JP4323348B2

JP4323348B2 - 波長フィルタ及び波長可変フィルタ

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Publication number: JP4323348B2
Application number: JP2004058229A
Authority: JP
Inventors: 錫煥鄭; 慎治松尾; 裕三吉國; 徹瀬川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2024-03-02
Also published as: JP2005249973A

Description

本発明は、波長フィルタ及び波長可変フィルタに関し、波長多重光通信システムの重要な光部品である半導体波長フィルタ及び波長可変フィルタに関する。

波長フィルタ及び波長可変フィルタは、大容量光通信ネットワークで欠かすことのできない重要な光部品である。特に、波長多重光通信用の光合分波器に用いる波長フィルタは、信号パルスの変形を防ぐとともに、光源として用いる半導体レーザ及び波長フィルタそのものの温度制御の許容範囲を広げるために透過帯域内でスペクトル特性が平坦性を有することが望ましい。通常、波長フィルタの平坦性を評価するパラメータとしてシェイプファクタ（Shape factor）が用いられ、次のように定義されている（例えば、非特許文献１参照）。

シェイプファクタ＝−１ｄＢフィルタ帯域／−１０ｄＢフィルタ帯域
つまり、この定義は、シェイプファクタが１に近づくほど矩形のようなスペクトル特性を示すことを意味している。

これまで波長多重光通信用波長フィルタとしてアレー導波路回折格子（ＡＷＧ：arrayed waveguide grating)を用いた波長フィルタが提案されている。通常、ＡＷＧのフィルタスペクトルは、ガウス関数型になるため、シェイプファクタは約０．３２程度であり、ローレンツ関数型のフィルタスペクトルを示すリング共振器型波長フィルタより優れているものの、実際応用上、十分とは言えない。

ＡＷＧ波長フィルタの場合、入射側のスラブ導波路の前端にＭＭＩ（multimode interference) 結合器（例えば、特許文献１及び非特許文献２参照）又はパラボリックホーン（例えば、特許文献２及び非特許文献３参照）のような多モード導波路を用い、基本モードと２次モードを励振させ、入力波の電界分布を擬似的な箱型に形成することにより、波長フィルタの平坦性スペクトル特性（シェイプファクタ＝０．５５）を達成している。

しかしながら、このような方法は、本質的に素子の挿入損失が増大するほか、ガウス関数型のＡＷＧに比べて約２倍のアレー導波路を必要とするため、素子サイズが増大するという問題があった。

図１４は、従来のＡＷＧ型波長可変フィルタの概略図で、波長可変動作を得るために提案されているものである。図中符号１４１は、入力導波路、１４２は入力側スラブ導波路、１４３はアレー導波路、１４４は電極、１４５は出力側スラブ導波路、１４６は出力導波路を示している。このＡＷＧ型波長可変フィルタでは、アレー導波路１４３上の電極１４４の長さ（電極長）をアレー導波路１４３同士の光路長差に応じて変化させ、アレー導波路１４３の出射端で波面を制御することにより波長可変動作を得ている。従って、比較的に電極面積が広くなり、発熱の問題や素子容量に起因する動作速度制限が危惧される。

特開平９−１７１１１２号公報特開平９−２９７２２８号公報 Y.Kokubun et al. IEICE Trans, Electron., E85-C(2002),pp 1018-1024 M.R.Amersfoort et al, Electron.Lett.,32(1996),pp 449-451 K.Okamoto et al. Electron,Lett.,32(1996),pp 1661-1662 S.Matsuo et al, IEEE Photon. Technol. Lett.,7(2003),pp 1114-1116

最近、ＡＷＧの特性を損なうことなく、素子全体の電極面積を大幅に減少可能な波長可変フィルタ素子としてラダー干渉型波長可変フィルタが提案されている（例えば、非特許文献４参照）。このラダー干渉型波長可変フィルタでは、共通の入出力導波路から光結合器を用いて一本ずつ接続アレー導波路に分岐していく構造であるため、入出力導波路の屈折率を変化させ、波長可変動作を得ている。この場合、ＡＷＧ型波長可変フィルタと同様に、ラダー干渉型波長可変フィルタは、ガウス関数型フィルタスペクトル特性を示すことから、シェイプファクタは０．３２近傍で決まり、従来のラダー干渉型波長可変フィルタは、平坦性スペクトル特性を得ることが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、比較的に小さい電極面積を有し、広帯域波長可変動作が得られるラダー干渉型波長フィルタを用い、素子特性を損なうことなく平坦性スペクトルを実現するようにした波長フィルタ及び波長可変フィルタを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、一対の入力導波路及び出力導波路と、該入力導波路及び出力導波路に一定の間隔で配置された光結合器と、該光結合器を介して前記入出力導波路間を接続するＮ個（Ｎ；２以上の自然数）のアレー導波路とを備え、前記光結合器は、ＭＭＩ結合器または方向性結合器であり、入射端から出射端までの長さが入射端側に接続された前記アレー導波路を経路から順番に同じ長さの差で増加あるいは減少するようなラダー干渉計の構造で構成され、前記光結合器のうち、入力導波路側の光結合器は、入力導波路から見て結合係数の小さい方のポートからアレー導波路に光を取り出し、出力導波路側の光結合器は、１段目からＮ−１段目までのアレー導波路を接続する光結合器はアレー導波路から見て結合係数の小さい方のポートから光を取り出し、Ｎ段目のアレー導波路を接続する光結合器はアレー導波路から見て結合係数の大きい方のポートから光を取り出すことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記アレー導波路のうち、Ｎ段目のアレー導波路と（Ｎ−１）段目のアレー導波路におけるラダー干渉計で生じる光路長差のみを、前記同じ長さの差より整数倍（０倍、１倍を除く）大きくあるいは小さく設定することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記１段目から（Ｎ−１）段目まで光結合器のうち、入力導波路側の光結合器の結合率を任意のＫａから任意のＫｂ（Ｋａ＞Ｋｂ）まで減少させ、出力導波路側の光結合器の結合率を前記Ｋｂから前記Ｋａまで増加させるように設定し、フィルタスペクトルの低クロストーク及び低損失が得られることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１，２又は３に記載の波長フィルタにおいて、熱，電圧印加あるいは電流注入により、前記入出力導波路の屈折率を変化させることで選択波長が可変となり、前記屈折率が変化する領域長を前記アレー導波路間の光路長差に比例して調整することにより、波長可変動作の際に平坦性スペクトル波長特性が一定に保たれることを特徴とする波長可変フィルタである。

本発明によれば、波長フィルタ及び波長可変フィルタの透過帯域を平坦化することができ、光源として用いられる半導体レーザ及び素子そのものの厳密な温度制御を緩和することができる。なお、本発明の波長可変フィルタは、回折次数のみを変化させることにより、平坦性透過帯域を数ＴＨｚまで広げることも可能であり、バンドデマルチプレクサへの応用が期待できる。また、実施例では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いているが、ＰＬＣ、ＧａＡｓ系やＳＯＩと高分子材料で構成される材料を用いても同様の動作が可能であり、さらなる低コストパフォーマンスが実現できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(実施形態１)
図１は、本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態１を説明するための構成図で、図中符号１１は入力導波路、１２−1〜１２−Ｎは入力導波路側の光結合器、１３−１〜１３−Ｎはアレー導波路、１４は出力導波路、１５−1〜１５−Ｎは出力導波路側の光結合器を示している。なお、Ｎはアレー導波路の本数を示している。

本発明の実施形態１におけるラダー干渉型波長フィルタは、一対の入力導波路１１及び出力導波路１４と、入力導波路１１及び出力導波路１４に一定の間隔で配置された光結合器１２−１〜１２−Ｎ，１５−1〜１５−Ｎと、光結合器１２−１〜１２−Ｎ，１５−1〜１５−Ｎを介して入出力導波路間を接続するＮ個（Ｎ；２以上の自然数）のアレー導波路１３−１〜１３−Ｎとから構成されている。

しかも、入力ポートから出力ポートまでの長さが、入力ポート側に接続されたアレー導波路１３−１を経路から順番に同じ長さの差ΔＳで増加（２ΔＳ・・・（Ｎ−１）ΔＳ）あるいは減少するようなラダー干渉計構造で構成され、出力ポート端の光結合器１５−Ｎの結合率を適正化して、フィルタスペクトル特性が平坦性を有するように構成されている。

つまり、アレー導波路長が左から順次ΔＳずつ増大すると、次式を満足する波長（λ_０）で透過率が最大になる。
λ_０＝（ｎ_ｅｆｆΔＳ）／ｍ
ここで、ｎ_ｅｆｆ及びｍは、それぞれ光導波路の実効屈折率及びラダー干渉計の回折次数である。図１に示すように、アレー導波路１３−１〜１３−Ｎから入射する光と出力導波路１４から入射する光が出力導波路側の光結合器１５−１〜１５−Ｎで干渉するが、等位相の光以外の波長は放射損失を受けるため、上式を満足する所望の波長のみが出力導波路１４を伝搬し、波長フィルタとして機能する。

図１に示すラダー干渉型波長フィルタで用いる光結合器１２−１〜１２−Ｎ，１５−１〜１５−Ｎは、ＭＭＩ結合器であるが、ＭＭＩ結合器の代わりに方向性結合器を用いても特性は変わらない。ラダー干渉計で用いる光結合器は、２×２カプラーであるため、光結合器で干渉する光は、片方の出力ポートへ結合し、干渉しない光は残りのポートへ結合する。この場合、干渉する光波長がどちらのポートへ結合するかは光結合器の結合係数（ｋ）に密接な依存性を有する。

図２（ａ），（ｂ）は、図１に示した実施形態１で説明したラダー干渉型波長フィルタのＭＭＩ結合器の特性図で、図２（ａ）はＭＭＩ結合器のクロスポート、図２（ｂ）はＭＭＩ結合器のバーポートでの透過特性を示している。つまり、図１で示したラダー干渉型波長フィルタの光結合器のｋを０．８５に設定したときの波長スペクトル特性を示し、図２（ａ）と図２（ｂ）は、それぞれＮ段目のアレー導波路に接続されたＭＭＩ結合器のクロスポートおよびバーポートへ結合した光の波長スペクトル特性を表わしている。

この場合、干渉した光波長（λ_０）はクロスポートへ結合し、バーポートへのλ_０の透過率は抑えられている。ここで、図２（ａ）の波長スペクトルのシェイプファクタは０．３２である。図２（ａ）に示した特性は、上述した非特許文献４の構造による特性であり、Ｎ個のラダー干渉計が従属接続された構造である。この非特許文献４に記載されている構造は、各々の従属接続されたラダー干渉計の伝達関数は同じであり、フィルタ素子全体の周波数応答関数は各々のラダー干渉計の伝達関数の積で表される。

一方、本発明のラダー干渉型波長フィルタの場合、従属接続されたラダー干渉計の出力ポートを変化させ、フィルタ素子全体の周波数応答関数を変化させた構造を用いることにより、箱型波長スペクトルを得ることが可能になる。従って、波長フィルタのシェイプファクタの増大も可能になる。

図１５（ａ），（ｂ）は、ラダー干渉型波長可変フィルタの伝達行列を説明するための図で、図１５（ａ）は従来の素子構造、図１５（ｂ）は本発明の素子構造を示している。図中符号１５１ａ，１５１ｂは入力導波路、１５２ａ−１〜１５２ａ−Ｎは入力導波路側の光結合器、１５３ａ−１〜１５３ａ−Ｎ，１５３ｂ−１〜１５３ｂ−Ｎはアレー導波路、１５４ａ，１５４ｂは出力導波路、１５５ｂ−１〜１５５ｂ−Ｎは出力導波路側の光結合器、Ｆ，Ｔはそれぞれのラダー干渉計での伝達行列を示している。

上述した非特許文献４に示されている構造と本発明の構造の差異は、構造的な面からすると、図１５（ａ）に示した従来の素子構造の場合、出力導波路側の光結合器１５５ａ−１〜１５５ａ−Ｎでの干渉は、入力光ａ１と入力導波路側の光結合器１５２ａ−１〜１５２ａ−Ｎのバーポートからアレー導波路１５３ａ−１〜１５３ａ−Ｎを経由して入力光ａ２として接続された２つの入力光との干渉作用であり、その出力光ｂ２はクロスポートへ結合する構造となっている。このような干渉作用が多段（Ｎ段）のアレー導波路ごとに起きて、最終的に出力導波路側の光結合器１５５ａ−１〜１５５ａ−Ｎのクロスポートから出力される。

一方、図１５（ｂ）に示した本発明の素子構造の場合、Ｎ−１段目までは従来の素子と同じ干渉作用を受けるが、最後のＮ段目の光結合器１５５ｂ−Ｎでは出力ポートとしてクロスポートではなく、バーポートから光を取り出している。

つまり、上述したことを一般的かつ物理的に説明すると、従来の素子構造の場合、それぞれのアレー導波路を経由するラダー干渉計の伝達関数はすべて同じであり、アレー導波路の光路長差のみが一定に変化している。従って、アレー導波路のＮ段のラダー干渉計全体の伝達関数は転送行列を用いて数学的に表すと、以下の式（１）のようになる。

一方、本発明の素子構造の場合、Ｎ段目の光結合器１５２ｂ−Ｎで出力ポートが異なることから、Ｎ段目の伝達関数だけがＮ−１段目までの伝達関数と異なり、この場合のラダー干渉計全体の伝達関数は、以下の式（２）のように表すことができる。

従来の素子構造の場合、素子に係わるパラメータを調整すると、出力の波長スペクトルの透過率および消光比、フィルタ帯域は制御できるものの、波長スペクトルそのものは常にガウス関数型になるため、シェイプファクタを大幅に増大することが困難である（平坦性スペクトルを得ることが容易ではない）。本発明の素子構造の場合、出力の波長スペクトルをガウス関数型ではなく、箱型にするためにラダー干渉計の伝達関数を変化させている。従って、従来の非特許文献４に示された素子構造と本発明の素子構造の差異を一言で言うと、“ラダー干渉計の入出力伝達関数が異なる”ということになる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示した実施形態１で説明したラダー干渉型波長フィルタのＭＭＩ結合器のバーポートでの特性図で、図３（ａ）はＭＭＩ結合器の結合係数（ｋ）が０．７２の場合、図３（ｂ）はｋ＝０．５の場合、図３（ｃ）はｋ＝０．１５の場合の透過特性を示す図である。

図１に示すラダー干渉型波長フィルタの出力ポート前のＭＭＩ結合器のｋを０．７２、０．５及び０．１５に設定したときのバーポートへのλ_０の透過率を表わしている。バーポートへのλ_０の透過率は、ｋが小さくなるにつれて増大すると同時にクロスポートへの透過率は相対的に減少する。この場合、図３（ａ）に示すように、光結合器のｋを適切に設定することにより、フィルタスペクトル特性が平坦性を有することが分かる。この場合、シェイプファクタは０．４７となり、既存の０．３２より１．４６倍改善している。

（実施形態２）
図４は、本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態２を説明するための構成図で、図中符号４１は入力導波路、４２−1〜４２−Ｎは入力導波路側の光結合器、４３−１〜４３−Ｎはアレー導波路、４４は出力導波路、４５−1〜４５−Ｎは出力導波路側の光結合器を示している。

上述した図３（ａ）に示すフィルタスペクトルは、平坦性を有するものの、λ_０の透過率は、図２（ａ）に示すλ_０の透過率より７．２ｄＢ低いほか、フィルタのクロストークも増大し、消光比も４．５ｄＢ程度と比較的に小さい。また、スペクトルの平坦化に伴い、透過帯から阻止帯への遷移領域が若干広がり、ロールオフの急峻さが低下するという問題が残っている。

選択波長の透過帯で損失が増大した理由は、光結合器のｋが小さくなり、出力ポートへ結合する光成分が減少したことにある。この場合、透過帯での損失を最小化するためには、光結合器のｋを減少させることが有効であるものの、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すように、スペクトルの平坦性を失う問題が生ずる。従って、スペクトルの平坦性を保ちながら、選択波長の透過率が増大する設計が必要となるほか、クロストーク及びロールオフの改善が重要な課題になる。

これらの問題は、最後のアレー導波路とその手前のアレー導波路ラダー間で生じる光路長差のみをその前端までの光路長差より整数倍大きくすることで改善可能である。図４には、これらの問題点を解決したラダー干渉型フィルタの素子構造を示してある。

出力ポート前のアレー導波路のみｐ×ΔＳ（ｐは整数）に相当する過剰な光路長差が設けられ、Ｎ段目のラダー干渉計だけ（Ｎ−１）段目までのラダー干渉計の光路長差よりｐ倍の光路長差が発生する。つまり、この構成は一番右端のラダーのみ回折次数がｐ倍高いラダー干渉計である。但し、図４に示した実施形態２のように、正の過剰光路長差が設けられた場合、ｐは正となるが、負の過剰光路長差が設けられた場合、ｐは負となる。

図５は、図４に示した実施形態２に係るラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す図である。ここでは、回折次数１２０、アレー導波路数１５本（Ｎ＝１５）、λ_０＝１．５５μｍ、１４本目と１５本目のアレー導波路の光路長差は８×ΔＳになっている。出力導波路４４の光結合器のｋは０．１５と設定し、バーポートから出力した波長スペクトル特性である。点線で示す従来のラダー干渉型フィルタ特性と比較すると、λ_０の透過率は１ｄＢ程度低下したものの、平坦性スペクトル及びロールオフの改善が達成されている。この場合、シェイプファクタは０．５７と見積もられ、従来のラダー干渉型フィルタの０．３２より約１．８倍大きい。なお、入力導波路４１から入射した光が伝搬するについて光路長差が減少するラダー干渉計構造においても全く同様な結果が得られることは言うまでもない。

（実施形態３）
図６は、本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態３を説明するための構成図で、図中符号６１は入力導波路、６２−1〜６２−Ｎは入力側導波路の光結合器、６３−１〜６３−Ｎはアレー導波路、６４は出力導波路、６５−1〜６５−Ｎは出力側導波路の光結合器を示している。

上述した図５に示すラダー干渉型フィルタの波長スペクトルの消光比は、１２ｄＢ程度であり、比較的に小さい。しかし、ラダー干渉型フィルタの消光比は、光結合器のｋを分布的に変化させる（Apodization)ことにより増大することが可能である。図６には、光結合器のｋを分布的に変化させたラダー干渉型フィルタの概略図を示した。図６に示すように、ラダー干渉計で光結合率のApodization は、入力導波路側の光結合器６２−1〜６２−Ｎの結合率を任意のｋ_ａから任意のｋ_ｂ（ｋ_ａ＞ｋ_ｂ）まで減少させ、出力導波路側の光結合器６５−1〜６５−Ｎの結合率を上述したｋ_ｂからｋ_ａまで増大するように設定することにより達成する。図１に示すような通常のラダー干渉型フィルタの場合、光結合器のｋのApodization は、入力及び出力導波路側のすべての光結合器６２−1〜６２−Ｎ，６５−1〜６５−Ｎに対して行う。

一方、図６に示すラダー干渉型フィルタの場合、従来のラダー干渉型フィルタで用いたApodization の手法を適用すると、フィルタ消光比は増大するものの、本発明の素子の特徴である平坦性スペクトルが保たれるとは限らない。この場合、平坦性波長スペクトルを保ちながら、波長フィルタの消光比を増大するためには（Ｎ−１）段目までの光結合器に対して光結合器のｋのApodization を施し、Ｎ段目のラダー干渉計に接続されている光結合器のｋ_ａ及びｋ_ｂに対しては、平坦性スペクトルおよび選択波長の透過率が最大になるように適正化すれば良い。

以上のように、光結合器のｋのApodization の最適化のためには任意のｋが必要となる。上述した実施形態１で説明したラダー干渉型フィルタでは、光結合器としてＭＭＩ結合器を用いているが、ＭＭＩ結合器のｋは離散的な値に限られてしまうため、任意のｋを得ることには適していない。もし、光結合器として方向性結合器を用いれば、結合領域長や結合導波路間距離を調整することによって任意のｋが得られる。但し、通常の方向性結合器はリブ導波路あるいはリッジ導波路構造を有するため、光波の横方向に対する閉じ込めが弱くなる。従って、曲げ導波路が必要となるアレー導波路領域の極率半径が比較的に大きくなり、素子サイズが大きくなることが懸念される。

これらの問題は、ハイメサ導波路構造を用いるマッハ・ツェンダー干渉計を用いることにより解決可能である。
図７は、本発明の実施形態３に係わるマッハ・ツェンダー干渉計の光結合器の概略図で、図中符号７１は光導波路、７１ａは屈折率変化領域、７２は３ｄＢ結合器を示している。この図７には、２つのＭＭＩ結合器を含むマッハ・ツェンダー干渉計の構造を示している。通常、マッハ・ツェンダー干渉計では、２本のアームの光路長が等しい場合、入力ポートから入射した光波はすべてクロスポートに出力する（ｋ＝１）。しかしながら、図７に示すように、片方のマッハ・ツェンダー干渉計のアームに屈折率変化領域７１ａを設けると、光導波路の実効屈折率が異なるため、２本のアーム間の光路長が異なり、バーポートにもその光路長差に応じて光が出力する。

図７に示す屈折率変化領域７１ａを構成するためには、熱、電圧印加あるいは電流注入構造を設けて屈折率を制御する方法があるほか、導波路幅が光波の伝搬方向に対して分布的に変化するテーパ導波路構造を設ける方法が考えられる。

前者の場合、電極形成に伴い、素子構造が複雑になる問題があるが、必要に応じて光結合器のｋを制御できる利点がある。バンドギャップ波長（λ_ｇ）１．４μｍのコア層、導波路幅（Ｗ）１．６μｍ及び電極長１００μｍのハイメサ導波路構造を用いた場合、マッハ・ツェンダー干渉計の光結合器のｋは、０．２３％程度の屈折率変化で１から０まで変化することが確認された。

後者の場合、導波路幅を光の伝搬方向に対して変調するテーパ導波路構造では電流注入などによる屈折率変化（Δｎ）より大きいΔｎが得られるため、マッハ・ツェンダー干渉計のアーム長が短縮できることからコンパクトな光結合器が形成可能な利点がある。λ_０ｇ＝１．４μｍのコア層、Ｗ＝１．６μｍ及びテーパ導波路領域長を５０μｍのハイメサ導波路構造を用いた場合、テーパ導波路幅の変調量（ΔＷ）に対するマッハ・ツェンダー干渉計の光結合器のｋを図８に示す。

図８は、図７に示した実施形態３で用いたマッハ・ツェンダー干渉計の光結合器のテーパ導波路幅変調量に対する結合係数を示す図である。Ｗ＝１．６μｍの場合、ΔＷを０．５５μｍまで変化させることにより、マッハ・ツェンダー干渉計光結合器のｋは、１から０まで変化することが確認された。但し、図８はテーパ領域で導波路幅が直線的に変化した場合である。

図９は、図６に示した実施形態３で説明したラダー干渉型波長フィルタの特性図で、光結合器のｋを分布的に変化させたラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示している。この場合、入力及び出力導波路側の光結合器６２−1〜６２−Ｎ，６５−1〜６５−Ｎのｋ_ａ及びｋ_ｂは出力ポートへ伝搬するにつれて線形的に減少及び増加させている。なお、図６に示すｋ_ｃ及びｋ_ｄにおいては、平坦性スペクトル及び選択波長の透過率が最大になるように適正化した。図９に示すように、光結合器のｋのApodization を施した場合、平坦性波長スペクトル（シェイプファクタ＝０．５）を保ちながら、消光比が２２ｄＢに増大することが確認できた。

（実施形態４）
図１０は、本発明のラダー干渉型波長可変フィルタの実施形態４を説明するための構成図で、図中符号１０１は入力導波路、１０１ａは入力導波路側の屈折率制御用電極、１０２−1〜１０２−Ｎは入力側導波路の光結合器、１０３−１〜１０３−Ｎはアレー導波路、１０４は出力導波路、１０４ａは出力導波路側の屈折率制御用電極、１０５−1〜１０５−Ｎは出力側導波路の光結合器を示している。

図１０に示した実施形態４では、波長可変動作のために、屈折率制御用電極１０１ａ，１０４ａによる電流注入構造を設けたラダー干渉型波長可変フィルタの構造である。アレー導波路１０３−１〜１０３−Ｎの過剰光路長差による平坦性波長スペクトルを波長可変動作時、一定に保つためには過剰光路長差を与えているラダー干渉計間の電極長を最適化しなければいけない。この場合、図１０に示す電極長Ｌ_ａ及びＬ_ｂは次式のように決まる。
Ｌ_ａ＝ｐ×Ｌ_１
Ｌ_ｂ＝ｐ×Ｌ_２（Ｌ_１＝Ｌ_２）

つまり、過剰光路長変化分（ｐ×ΔＳ）に比例して電極長を調整することにより、波長可変動作時、平坦性波長スペクトルを一定に保つことが可能になる。なお、本発明のラダー干渉型波長可変フィルタの場合、従来のＡＷＧ型波長可変フィルタに比べ、比較的に小さい電極面積を有する。ＡＷＧ型波長可変フィルタの場合、総電極面積は、Ｎ×（Ｎ−１）×１／２（Ｎはアレー導波路本数）に比例することに対し、本発明の素子の総電極面積は、（Ｎ＋ｐ−２）に比例し、従来のＡＷＧ型波長可変フィルタの１／５以下の総電極面積を有し、消費電力の低減や発熱の問題を回避できる。

図１１は、図１０に示した実施形態４で用いたラダー干渉型波長可変フィルタのエピタキシャル基板の層構造を示す図で、図中符号１１１はＩｎＰ基板、１１２はｎ型ＩｎＰ層、１１３はＧａＩｎＡｓＰ層（λｇ＝１．４μｍ）、１１４はｐ^--ＩｎＰ層、１１５はｐ⁺-ＩｎＰ層、１１６はｐ⁺-ＩｎＧａＡｓ層を示している。

ｎ型ＩｎＰ基板１１１上に、ｎドープＩｎＰ層１１２と、厚さ０．５μｍのノンドープＧａＩｎＡｓＰ層１１３と、厚さ１．２μｍのｐ⁻ドープＩｎＰ層１１４と、厚さ０．３μｍのｐ^＋ドープＩｎＰ層１１５と、厚さ３０ｎｍのｐ^＋ドープＩｎＧａＡｓ層１１６が成膜されている。ｐ^＋ドープＩｎＧａＡｓ層１１６上及びｎ型ＩｎＰ基板１１１の裏面にそれぞれＡｕＺｎＮｉ電極及びＡｕＧｅＮｉ電極を形成している。

また、ｎドープＩｎＰ層１１２のドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３で、ｐ⁻ドープＩｎＰ層１１４のドーピング濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３で、ｐ^＋ドープＩｎＰ層１１５のドーピング濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３で、ｐ^＋ドープＩｎＧａＡｓ層１１６のドーピング濃度は８×１０^１８ｃｍ^−３である。

図１２（ａ），（ｂ）は、図１０に示した実施形態４で説明したラダー干渉型波長可変フィルタの特性図で、図１２（ａ）は、屈折率制御電極長を適正化していない場合、図１２（ｂ）は、屈折率制御電極長を適正化した場合の透過特性を示す図である。

この場合、Ｌ_１及びＬ_ａ電極に電流を注入すると、λ_０は短波長側にシフトし、Ｌ_２及びＬ_ｂ電極に電流を注入すると、λ_０は長波長側にシフトする。但し、入力導波路から入射した光が伝搬するについて光路長差が減少するラダー干渉計の場合は、Ｌ_１及びＬ_ａ電極に電流を注入すると、λ_０は長波長側にシフトし、Ｌ_２及びＬ_ｂ電極に電流を注入すると、λ_０は短波長側にシフトする。

図１２（ａ）に示すように、Ｌ_ａ及びＬ_ｂ電極長が適正化しないと、波長可変動作時に波長スペクトルが崩れ、平坦性スペクトルを示さなくなるほか、シェイプファクタも大きく減少してしまう問題がある。一方、図１２（ｂ）に示すように、Ｌ_ａ及びＬ_ｂ電極長を過剰光路長変化分に合わせて適正化すると、平坦性スペクトルが歪まずに、同一のシェイプファクタを保ちながら、電流注入量に従って２００ＧＨｚ間隔で波長可変できることが確認できた。

一方、上述したラダー干渉型波長フィルタは、回折次数だけを適切に調整することにより、平坦性フィルタの透過帯域が数十ｎｍに及ぶ波長範囲まで拡張可能であり、バンド単位合分波のような光信号処理で重要な役割を果たす。このような特徴は、既存のリング共振器を用いた波長フィルタでは実現困難である。この場合、平坦性スペクトルを示す本発明の素子の条件は、ラダー干渉計の回折次数に依存しないので、いずれの回折次数に対しても、同一条件にて平坦性波長スペクトルを実現することができる。

図１３は、図１０に示した実施形態４で説明したラダー干渉型波長可変フィルタの特性図で、回折次数を７に設定したときのラダー干渉型波長可変フィルタの波長スペクトルを示す。図１３に示すように、波長可変動作時にシェイプファクタは０．５５と一定であり、電流注入量に従って２．５ＴＨｚ間隔で波長可変動作可能であることが確認できた。

本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態１を説明するための構成図である。図１に示した実施形態１で説明したラダー干渉型波長フィルタのＭＭＩ結合器の特性図で、（ａ）はＭＭＩ結合器のクロスポート、（ｂ）はＭＭＩ結合器のバーポートでの透過特性を示す図である。図１に示した実施形態１で説明したラダー干渉型波長フィルタのＭＭＩ結合器のバーポートでの特性図で、（ａ）はＭＭＩ結合器の結合係数（ｋ）が０．７２の場合、（ｂ）はｋ＝０．５の場合、（ｃ）はｋ＝０．１５の場合の透過特性を示す図である。本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態２を説明するための構成図である。図４に示した実施形態２に係るラダー干渉型フィルタの波長スペクトル特性を示す図である。本発明のラダー干渉型波長フィルタの実施形態３を説明するための構成図である。本発明の実施形態３に係わるマッハ・ツェンダー干渉計の光結合器の概略図である。図７に示した実施形態３で用いたマッハ・ツェンダー干渉計光結合器のテーパ導波路幅変調量に対する結合係数を示す図である。図６に示した実施形態３で説明したラダー干渉型波長フィルタの特性図である。本発明のラダー干渉型波長可変フィルタの実施形態４を説明するための構成図である。図１０に示した実施形態４で用いたラダー干渉型波長可変フィルタのエピタキシャル基板の層構造を示す図である。図１０に示した実施形態４で説明したラダー干渉型波長可変フィルタの特性図で、（ａ）は屈折率制御電極長を適正化していない場合、（ｂ）は屈折率制御電極長を適正化した場合の透過特性を示す図である。図１０に示した実施形態４で説明したラダー干渉型波長可変フィルタの特性図で、回折次数を７に設定したときのラダー干渉型波長可変フィルタの波長スペクトルを示す図である。従来のＡＷＧ型波長可変フィルタの概略図である。ラダー干渉型波長可変フィルタの伝達行列を説明するための図で、（ａ）は従来の素子構造、（ｂ）は本発明の素子構造を示す図である。

符号の説明

１１入力導波路
１２−1〜１２−Ｎ入力導波路側の光結合器
１３−１〜１３−Ｎアレー導波路
１４出力導波路
１５−1〜１５−Ｎ出力導波路側の光結合器
４１，６１，１０１入力導波路
４２−1〜４２−Ｎ，６２−1〜６２−Ｎ、１０２−1〜１０２−Ｎ入力側導波路の光結合器
４３−１〜４３−Ｎ，６３−１〜６３−Ｎ，１０３−１〜１０３−Ｎアレー導波路
４４，６４，１０４出力導波路
４５−1〜４５−Ｎ，６５−1〜６５−Ｎ、１０５−1〜１０５−Ｎ出力側導波路の光結合器
７１光導波路
７１ａ屈折率変化領域
７２３ｄＢ結合器
１０１ａ入力導波路側の屈折率制御用電極
１０４ａ出力導波路側の屈折率制御用電極
１１１ＩｎＰ基板
１１２ｎ型ＩｎＰ層
１１３ＧａＩｎＡｓＰ層（λｇ＝１．４μｍ）
１１４ｐ^--ＩｎＰ層
１１５ｐ⁺-ＩｎＰ層
１１６ｐ⁺-ＩｎＧａＡｓ層
１４１入力導波路
１４２入力側スラブ導波路
１４３アレー導波路
１４４電極
１４５出力側スラブ導波路
１４６出力導波路
１５１ａ，１５１ｂ入力導波路
１５２ａ−１〜１５２ａ−Ｎ入力導波路側の光結合器
１５３ａ−１〜１５３ａ−Ｎ，１５３ｂ−１〜１５３ｂ−Ｎアレー導波路
１５４ａ，１５４ｂ出力導波路
１５５ｂ−１〜１５５ｂ−Ｎ出力導波路側の光結合器

Claims

一対の入力導波路及び出力導波路と、該入力導波路及び出力導波路に一定の間隔で配置された光結合器と、該光結合器を介して前記入出力導波路間を接続するＮ個（Ｎ；２以上の自然数）のアレー導波路とを備え、入射端から出射端までの長さが入射端側に接続された前記アレー導波路を経路から順番に同じ長さの差で増加あるいは減少するようなラダー干渉計の構造で構成され、前記光結合器は、ＭＭＩ結合器または方向性結合器であり、前記光結合器のうち、入力導波路側の光結合器は、入力導波路から見て結合係数の小さい方のポートからアレー導波路に光を取り出し、出力導波路側の光結合器は、１段目からＮ−１段目までのアレー導波路を接続する光結合器はアレー導波路から見て結合係数の小さい方のポートから光を取り出し、Ｎ段目のアレー導波路を接続する光結合器はアレー導波路から見て結合係数の大きい方のポートから光を取り出すことを特徴とする波長フィルタ。
前記アレー導波路のうち、Ｎ段目のアレー導波路と（Ｎ−１）段目のアレー導波路におけるラダー干渉計で生じる光路長差のみを、前記同じ長さの差より整数倍（０倍、１倍を除く）大きくあるいは小さく設定することを特徴とする請求項１に記載の波長フィルタ。
前記１段目から（Ｎ−１）段目まで光結合器のうち、入力導波路側の光結合器の結合率を任意のＫａから任意のＫｂ（Ｋａ＞Ｋｂ）まで減少させ、出力導波路側の光結合器の結合率を前記Ｋｂから前記Ｋａまで増加させるように設定し、フィルタスペクトルの低クロストーク及び低損失が得られることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長フィルタ。
請求項１，２又は３に記載の波長フィルタにおいて、熱，電圧印加あるいは電流注入により、前記入出力導波路の屈折率を変化させることで選択波長が可変となり、前記屈折率が変化する領域長を前記アレー導波路間の光路長差に比例して調整することにより、波長可変動作の際に平坦性スペクトル波長特性が一定に保たれることを特徴とする波長可変フィルタ。