JP2813067B2 - 光フィルタ - Google Patents
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure
Description
の分野に関し、更に詳しくは波長同調型光フィルタに関
する。
制限であることが動機となって、研究者や開発者達は、
システムの性能と伝送容量との改善のため、或るネット
ワ−クを光周波数の領域へ移して運用するようになって
きた。これは一般に、光周波数領域にチャンネルを割り
当てている広帯域通信ネットワ−クを利用することによ
って行われてきた。その上、これらのネットワ−クは、
多重チャンネル運用を行うために、波長分割多重化と波
長分割切換とを通常用いている。
連結して同調させる機器で、上に述べたネットワ−クに
必要な基本デバイスの内の一つである。例えば、加入者
回線ネットワ−クにおいて、全てのチャンネルをネット
ワ−クの各加入者に放送して、加入者が同調型光フィル
タを経て希望するチャンネルを選択するというような用
法も可能である。
調型光フィルタが文献に提案されている。波長同調型光
フィルタの概要を見るには、コブリンスキ−(Kobrinsk
i) ほかの論文(IEEE通信誌(IEEE Communication
s Magazine)、1989年、53〜63ペ−ジ)を参照
されたい。そこに提案されている光フィルタの各々にお
いて、その濾波機構が、空洞共振器のような或る微小変
動発生機構から生じた波固有モ−ド間の結合機構であっ
て、これによって濾波作用が行われるとみることができ
る。提案されている種々のフィルタ、例えば電気光学
型、音響光学型、分布型ブラッグ反射器型、及び分布帰
還型のフィルタは、それぞれ上記のような方法で説明で
きる。
波数領域中にピ−ク部とゼロ値部とを含む伝送特性を有
していること、及び、このような特性を、光の濾波に有
利に利用できることは、周知の事実である。しかし、空
洞共振器は一般に、空洞の長手方向のモ−ドに対応した
多重伝送ピ−クを生じる。又、空洞の長手方向のモ−ド
によって同調範囲が制限される。その理由は、モ−ド間
隔が、入来信号を重ならせずに区切ってその中に配置で
きる同調範囲の最大値に対応しているからである。更
に、空洞共振器は通常、ファブリ・ペロ−固定鏡式干渉
計(ファブリ・ペロ−・エタロン)を用いて作られてい
るが、このファブリ・ペロ−・エタロンは、光量子集積
回路への組み込み集積が困難という問題がある。
空洞共振構造においては、同調範囲を延長するように、
又、組み込み集積が可能になるように設計されている。
これらの新型空洞共振構造には、共振増幅器として運用
中にレ−ザ発光しきい値以下にバイアスされる共振レ−
ザ構造を含む。以下に、波長同調型光フィルタについて
の興味深い文献をいくつか選んで説明する。
帰還型デバイス付きの2個の分布型ブラッグ反射器を薄
膜導波路上に縦一列に配置してなる分光選択式フィルタ
が開示されている。更に、導波路の、対向する表面上の
且つ上記2個の反射器の間の位置に配置した1対の電極
を経て電圧をかけることによって、反射器の間の光路長
を調整し、ファブリ・ペロ−式配置に類似の方法で同調
性を得るようにしている。同調性が得られる一方、フィ
ルタの伝送ピ−クは6〜10オングストローム(以下A
で表す)のピ−ク値のもの1個で、2つの反射領域の間
の、阻止域として知られる帯域に現れる。更に重要なこ
とは、阻止域の外では透過率が高いことと、それ自体
で、使用可能な同調範囲が、阻止域の幅、一般には80
0GHz未満、に限られることである。
未満のフィルタ帯域を達成するための格子共振フィルタ
が開示されている。このフィルタは第1及び第2の格子
部からなり、これらの格子部は互いに幾何学的に相関関
係にある。すなわち、第1の格子部の格子ピ−クと第2
の格子部の格子ピ−クとの間の距離はいずれも、格子の
周期の整数である。更に、上記の2つの格子部の間にあ
る位相部は、屈折率が減少しており、これら2つの格子
部の間にπ/2(90°)の位相偏移を生じさせる。
又、類似の方法を用いて、但し、担体(キャリヤ)注入
を利用して、約40〜50Aの範囲ので同調性が得られ
ている。例えば、T.ヌマイ(T.Numai) ほかの論文
(応用物理通信(Appl.Phys.Lett.) 第53巻、第2
号、83〜85ペ−ジ、1988年)を参照されたい。
信(Appl.Phys.Lett.) 第54巻、第19号、1859
〜1860ペ−ジ、1989年)は、同調性に加えて、
一定の透過率と一定の帯域幅が、多数電極付き分布帰還
型半導体レ−ザ構造を利用することにより得られること
を示している。
布帰還型要素付きの2つの活性部とそれらの間の位相制
御部とから構成されている。利得は、活性部への電流注
入によって制御されるが、同調は、位相制御部に注入し
た電流によって別個に制御される。この例では、24.
5dBの一定利得で120GHz(9.5A)の同調範
囲が得られた。
フィルタで分布型ブラッグ反射器構造を用いたものが示
されている。カゾフスキ−(Kazovsky)ほかの論文(E
COC、1989年会報、25〜27ペ−ジ)を参照さ
れたい。特に、カゾフスキ−ほかは、分布型ブラッグ反
射器部と活性部とこれらの間の位相制御部とからなる3
部構造を用いている。活性部と空気とのインタ−フェ−
スと、反射器部との間では、共振部が構成される。
用いて共振周波数を同調させ、一方、活性部の電流でフ
ィルタの光利得を調整する。上に述べた種々の光フィル
タと同様に、この光フィルタは同調範囲を効率的に減少
させる伝送ピ−クを多数有している。カゾフスキ−ほか
は、もし位相制御部の長さがゼロならただ1個の伝送ピ
−クを得ることが可能というが、これは、反射器部とイ
ンタ−フェ−スとの間のマッチングが、互いに連続しな
い波長でしか得られないことから、同調が不連続になる
ので望ましくない。
路ネットワ−クにおいて、利用可能な同調チャンネルの
数を増加させるような広い同調範囲を有するフィルタが
あれば非常に興味深い。しかし、例えば活性部を用い
て、フィルタ内での減衰を最小にすることも望ましい
が、一方、活性部における自然発生的放射によって、運
用に有害な影響を及ぼす雑音が発生することが確認され
ている。更に又、活性部を用いると、濾波された出力信
号が入力信号に対して非線形に変化させることになり、
この非線形化を補償するにはバイアス電流を調整しなけ
ればならない。
ルタ帯域幅の比率が低いと、所定の漏話レベルに対して
利用可能なチャンネルの数が制限されることである。
ルタは、特徴的なただ1個の伝送ピ−クを持たせて同調
性を増すようにした光フィルタであって、分布型ブラッ
グ反射器部と高反射率鏡との間に位相制御部を配置して
なる波長同調型光フィルタである。位相制御部又は分布
型ブラッグ反射器部のいずれかの屈折率を制御すること
によって、数THzの範囲に対して連続した同調性が得
られる。
ッグ反射器部と位相制御部とを基板上に配置し、位相制
御部の端部小平面を高反射率鏡で覆っている。この分布
型ブラッグ反射器部は、受動導波路領域の端部上を覆っ
て位置する周期格子からなり、一方、位相制御部は、受
動導波路領域の、周期格子と鏡との間に位置する部分か
らなっている。運用の際の濾波作用は、前記の周期格子
と鏡との間に光空洞共振部が形成され、もし分布型ブラ
ッグ反射器部の周波数において往復光路長が2πの整数
倍なら、この光空洞共振部によって分布型ブラッグ反射
器部の周波数の近くで強い共振が生じる、という原理に
基づいている。
量子回路に組み込み集積して、同調型受波器として使用
できる。更に又、周波数切換時間を数nsとすることが
期待できるので、本発明の光フィルタを伝送と切換との
両方の用途に使用できる。以下、図面を参照して、本発
明を実施例について説明する。これにより、本発明を更
に容易に理解できよう。
に示す。 光フィルタ100は、分布型ブラッグ反射
器(DBR)部101と位相制御部102とを基板10
6上に配置し、この位相制御部102の端部小平面を高
反射率鏡103で覆ってなる。基板106は、DBR部
と位相制御部とが有する屈折率より低い屈折率を有す
る。DBR部101は、周期格子108(すなわち分布
型ブラッグ反射器)と、受動導波路領域107の、周期
格子108の下にある部分とからなり、一方、位相制御
部102は、受動導波路領域107の、周期格子108
と高反射率鏡103との間にある部分からなる。
適用性を損なわれるものではないが、本実施例において
は、濾波された光信号105が光フィルタ100から出
て行くまで、受動導波路領域107が光信号104の伝
搬を支える。一般に、受動導波路領域107には、誘電
性導波路、多重量子井戸導波路、金属非拡散ニオブ酸リ
チウム又はタンタル酸リチウム製導波路、等を含むと理
解されたい。
間的に周期的な微小変動が、受動導波路領域107の一
部に生じる。受動導波路領域107の屈折率は、電気接
点109及び110を経て電場を付加することにより又
は電流を注入することにより、変化させる得ることが望
ましい。こうすることによって、周期格子108と鏡1
03との間の相対位相を望む位相にでき、又、周期格子
108に関連してブラッグ周波数を変えることができ
る。
鏡との間に光空洞共振部が形成され、もし分布型ブラッ
グ反射器部の周波数において往復光路長が2πの整数倍
なら、この光空洞共振部によって分布型ブラッグ反射器
部の周波数fBの近くで強い共振が生じる、という原理
に基づいている。
の強い共振を得るために、高反射率鏡103には周期格
子108のピ−ク反射率に匹敵する反射率を持たせる必
要がある。この反射率は、一般的には0.7 を超える値
である。加えて、周期格子108と鏡103との間に形
成された光空洞共振部のただ1つのファブリ・ペロ−・
モ−ドだけが周期格子108の伝送特性の主ロ−ブに入
るようにする必要がある。必要な位相偏移を得るために
は、例えば屈折率を変えることによって位相制御部10
2内の光路長を調整すればよい。
周期的伝送ピ−クを有することと、従来技術の分布帰還
型要素に基づく光フィルタが、高伝送領域に囲まれた狭
い低伝送領域に伝送ピ−クを有することとに比べ対照的
に、光フィルタ100は、鏡103の高反射率が周波数
によって選択できる周期格子108の反射率と結合して
いるためと、両者間の関係とから、実質上ただ1つの伝
送ピ−クを有する。
知の通常の製作技術、例えば液相エピタクシ−、分子線
エピタクシ−、又は気相エピタクシ−を用いるとよい。
周期格子108を受動導波路領域107の表面上に作る
には、干渉又はホログラフィ−技術を含む標準的マスキ
ング及びエッチング技術を使用する。周期格子108の
形状、深さ、及びピッチ又は周期は、格子の配置及びそ
れから得たい結果に従って変える。
わち、その禁制帯エネルギ−は、光フィルタ100の特
徴的な伝送ピ−クに関連した波長の光量子エネルギ−よ
り大きいことを理解されたい。高反射率鏡103を作る
には、位相制御部102の端部小表面を、例えば、蒸着
工程を用いて高反射率の薄膜又は金属性薄膜で覆って鏡
とする。
周期格子108と受動導波路領域107の一部とからな
る。又、DBR部101は、共振周波数又はブラッグ周
波数fB を中心とする主ロ−ブ、一般的には 図2 に
示すような、数nm幅の主ロ−ブを特徴とする伝送反射
特性を表す。導波路領域に位置させた第1次の格子に対
して、ブラッグ周波数fB は、次に示す数式 数1 で
与えられる。
波モ−ドの有効屈折率、又、Λは格子の周期である。周
期格子はブラッグ周波数fBにおいて最大又はピ−ク反
射率を示すことに留意されたい。
01への入射光は、緩慢に変化する2つの対向伝搬波を
発生させる。これらの対向伝搬波は、次に示す 数2、
数3、及び数4 の方程式に従う。
の方程式において、R(z)及びS(z)は2つの波の
複素振幅、δはブラッグ角周波数ωB からの偏差量、c
は真空中の光速、ndbr はDBR部の屈折率、−αはc
m当りの振幅損失、又、κは結合定数である。当業者
は、周期格子108、すなわち格子の起伏の深さ、導波
路の屈折率、及び格子の位置、に起因する導波路領域の
有効屈折率の変化によって、結合定数κが決まることに
留意されよう。上に示した方程式の一般解は技術上周知
である。例えば、H.コゲルニク(H.Kogelnik)ほかの
論文(応用物理学会誌(J.Appl.Phys.)第43巻、第5
号、2327〜2335ペ−ジ、1972年)参照され
たい。
御部102内においてある種の波動方程式と次の境界条
件、すなわちS(Lpc)=r・R(Lpc)とを満足する
必要がある。ここにおいて、rは鏡の反射率、又、複素
振幅R(z)及びS(z)はDBR部と位相制御部との
間のインタ−フェ−スにおいて連続である。これらの境
界条件の下で光フィルタ100の電力伝送は次に示す数
式 数5 で与えられることが分かっている。
DBR部の長さ、γは、κ2+(α−jδ)2 で与えら
れる複素伝搬定数、Lpcは位相制御部102の長さ、n
pcは位相制御部102の屈折率、又、kpcは(ωnpc/
c)+jαで与えられる。
いて、光フィルタ100の電力伝送を次の媒介変数、す
なわちLdbr=150μm;Lpc=50μm;κLdbr=
3;r2=0.995;及びα=−0.055cm-1 を用
いて計算した。
移をπ/2(90゜)としたときの光フィルタ100の
伝送特性を示す。同図から、3dBの帯域幅が5GHz
未満で、山対谷の比が29dBよりよいという結果が得
られたことに留意されたい。これに加えて、山対サイド
ロ−ブ比を19dBよりもよくすれば、複数の波長分割
多重信号を周期格子108の中央主ロ−ブ内に拘束しな
くとも、これら複数の信号から単一チャンネルを選べる
ことにも留意されたい。これはもちろん、19dBの漏
話は許容できることを仮定してのことである。更に、挿
入損失を1dB未満と予想した。
02に電流を注入することによっても得られ、これによ
って自由キャリア吸収に対するその材料の有効屈折率が
決まる。第4図は、周期格子108と高反射率鏡103
との間の位相偏移を種々異なる値にした場合の光フィル
タ100の伝送特性を示す。すなわち、400−1から
400−5までの曲線は、60゜から120゜までの間
で15゜づつの段差を付けた位相偏移値のそれぞれにつ
いての伝送特性を表す。その上、例えばDBR部の屈折
率を変えることによってブラッグ周波数を変えて伝送曲
線を400−1から400−5に移すことも更に可能で
ある。
折率をそれぞれ変えることによって精粗両方の同調が可
能であり、結果として、広い周波数範囲にわたって連続
した同調性が得られる。位相制御部又はDBR部のいず
れかに金属製接点を設けることによって電位源を取り付
ける手段が得られ、この領域に電流を注入することがで
きる。オ−ム接点を設けるには、金属製薄膜多層蒸着、
合金蒸着、スパッタリング及び焼なましのような標準的
オ−ム接点製作技術を用いる。
象を利用して、上記の位相制御部又はDBR部の屈折率
を変えてもよい。屈折率の、虚数部分における変化(す
なわち損失)に対する実数部分における変化の比率を最
大にすることが望ましい。こうすれば、関連して位相を
偏移させることによってバックグラウンド材料における
損失に対する追加損失を最小にできる。いい替えれば、
屈折率における変化Δnによる追加損失−Δαを最小に
する必要がある。
W)導波路を使用し、これに電場を付加することによっ
て構造部を同調させる方法である。MQW導波路を用い
ると材料の損失がより少なくなり、屈折率への損失の依
存度がより少なくなることが認証されたので、この方法
は更に望ましい。例えばR.J.デリ−ほかの論文(応
用物理通信(Appl.Phys.Lett.) 第54巻、第18号、
1737〜1739ペ−ジ、1989年)を参照された
い。例えばMQW導波路においては、屈折率の実数部分
の虚数部分に対する比率は同調を電流注入によって得る
場合よりも約20倍大きい。
るためには、種々の物理的媒介変数の影響にも留意され
たい。計算によると、κLdbr の値が大きい場合導波路
の損失の影響は増幅され、一方、この値が小さすぎると
強い共振が得られず、共振伝送ピ−ク値の減少をもたら
す。位相制御部の長さは、連続同調が得られるような長
さにする必要があるが、又、そこでの損失が最小になる
ような短さにもすることが望ましい。
子の最大反射率よりもかなり大きい場合、共振周波数に
おける入射光は伝送されるよりもむしろ反射されるの
で、伝送は減少する、という事実である。ここで想起願
いたいのは、鏡には分布型ブラッグ反射器のピ−ク反射
率に匹敵する反射率を持たせるようにする必要があり、
それによって、十分に強い共振が存在するようになり、
更に、この共振によって、光フィルタがただ1個の伝送
ピ−クを示すようになる、ということである。鏡及び分
布型ブラッグ反射器の反射率の値は、許容漏話レベル、
所要山谷比、及び結合損失等の要素に基づいている。
で、いくつかの実際的な利点が得られる。例えば、構造
内に活性材料がないので、従来技術の分布帰還型要素又
は分布型ブラッグ反射器レ−ザに基づいたフィルタと異
なり、出力電力レベルは入力電力レベルに対して線形に
変化する。上記従来技術のフィルタの光利得は入力電力
レベルに対して非線形である。尚、利得を用いるフィル
タにおいて、バイアス電流を調整して非線形を補償でき
るというのは事実ではあるが、このような補償技術は簡
単なことではなく、その上コストもかかる。又、光フィ
ルタ100は受動導波路領域を用いているので、自然発
生的放射による雑音もないことにも留意されたい。
あることが予想される。例えば、光量子集積回路におい
て同調型前置フィルタとして使用できる。周波数切換時
間を数nsにすることが期待できるので、周波数分割多
重システムのような伝送用途だけでなく、切換用途にも
実用的である。
波路領域の製作には、II−VI及びIII−V族半導
体の材料を用いてもよい。
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。例えば、格子の周期性を変え、又
は格子の強度を漸変することにより伝送ピ−クをより鋭
くも、より平坦にも、又、より狭くも設計でき、更に
は、山対サイドロ−ブ比を増大させて周波数選択性を高
めることもできる。
長同調型光フィルタを受動型要素で構成し、ただ1個の
伝送ピークを持たせたので、フィルタの波長同調性が増
大する。又、位相制御部とDBR部との屈折率をそれぞ
れ変えることによって精粗両方の同調が可能であり、広
い周波数範囲にわたって連続した同調性が得られる。周
波数切換時間を数nsにすることが期待できるので、周
波数分割多重システムのような伝送用途だけでなく、切
換用途にも実用的である。その上、構造内に活性材料を
用いていないので、入力電力レベルに対して線形に変化
する出力電力レベルが得られ、自然発生的放射による雑
音もない。
斜視図である。
特性を周波数の関数として示す線図である。
る。
を60゜から120゜に変えた場合について示す線図で
ある。
Claims (7)
- 【請求項1】 波長選択可能光フィルタにおいて、 多重量子井戸および端部小平面を有し光信号を伝搬させ
る受動導波路領域と、 前記受動導波路領域の前記光信号の伝搬方向に平行な表
面上に設けられた、ピーク反射率を有する分布型ブラッ
グ反射器部と、 前記光フィルタの透過特性を波長に対して偏移させるた
めに前記受動導波路領域の有効屈折率を変化させる手段
と、 前記端部小平面上に設けられた鏡とからなり、 該鏡の反射率は、前記分布型ブラッグ反射器部のピーク
反射率に関係しかつ該鏡と前記分布型ブラッグ反射器と
の間に十分な強さの共振を存在させるような反射率であ
り、該共振により前記光フィルタは連続した波長帯域に
属する複数の選択可能な波長のうちから選択される波長
においてただ1個の透過ピークを示し、該透過ピーク
は、前記複数の選択可能な波長のそれぞれに対してほぼ
等しいレベルに調整可能であることを特徴とする波長選
択可能光フィルタ。 - 【請求項2】 前記受動導波路領域の有効屈折率を変化
させる手段は、前記受動導波路領域の所定部分に電圧を
かけるための一対の接点を含むことを特徴とする請求項
1の光フィルタ。 - 【請求項3】 前記受動導波路領域の前記所定部分は、
前記分布型ブラッグ反射器部と前記鏡との間に位置する
ことを特徴とする請求項2の光フィルタ。 - 【請求項4】 前記受動導波路領域の前記所定部分は、
前記分布型ブラッグ反射器部の下に位置することを特徴
とする請求項2の光フィルタ。 - 【請求項5】 前記鏡は、誘電性薄膜を含むことを特徴
とする請求項1の光フィルタ。 - 【請求項6】 前記鏡は、金属製薄膜を含むことを特徴
とする請求項1の光フィルタ。 - 【請求項7】 前記受動導波路領域は、ニオブ酸リチウ
ム製の導波路を含むことを特徴とする請求項5または6
の光フィルタ。
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