アーム導波路４４０を備えて構成される。第１アーム導波路４３０及び第２アーム導波路４４０は、それぞれ、第１光カプラ４１０と第２光カプラ４２０とを接続する。この波長フィルタ部４００は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）構造で構成されている。

第１光カプラ４１０は、ＭＭＩ導波路４１１、第１入力ポート４１２、第２入力ポート４１３、第１出力ポート４１４及び第２出力ポート４１５を備えて構成される。ＭＭＩ導波路４１１の光伝搬方向の一方の側に、第１入力ポート４１２及び第２入力ポート４１３が設けられ、光伝搬方向の他方の側に、第１出力ポート４１４及び第２出力ポート４１５が設けられている。この第１光カプラ４１０は、例えば、第１入力ポート４１２に入力された光を等分岐比で第１出力ポート４１４及び第２出力ポート４１５から出力する、２×２ＭＭＩ構造で構成される。

同様に、第２光カプラ４２０は、ＭＭＩ導波路４２１、第１入力ポート４２２、第２入力ポート４２３、第１出力ポート４２４及び第２出力ポート４２５を備えて構成される。ＭＭＩ導波路４２１の光伝搬方向の一方の側に、第１入力ポート４２２及び第２入力ポート４２３が設けられ、光伝搬方向の他方の側に、第１出力ポート４２４及び第２出力ポート４２５が設けられている。この第２光カプラ４２０は、第１入力ポート４２２及び第２入力ポート４２３に入力された光を、それぞれ等分岐比で第１出力ポート４２４及び第２出力ポート４２５から出力する、２×２ＭＭＩ構造で構成される。

例えば、第１光カプラ４１０の第１入力ポート４１２が、波長フィルタ部４００の入力ポートとして利用される。また、第２光カプラ４２０の第１出力ポート４２４が、波長フィルタ部４００の出力ポートとして利用される。

ここで、第１光カプラ４１０及び第２光カプラ４２０を、２×２ＭＭＩ構造で構成することにより、第１光カプラ４１０及び第２光カプラ４２０における温度特性がフラットになる。

第１アーム導波路４３０は、第１光カプラ４１０側から、第１湾曲導波路４３１、第１テーパ導波路４３２、第２テーパ導波路４３３、第１位相調整領域４３４、第３テーパ導波路４３５、第２湾曲導波路４３６、第３テーパ導波路４３５、第１位相調整領域４３４、第２テーパ導波路４３３、第１テーパ導波路４３２及び第１湾曲導波路４３１を順に接続して構成される。また、第２アーム導波路部４４０は、第１カプラ４１０側から、第１湾曲導波路４３１、第１テーパ導波路４３２、第２位相調整領域４４４、第２テーパ導波路４３３、第３テーパ導波路４３５、第２湾曲導波路４３６、第３テーパ導波路４３５、第２テーパ導波路４３３、第２位相調整領域４４４、第１テーパ導波路４３２及び第１湾曲導波路４３１を順に接続して構成される。

第１アーム導波路部４３０のうち、第１位相調整領域４３４以外の部分、すなわち、第１湾曲導波路４３１、第１テーパ導波路４３２、第２テーパ導波路４３３、第３テーパ導波路４３５及び第２湾曲導波路４３６は、第１引き回し導波路とも称される。また、第２アーム導波路部４４０のうち、第２位相調整領域４４４以外の部分、すなわち、第１湾曲導波路４３１、第１テーパ導波路４３２、第２テーパ導波路４３３、第３テーパ導波路４３５及び第２湾曲導波路４３６は、第２引き回し導波路とも称される。

第１位相調整領域４３４と第２位相調整領域４４４とは、光導波路コアの幅（コア幅）が互いに異なっている。第１テーパ導波路４３２は、一端のコア幅が、第１湾曲導波路４３１のコア幅に等しく、他端のコア幅が、第２位相調整領域４４４のコア幅に等しい。第２テーパ導波路４３３は、一端のコア幅が、第２位相調整領域４４４のコア幅に等しく、他端のコア幅が、第１位相調整領域４３４のコア幅に等しい。また、第３テーパ導波路４３５は、一端のコア幅が、第１位相調整領域４３４のコア幅に等しく、他端のコア幅が、第２湾曲導波路４３６のコア幅に等しい。

第１引き回し導波路と第２引き回し導波路とは、同一構造かつ同一長さである。従って、第１引き回し導波路と、第２引き回し導波路においては、伝搬する光の間に、位相差が生じない。すなわち、第１アーム導波路部４３０は、第１位相調整領域４３４と、位相調整に寄与しない、第１引き回し導波路とで構成される。また、第２アーム導波路部４４０は、第２位相調整領域４４４と、位相調整に寄与しない、第２引き回し導波路とで構成される。従って、波長フィルタ部４００の波長選択機能は、第１アーム導波路４３０を伝播する光と、第２アーム導波路４４０を伝播する光との位相干渉により与えられる。

なお、第１〜第３テーパ導波路４３２、４３３及び４３５により、第１アーム導波路４３０及び第２アーム導波路４４０は、コア幅が連続的に変化するので、光の損失を抑えることができる。

波長フィルタ部４００の波長選択特性を温度変化に対してフラット、すなわち、温度無依存とするために、第１アーム導波路４３０における第１位相調整領域４３４と、第２アーム導波路４４０における第２位相調整領域４４４との、光伝搬方向の長さの相対関係は、第１位相調整領域４３４と第２位相調整領域４４４により与えられる光の位相差が導波路の温度変化に対して変動しないように設定される。両者の光学位相差の温度依存性は下記式（１）で与えられる。

ここで、φ、λ、Ｔはそれぞれ、第１位相調整領域４３４及び第２位相調整領域４４４で与えられる位相差、光の波長、導波路の温度をそれぞれ表している。ｎ_１及びＬ_１は、それぞれ、第１位相調整領域４３４を伝搬する光の等価屈折率及び伝搬方向に沿った長さを表している。また、ｎ_２及びＬ_２は、それぞれ、第２位相調整領域４４４を伝搬する光の等価屈折率及び伝搬方向に沿った長さを表している。

上記式（１）において、温度に対する位相の傾き、すなわち、右辺が０となるように条件を課すと、第１位相調整領域４３４及び第２位相調整領域４４４の長さの相対関係式である、下記式（２）が得られる。

第１位相調整領域４３４及び第２位相調整領域４４４とで互いに異なる構造を与えるために、この構成例では、第１位相調整領域４３４と第２位相調整領域４４４の光導波路コア幅を、互い異なる値に設定している。その上で上記式（２）を満足するように第１位相調整領域４３４及び第２位相調整領域４４４の長さの相対関係を決めればよい。

ここでは、第１光カプラ４１０及び第２光カプラ４２０を、２×２ＭＭＩ構造とした例を説明したが、Ｙ分岐導波路構造にしてもよい。

図５を参照して、Ｙ分岐導波路構造を採用した場合の、他の構成例の波長フィルタ部を説明する。図５は他の構成例の波長フィルタ部の模式図である。

図５に示す波長フィルタ部は、図４を参照して説明した波長フィルタ部と、第１光カプラ及び第２光カプラの構成が異なっている。他の部分は、同様に構成できるので説明を省略する。

図５に示すように、第１光カプラ４６０は、テーパ導波路４６１、入力ポート４６２、第１出力ポート４６３及び第２出力ポート４６４を備えて構成される。テーパ導波路４６１は、光伝搬方向の一方の側から光伝搬方向の他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ構造を有している。テーパ導波路４６１の、光伝搬方向の一方の側に入力ポート４６２が設けられている。また、テーパ導波路４６１の、光伝搬方向の他方の側に、第１出力ポート４６３及び第２出力ポート４６３が設けられている。

第１出力ポート４６３は、第１アーム導波路４３０に接続されている。また、第２出力ポート４６４は、第２アーム導波路４４０に接続されている。

また、第２光カプラ４７０は、テーパ導波路４７１、第１入力ポート４７２、第２入力ポート４７３及び出力ポート４７４を備えて構成される。テーパ導波路４７１は、光伝搬方向の一方の側から光伝搬方向の他方の側に向けて順次幅が狭くなるテーパ構造を有している。テーパ導波路４７１の、光伝搬方向の一方の側に第１入力ポート４７２及び第２入力ポート４７３が設けられている。また、テーパ導波路４７１の、光伝搬方向の他方の側に、出力ポート４７４が設けられている。

第１入力ポート４７２は、第１アーム導波路４３０に接続されている。また、第２入力ポート４７３は、第２アーム導波路４４０に接続されている。

第１光カプラ４６０の入力ポート４６２が、波長フィルタ部４００の入力ポートとなり、第２光カプラ４７０の出力ポート４７４が、波長フィルタ部４００の出力ポートとなる。

第１光カプラ及び第２光カプラを、２×２ＭＭＩ構造とした場合、光の干渉を利用するため、消光比を大きくとることができる。また、第２光カプラの第２出力ポートからモニタ用の光を取り出すことができる。一方、第１光カプラ及び第２光カプラを、Ｙ分岐構造とした場合、作製誤差による損失を抑えることが容易となる。

波長フィルタ部４００の入力ポートは、光分岐部３００の第２出力ポート３０４に接続される。光分岐部３００から出力された第２検証光が、波長フィルタ部４００の入力ポートに入力される。

波長フィルタ部４００の出力ポートから出力される光は、第２受光素子（ＰＤ２）５０２に送られる。

第１受光素子（ＰＤ１）５０１と第２受光素子（ＰＤ２）５０２として、Ｓｉ光導波路コア上にゲルマニウム（Ｇｅ）を選択成長させることで得られる導波路型のＧｅフォトダイオードを用いることができる。第１受光素子（ＰＤ１）５０１と第２受光素子（ＰＤ２）５０２の出力として、例えば、入力される光強度に対応する電流値が、それぞれ、第１受光データ及び第２受光データとして波長制御部６００に送られる。波長制御部６００に設けられた差分取得部６０２は、それぞれの受光素子の変換効率［Ａ／Ｗ］から、電流値を電力［ｄＢｍ］に換算する。その後、電力に換算された、第１受光データ及び第２受光データの差分は比較部６０４に送られる。

比較部６０４は、第１受光データと第２受光データの差分の初期値を、記憶部６０６から読み出し、差分取得部６０２から送られた差分と比較する。

図６を参照して、波長制御の機能について説明する。図６は、波長制御の機能を説明するための模式図である。図６は横軸に波長［任意単位］を取って示し、縦軸に電力［単位：ｄＢｍ］を取って示している。

温度変動など外部要因に伴うＬＤ１１０の発振波長の変化があった場合、第１受光データ（図中、ＰＤ１で示す。）は、ほぼ一定の値を示す。これは、第１受光素子５０１に入力される第１検証光は、温度及び波長にフラットな特性を持つ、光分割部２００及び光分岐部３００を経て、第１受光素子５０１に入力されるためである。一方、第２受光データ（図中、ＰＤ２で示す。）は、波長に応じて変化する。これは、第２受光素子５０２に入力される第２検証光は、温度及び波長にフラットな特性を持つ、光分割部２００及び光分岐部３００を経た後、温度に対してフラットであり、かつ波長選択性を有する波長フィルタ４００を経て、第２受光素子５０２に入力されるためである。

従って、ＬＤ１１０の発振波長の変化があった場合、差分取得部６０２から送られた差分は、初期値から乖離する。波長フィルタ部４００は温度変動に対して透過特性が変化しないため、差分の変化は純粋にＬＤ１１０の発振波長のシフトによるものと特定される。

そこで、比較部６０４は、ＬＤ１１０に実装されたペルチェ素子に印加する電圧を変更するなどして、ＬＤ１１０の温度を変化させ、差分取得部６０２から送られた差分が初期値と一致するように、ＬＤ１１０の波長を制御する。

（波長制御方法）
上述の波長制御素子を用いた波長制御方法を説明する。

先ず、スペクトルアナライザなどを用いて、光分割部２００の第１出力部２０３から出力される信号光をモニタし、ＬＤ１１０に実装されたペルチェ素子の温度を調整するなどして、ＬＤ１１０から出力されるレーザ出力光の波長を、所望の波長に設定する。

次に、差分取得部６０２において、第１受光素子（ＰＤ１）と第２受光素子（ＰＤ２）から、第１受光データ及び第２受光データを受け取る。差分取得部６０２は、電力換算された、第１受光データ及び第２受光データの差分を取得し、初期値として記憶部６０６に格納する。

その後、差分取得部６０２において、電力換算された、第１受光データと第２受光データの電力の差分を取得し、比較部６０４において、記憶部６０６に格納されている初期値と比較する。

比較部６０４は、取得された差分が初期値から変化した場合は、差分が初期値と一致するようにＬＤ１１０の波長制御を行う。

上述の波長制御素子及び波長制御方法によれば、光モジュールに実装されたＬＤのレーザ出力光の波長を監視し、温度制御フィードバックして波長を安定化させる機能を、導波路プロセスで実現することができる。また、波長フィルタ部として要求される温度無依存特性を、単純な導波路の幅寸法の組み合わせのみで達成することができ、作製工程を複雑化することがない。また、ＬＤの前面から出力されるレーザ出力光の一部を波長制御に用いており、背面光を用いていない。このため、ＬＤの調芯は、前面だけで良く、実装工程を簡略化することができる。

（特性評価）
波長制御素子を構成する、光分割部、光分岐部、及び、波長フィルタ部の特性を説明する。

光分割部に対して、Finite Differential Time Domain（FDTD）法を用いて行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションの結果を図７に示す。図７は、光分割部の透過率を示す図であって、横軸に波長［単位：μｍ］で取って示し、縦軸に透過率［単位：ｄＢｍ］で取って示している。

ここでは、波長制御素子の設計波長帯域を１５５０ｎｍ付近とした。また、導波路作製に用いるＳｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）基板のＳＯＩ層の厚み、すなわち、Ｓｉの光導波路コアの厚みを２２０ｎｍとした。

また、光分割部２００を１入力２出力の１×２ＭＭＩ構造とし、ＭＭＩ導波路２０１の幅を１．５μｍ、光の伝搬方向に沿った長さを４．０９８μｍとした。

図７に示されるように、第１出力ポート（ｐｏｒｔＡ）２０３と第２出力ポート（ｐｏｒｔＢ）２０４の出力比が、およそ５（−１ｄＢ）：１（−８ｄＢ）となり、かつ、波長に対してフラット（すなわち温度にもフラット）であることが分かる。

次に、光分岐部に対して、FDTD法を用いて行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションの結果を図８に示す。図８は、光分岐部の透過率を示す図であって、横軸に波長［単位：μｍ］で取って示し、縦軸に透過率［単位：ｄＢｍ］で取って示している。

光分岐部３００を１×２出力のＭＭＩ構造とし、ＭＭＩ導波路３０１の幅を１．５μｍ、光の伝搬方向に沿った長さを２．０４９μｍとした。

図８に示されるように、第１出力ポート（ｐｏｒｔＡ）３０３と第２出力ポート（ｐｏｒｔＢ）３０４の出力比が、およそ１（−３ｄＢ）：１（−３ｄＢ）と等分岐となり、かつ、波長に対してフラット（すなわち温度にもフラット）であることが分かる。

次に、波長フィルタ部に対して、FDTD法を用いて行ったシミュレーションについて説明する。シミュレーションの結果を図９に示す。図９は、波長フィルタ部の出力特性を示す図であって、横軸に波長［単位：μｍ］で取って示し、縦軸に出力強度［単位：ｄＢｍ］で取って示している。図９では、基準温度２０℃に対して温度を±５０Ｋ振ったスペクトルを重ねて示している。

第１アーム導波路４３０と第２アーム導波路４４０とで第１位相調整領域４３４と第２位相調整領域４４４以外を共通の構成要素とすることで、第１アーム導波路４３０と第２アーム導波路４４０との光学位相差は、第１位相調整領域４３４と第２位相調整領域４４４との位相差として単純化できる。第１位相調整領域４３４と第２位相調整領域４４４とで異なる構造を与えるため、最も単純に光導波路コアの幅寸法を違える手法を選択した。例えば、第１位相調整領域４３４の導波路断面幅寸法を１μｍとし、第２位相調整領域４４４の導波路断面幅寸法を０．４μｍとした。この幅に対して、上記式（２）に関わる第１位相調整領域４３４および第２位相調整領域４４４を伝搬するモード等価屈折率の温度依存性を計算し、Ｌ_２＝０．９６８５Ｌ_１を得た。波長フィルタ部４００のスペクトル特性は上記式（２）から求めたＬ_１とＬ_２との相対関係を保ったまま、Ｌ_１の絶対値をパラメータとすればよく、ここではＬ_１=２２０μｍとした。

図９に示すように、温度が±５０Ｋ変動したときの波長の変動量は±０．１ｎｍ程度であり、温度依存性は、Δλ／ΔＴ＝０．００２ｎｍ／Ｋと温度変動に対してスペクトル変化が鈍化していることが分かる。なお、温度対策をしない場合の一般的なＳｉ導波路の温度依存性はΔλ／ΔＴ＝０．０７ｎｍ／Ｋであるので、波長フィルタ部の温度依存性が１／３５に抑えられていることが分かる。

１０ 支持基板
２０ クラッド
３０ 光導波路コア
１００ 波長制御素子
１１０ 半導体レーザ（ＬＤ）
２００ 光分割部
３００ 光分岐部
４００ 波長フィルタ部
５０１ 第１受光素子
５０２ 第２受光素子
６００ 波長制御部
６０２ 差分取得部
６０４ 比較部
６０６ 記憶部

Claims (9)

1. 支持基板と、
   光導波路コアと、
   前記支持基板上に、前記光導波路コアを包含して形成されるクラッドと
   を備え、
   前記光導波路コアは、
   波長制御機能を備えた光源から入力された入力光を、信号光と検証光とに分割する光分割部と、
   前記検証光を、第１検証光及び第２検証光に２分岐する光分岐部と、
   前記第２検証光の所定の波長帯域のみを透過させる波長フィルタ部と
   を備え、
   さらに、
   前記第１検証光が入力されて第１受光データを生成する第１受光素子と、
   前記波長フィルタ部を透過した前記第２検証光が入力されて第２受光データを生成する第２受光素子と、
   前記第１受光データと、前記第２受光データの差分を取得する差分取得部と、
   前記差分を、予め記憶部に格納されている初期値と比較し、比較の結果に基づいて、前記光源の波長制御機能に制御信号を送る比較部と
   を備え、
   前記光分割部、前記光分岐部、及び、前記波長フィルタ部は、温度無依存である
   ことを特徴とする波長制御素子。
2. 前記光分割部は、
   ＭＭＩ導波路と、
   前記ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記入力光が入力される入力ポートと、
   前記ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記信号光が出力される第１出力ポートと、
   前記ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記検証光が出力される第２出力ポートと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長制御素子。
3. 前記光分割部は、
   光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ導波路と、
   前記テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記入力光が入力される入力ポートと、
   前記テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記信号光が出力される第１出力ポートと、
   前記テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記検証光が出力される第２出力ポートと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の波長制御素子。
4. 前記光分岐部は、
   ＭＭＩ導波路と、
   前記ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記検証光が入力される入力ポートと、
   前記ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第１検証光が出力される第１出力ポートと、
   前記ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第２検証光が出力される第２出力ポートと
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長制御素子。
5. 前記光分岐部は、
   光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ導波路と、
   前記テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記検証光が入力される入力ポートと、
   前記テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第１検証光が出力される第１出力ポートと、
   前記テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第２検証光が出力される第２出力ポートと
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長制御素子。
6. 前記波長フィルタ部は、
   温度無依存の第１光カプラ及び第２光カプラと、
   それぞれ、前記第１光カプラと前記第２光カプラとを接続する、第１アーム導波路及び第２アーム導波路とを備え、
   前記第１アーム導波路は、前記第１光カプラ側から、第１湾曲導波路、第１テーパ導波路、第２テーパ導波路、第１位相調整領域、第３テーパ導波路、第２湾曲導波路、第３テーパ導波路、第１位相調整領域、第２テーパ導波路、第１テーパ導波路及び第１湾曲導波路を順に接続して構成され、
   前記第２アーム導波路は、前記第１光カプラ側から、第１湾曲導波路、第１テーパ導波路、第２位相調整領域、第２テーパ導波路、第３テーパ導波路、第２湾曲導波路、第３テーパ導波路、第２テーパ導波路、第２位相調整領域、第１テーパ導波路及び第１湾曲導波路を順に接続して構成され、
   前記第１位相調整領域と前記第２位相調整領域とは、光導波路コアの幅が互いに異なっており、
   前記第１テーパ導波路は、一端のコア幅が、前記第１湾曲導波路のコア幅に等しく、他端のコア幅が、前記第２位相調整領域のコア幅に等しいテーパ形状であり、
   前記第２テーパ導波路は、一端のコア幅が、前記第２位相調整領域のコア幅に等しく、他端のコア幅が、前記第１位相調整領域のコア幅に等しいテーパ形状であり、
   前記第３テーパ導波路は、一端のコア幅が、前記第１位相調整領域のコア幅に等しく、他端のコア幅が、前記第２湾曲導波路のコア幅に等しいテーパ形状であり、
   前記第１位相調整領域を伝搬する光の等価屈折率ｎ_１及び伝搬方向に沿った長さＬ_１と、前記第２位相調整領域を伝搬する光の等価屈折率ｎ_２及び伝搬方向に沿った長さＬ_２は、以下の式を満たす
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長制御素子。
   

   
7. 前記第１光カプラは、
   ＭＭＩ導波路と、
   該ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記光分岐部の第２出力ポートに接続される第１入力ポートと、
   該ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第１アーム導波路に接続される第１出力ポートと、
   該ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第２アーム導波路に接続される第２出力ポートと
   を備え、
   前記第２光カプラは、
   ＭＭＩ導波路と、
   該ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記第１アーム導波路に接続される第１入力ポートと、
   該ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記第２アーム導波路に接続される第２入力ポートと、
   該ＭＭＩ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第２受光素子に接続される第１出力ポートと
   を備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の波長制御素子。
8. 前記第１光カプラは、
   光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が広くなるテーパ導波路と、
   該テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記光分岐部の第２出力ポートに接続される入力ポートと、
   該テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第１アーム導波路に接続される第１出力ポートと、
   該テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第２アーム導波路に接続される第２出力ポートと
   を備え、
   前記第２光カプラは、
   光の伝搬方向の一方の側から他方の側に向けて順次幅が狭くなるテーパ導波路と、
   該テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記第１アーム導波路に接続される第１入力ポートと、
   該テーパ導波路の、光の伝搬方向の一方の側に設けられ、前記第２アーム導波路に接続される第２入力ポートと、
   該テーパ導波路の、光の伝搬方向の他方の側に設けられ、前記第２受光素子に接続される出力ポートと
   を備える
   ことを特徴とする請求項６に記載の波長制御素子。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の波長制御素子を用いて行われる波長制御方法であって、
   前記光分割部の前記第１出力部から出力される信号光をモニタし、前記光源の波長を所望の波長に設定する過程と、
   前記第１受光データと、前記第２受光データの差分を、初期値として記憶部に格納する過程と、
   新たに取得された、前記第１受光データと、前記第２受光データの差分が、前記初期値から変化した場合は、該差分が前記初期値と一致するように、前記光源の波長を制御する
   過程と
   を備えることを特徴とする波長制御方法。

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