JP4554209B2

JP4554209B2 - 光フィルタ

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Publication number: JP4554209B2
Application number: JP2003538791A
Authority: JP
Inventors: リチャードマイケルジェンキンス
Original assignee: Qinetiq Ltd
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 2001-10-20
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: WO2003036352A3; AU2002334121A1; DE60218325D1; US20040240775A1; EP1436657A2; GB0125265D0; US6973240B2; DE60218325T2; JP2005506572A; EP1436657B1; WO2003036352A2

Description

本発明は、光フィルタに関する。

光学分野において、波長フィルタリング、すなわち多数のスペクトル成分から構成される信号からの特定の波長の光信号を抽出することは重要な機能である。例えば、光通信の分野では、波長フィルタリングにより特定の光通信チャンネルが複数の波長多重チャンネルから抽出でき、更にそのチャンネルを増幅、経路指定、又は復調処理できる。光通信の分野では、フィルタリング及び他の操作を行うための構成部品は、光ファイバ又は半導体導波路内に光が導かれる集積光システムに他の光デバイスと一緒に組み込む必要がある。このような集積光システム内でフィルタリングを行うために現在使用されているデバイスとしては、ブラッグ格子、ファブリーペロー及びマッハ・ツェーンダ干渉計、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）、及び音響光学フィルタを挙げることができる。このようなデバイスは複雑であり製造時に相当多くの処理を必要とするので、これらを組み込んだ集積光システムは高価であり製造するのに時間がかかる。例えば、これらのデバイスは、Ｒ．Ｒａｍａｓｗａｍｉ及びＫ．Ｎ．Ｓｉｖａｒａｊａｎによる「光ネットワーク−実用の展望」（モーガンカウフマン出版社１９９８年ＩＳＢＮ１−５５８６０−４４５−６）という文献に説明されている。

また、従来、多モード導波路におけるセルフイメージング効果に基づく光フィルタは公知である。例えば、米国特許第５、８６２、２８８号には、多モード導波路内で距離Ｌ＝ｗ²／ｍλ₀にわたる入力光フィールド分布の１対１イメージングの原理に基づくフィルタが説明されており（図１参照）、ここで、ｗは多モード導波路の幅、ｍλ₀は導かれる平面波放射エネルギの波長であり、この波長は他の波長の放射エネルギに優先してフィルタを通過する。ｍは正の整数である。このようなフィルタを製造するのは容易であり、他の光デバイス及び光電子デバイスと一体化される。

後者のタイプのフィルタに関連する問題点は、フィルタの透過関数が波長ｍλ₀及び（ｍ＋１）λ₀に対応する各透過率ピークの間に相当量の構成要素（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を含むこと、すなわち、このようなフィルタの透過率は複数のスペクトル成分から抽出する必要がある各透過率ピークの間の波長においてゼロではない点にある。このような構成要素は、フィルタリング性能を低下させ、特定のフィルタリング用途では容認できない。

米国特許第５、８６２、２８８号公報Ｒ．Ｒａｍａｓｗａｍｉ及びＫ．Ｎ．Ｓｉｖａｒａｊａｎ著「光ネットワーク−実用の見通し」（モーガンカウフマン出版社１９９８年ＩＳＢＮ１−５５８６０−４４５−６）

本発明の目的は、多モード導波路のセルフイメージング効果に基づくフィルタに関連する問題点を解決するか、又は少なくとも改善することである。

本発明の第１の態様によると、この目的は、
（ａ）多モード導波路と、
（ｂ）それぞれの端部で多モード導波路とつながり、多モード導波路の横断面の中心に配置される第１の連結導波路（２２；３２２）及び第２の連結導波路（２４；３２４）と、
を備える光フィルタであって、
多モード導波路の長さは、連結導波路の最も低い次数の横モードであり、第１の連結導波路を経由して多モード導波路に導入される光フィールド分布が、第１の連結導波路から隔たった多モード導波路の端部で多モード導波路の中心縦軸上で実質的に再現されると共に、第２の連結導波路に連結されるような長さであり、特定の波長の放射エネルギが多モード導波路内のモード分散及び相互モード干渉によって他の波長の放射エネルギに優先してフィルタを通過するようになっており、
フィルタは、光フィールドの１対Ｎ方式の強度分割が生じる多モード導波路内の長手方向位置にＮ個の開口を与える手段を更に備え、各々の開口の中心は、分割が生じる場合に局所的な光強度最大値が発生する多モード導波路内の横方向位置に置かれることを特徴とするフィルタによって達成される。

多モード導波路の長さはｐｗ₂ ²／λであってもよく、ここでｐは正の整数であり、ｗ₂は多モード導波路の幅である。本発明のフィルタの透過関数の透過率ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、多モード導波路の長さが長くなると小さくなる。更に、これは波長ｍλ₀及び（ｍ＋１）λ₀に対応する各ピークの間でフィルタの透過関数に（ｐ−１）の透過率ピークを与える。
連結導波路の幅ｗ₁及び幅ｗ₂は、ｗ₂／ｗ₁＞８であるのが好ましい。これはフィルタ透過関数の透過率ピークの低減されたＦＷＨＭを与える。

本発明の第２の態様によると、本発明の第１の態様によるフィルタによって特徴付けされたレーザー発振器が提供される。このようなレーザー発振器は、フィルタの透過関数によって固定されたスペクトル特性をもった出力を有する。

本発明の第３に態様によると、放射エネルギ源を備え、本発明の第１の態様によるフィルタによって特徴付けされた光デバイスが提供される。このようなデバイスは、放射エネルギ源単独のスペクトル幅よりも狭いスペクトル幅をもった放射エネルギを出力する。
以下に添付図面を参照して例示的な本発明の実施形態を説明する。

図１及び図２を参照すると、全体として１０で示される従来技術の波長フィルタの平面図及び透視図の各々が示されており、このフィルタ１０は他の波長の放射エネルギに優先してフィルタ内で波長ｍλ₀をもつ放射エネルギを通す。ｍは整数、λ₀は１μｍである。デバイス１０は、半導体デバイス製造の当業者にはよく知られている方法で作られ、ｘ−ｙ−ｚ方向を定める座標系１１を基準としている。デバイス１０は、厚さ２．０μｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓの被覆層１４及び１８、厚さ１．０μｍのＧａＡｓコア層１６、及び厚さ０．１μｍのＧａＡｓキャッピング層１９により形成される。層１４、１６、１８、１９はＧａＡｓ基板１２上に支持される。層１４、１６、１８はｘ方向に単一モード化されたスラブ導波路を形成する。

デバイス１０は、層１６、１８、１９、及び層１４の一部分を組み込んだ隆起構造２０（エッチングによって形成される）を有する。隆起構造２０は、デバイス１０の端部領域３２、３４にそれぞれ対応する幅ｗ₁＝２μｍの端部領域２２、２４と、デバイス１０の中心領域３６に対応する幅ｗ₂＝４μｍの中心領域２６とを有する。隆起構造２０の端部領域２２、２４の幅ｗ₁は、それらの領域に導かれると共にデバイス１０内で約１μｍの波長を有する光放射エネルギが、ｘ方向及びｙ方向の両方で単一モードになるような幅である。すなわち、デバイス１０の端部領域３２、３４は単一モードの導波路である。隆起構造２０の中心領域２６の幅ｗ₂は、デバイス１０内に導かれると共にデバイス１０内で約１μｍの波長を有する光放射エネルギが、ｙ方向で概して多モードになるような幅である。すなわち、デバイス１０の中心領域３６は端部１７、１９を有する多モード導波路である。

隆起構造２０の端部領域２２、２４は、隆起構造の中心領域２６の横断面の中心であってその中心縦軸１３上に配置される。隆起構造２０の中心領域２６は、長さＬ＝ｗ₂ ²／λ₀＝１６μｍを有する。隆起構造２０の中心領域２６は、ｘ−ｙ平面３３及び３５でそれぞれ端部領域２２、２４と交わる。フィルタ１０は、光放射エネルギがフィルタ１０に導入される入口側ｘ−ｙ平面３７と、光放射エネルギがフィルタ１０を出ていく出口側ｘ−ｙ平面３９とを有する。ｚ方向における端部領域２２、２４の長さは、任意の適切な値を選ぶことができ、フィルタ１０は、増幅器や変調器といった他の素子及びデバイスと一緒に単一の集積光チップ上に組み込むことができる。

フィルタ１０は以下のように作動する。入力光放射エネルギは、図２の矢印４０で示すように、実質的にｚ方向において入口側ｘ−ｙ平面３７で層１６に導入される。入力光放射エネルギは、該入力光放射エネルギの他のスペクトル成分に優先してフィルタ１０を通過することになる、フィルタ１０内で波長ｍλ₀を有するスペクトル成分を含む。入力光放射エネルギは、ｘ方向及びｙ方向の両方で単一モードである光フィールドとしての層１６内に実質的に導かれて、デバイス１０の端部領域３２でｚ方向に伝搬する。光フィールドがｘ−ｙ平面３３でフィルタ１０の中心領域３６に入る場合、入力光放射エネルギの各々のスペクトル成分は、その領域内で複数のＥＨ_1,j横モードを励起するが、ｊはｙ方向におけるモード指標を示すと共に奇数の整数に等しい。従って、中心領域（多モード導波路）３６の対称モードだけが励起される（デバイス１０ではｎ_eff＝３．５）。

フィルタ１０内で波長λ_iを有する入力光放射エネルギのスペクトル成分は、自由空間において波長λ_i´＝λ_iｎを有し、ｎは層１６内の平面波の屈折率である。例えば、フィルタ１０内で波長λ₀＝１μｍを有する入力光放射エネルギのスペクトル成分は、自由空間では波長λ₀´＝λ₀ｎ＝３．５μｍを有する。

中心領域３６内のモード分散及び相互モード干渉の結果として、波長λ₀のスペクトル成分のｙ方向における強度分布は、図３に示すように、デバイス１０の中心領域３６に沿うｚ方向の距離によって変化する。図３を参照すると、波長λ₀を有するスペクトル成分に関する光フィールドのｘ−ｙ平面３３でのｙ方向の強度分布４０は、中心導波路領域３６のＥＨ_1,1横モードである。中心領域３６内のモード分散及び相互モード干渉の結果として、このフィールド分布はｘ−ｙ平面３５で実質的に再現されるので、デバイス１０の端部領域３４に効率的に結合する。フィルタ１０内でｍが整数である

以外の波長を有するスペクトル成分の場合、ｘ−ｙ平面３３での強度分布４０はｘ−ｙ平面３５では再現されないので、デバイス１０の端部領域３４にスペクトル成分が結合される効率は、スペクトル成分

に関する効率に比べて低減される。例えば、デバイス内で波長λ₁＞λ₀（≠ｍλ₀）を有するスペクトル成分は、ｘ−ｙ平面３３でのスペクトル成分のＥＨ_1,1横モード分布がｘ−ｙ平面３５で再現されるように、フィルタ１０の中心領域３６がｗ₂ ²／λ₁＜ｗ₂ ²／λ₀の長さを有することを必要とするであろう。同様に、波長λ₂＜λ₀（≠ｍλ₀）を有するスペクトル成分は、ｘ−ｙ平面３３でのスペクトル成分のＥＨ_1,1横モード分布がｘ−ｙ平面３５で再現されるように、フィルタ１０の中心領域３６がｗ₂ ²／λ₂＞ｗ₂ ²／λ₀の長さを有することを必要とするであろう。つまり、フィルタ１０は、入力放射エネルギの波長ｍλ₀のスペクトル成分を他のスペクトル成分に優先して通過させるフィルタリング機能を果たす。

図４を参照すると、領域０−２μｍにおけるフィルタ１０の透過率は入力放射エネルギの波長（フィルタ１０内の）の関数として曲線５０によって示される。曲線５０は、波長に対して周期的であり、入力放射エネルギにおける波長ｍλ₀（ｍは整数）は、実質的に１００％の効率でフィルタ１０を通過する。曲線５０の５１のような透過率ピークは約５６０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。

従来技術の別の波長フィルタは、隆起構造２０の端部領域２２、２４がｙ方向に単一モードの導波路ではなくｙ方向に多モードの導波路であることを除いて、フィルタ１０と同様の構造を有している。このデバイスの作動時に、入力光放射エネルギは、最も低い次数の横モードのみがデバイスの端部領域３２で励起されるようにｘ−ｙ平面３７に導入される。

図５を参照すると、領域０−２μｍにおける別の従来技術の波長フィルタに関する透過率対入力波長が曲線５５によって示されており、フィルタは、ｗ₂＝８μｍを除いてフィルタ１０と同様の構造を有している。曲線５５は波長に対して周期的であり、入力放射エネルギ内の波長ｍλ₀（ｍは整数）は、実質的に１００％の効率で通過する。５６のような透過率ピークは約１５０ｎｍのＦＷＨＭを有する。

図６を参照すると、領域０−２μｍにおける従来技術の更に別の波長フィルタに関する透過率対入力波長が曲線６０によって示されており、フィルタは、ｗ₂＝１６μｍを除いてフィルタ１０と同様の構造を有している。曲線６０は波長に対して周期的であり、波長ｍλ₀（ｍは整数）は実質的に１００％の効率で通過する。６１のような透過率ピークは、約３４ｎｍのＦＷＨＭを有する。

図７を参照すると、領域０−２μｍにおける従来技術の更に別の波長フィルタに関する透過率対入力波長が曲線６５によって示されており、デバイスは、ｗ₂＝１６μｍ及びＬ＝４ｗ₂ ²／λ₀＝６４μｍを除いてフィルタ１０と同様の構造を有している。曲線６５は波長に対して周期的であり、波長ｍλ₀／４（ｍは整数）は実質的に１００％の効率で通過する。６６のような透過率ピークは、約３４ｎｍのＦＷＨＭを有する。

透過率曲線５５、６０、６５は、５７、６２、６７のようなサイドローブを有する。このようなサイドローブは特定のフィルタリング用途では容認できない。

図４−図７から、１０のような本発明のフィルタの透過率ピークのＦＷＨＭは、ｗ₂／ｗ₁の値を変えるようにフィルタ構造を変えることによって様々であることが分かる。透過率ピークのＦＷＨＭは（ｗ₁／ｗ₂）²に比例する。

実質的に１００％の効率でフィルタを通過する波長の数は、フィルタの中心領域の長さを長くすることによって増加させることができ、長さｐｗ₂ ²／λ₀の中心領域を有するフィルタは、実質的に１００％の効率で波長ｍλ₀／ｐを有する入力放射エネルギのスペクトル成分を通過させることができる（ｍ及びｐは整数である）。また、中心領域の長さを長くすると、フィルタの透過関数の透過率ピークのＦＷＨＭが低減する。

図８を参照すると、全体として３００で表されている本発明の光フィルタが示されている。フィルタ３００は、フィルタ１０と同様の構造及び寸法を有する。フィルタ３００は、フィルタ３００の多モード導波路３２６中にエッチング溝によって形成された３組の開口３１５Ａ、３１５Ｂ、３１５Ｃを有する。溝は、それらがフィルタ３００のコア導波路層を完全に貫通するような深さを有する。開口セット３１５Ａ及び３１５Ｃの各々は、多モード導波路３２６の各端部３１９、３１７からｗ₂ ²／３λ₀の距離に配置され、その中心がフィルタの多モード導波路３２６の片側からｗ₂／６、ｗ₂／２、及び５ｗ₂／６の距離にそれぞれ位置合わせされた３つの開口を有する。開口セット３１５Ｂは、多モード導波路３２６の各々の端部３１７、３１９からｗ₂ ²／２λ₀の距離に配置され、多モード導波路３２６の片側からｗ₂／４及び３ｗ₂／４の距離に２つの開口を有する。溝は、例えば、集束イオンビームエッチングのような任意の適切な半導体処理方法によって形成することができる。

再び図３を参照すると、３組の開口３１５Ａ、３１５Ｂ、３１５Ｃのｚ位置は、波長λ₀の入力放射エネルギの１対２及び１対３方式の分割が起きる多モード導波路３２６のｚ位置と一致することが分かるであろう。各々の開口の中心は、対応するｚ位置での強度分布における局所的な最大値が生じる導波路３２６内の横方向位置に置かれる。

開口セット３１５Ａ、３１５Ｂ、３１５Ｃは、フィルタ３００の透過関数のサイドローブ（図５、６、及び７のそれぞれ５７、６２、６７のような）の抑制をもたらすので、フィルタ３００に高度のフィルタリング性能を与える。サイドローブは、入力強度分布の１対Ｎ方式の分割が生じる多モード導波路３２６内の他のｚ位置に開口を追加的に設けることで更に抑制できる。また、サイドローブの抑制は、このような開口を適切に配置することによって、長さｐｗ₂ ²／λ₀（ｐは整数）の多モード導波路を有する本発明のフィルタにおいても実現できる。

本発明の波長フィルタは、レーザー発振器を作るために変更することができる。例えば、デバイス１０は、隆起構造２０の一部又は全ての領域２２、２４、２６内の光増幅素子と、それぞれｘ−ｙ平面３７、３９と交わる領域２２、２４の端部の光フィードバック手段（例えば、劈開によって形成された鏡面）とを備えるように変更できる。このようなレーザー発振器は、共振子を形成する波長フィルタデバイスによって定められたスペクトル出力を有する。

本発明のフィルタは、放射エネルギ源と組み合わせて、放射エネルギ源自体のスペクトル幅よりも狭いスペクトル幅を有する放射エネルギを出力する光デバイスを作ることができる。

従来技術の波長フィルタの平面図である。従来技術の波長フィルタの斜視図である。図１及び図２のフィルタの一部分内の距離の関数としての光フィールドの空間分布を示す。図１及び図２のフィルタに関する入力放射エネルギの透過率対波長のグラフである。従来技術の別の波長フィルタにおける入力放射エネルギの透過率対波長のグラフである。従来技術の別の波長フィルタにおける入力放射エネルギの透過率対波長のグラフである。従来技術の別の波長フィルタにおける入力放射エネルギの透過率対波長のグラフである。本発明の波長フィルタの平面図を示す。

符号の説明

３００光フィルタ
３１４Ａ開口
３１４Ｂ開口
３１４Ｃ開口
３２２第１の連結導波路
３２４第２の連結導波路
３２６多モード導波路

Claims

多モード導波路と、当該多モード導波路の両端の横断面の中央にそれぞれ接続されて当該多モード導波路にそれぞれ入力部及び出力部を与える第１及び第２の連結導波路とを有する光フィルタであって、
ａ）前記多モード導波路の長さは、前記連結導波路の最も低い次数の横モードであり、前記入力部を経由して前記多モード導波路に導入される特定の放射エネルギの波長での入力光フィールドの分布が、出力部において実質的に再現されると共に前記第２の連結導波路に連結されるような長さであり、特定の波長の放射エネルギが前記多モード導波路内の放射エネルギの経路に沿ってモード分散及び相互モード干渉によって他の波長の放射エネルギに優先してフィルタを通過するようになっており、
ｂ)前記多モード導波路の内部には、Ｎ個の開口が横向きに多モード導波路の横断面内に存在するように設けられ、
ｃ)前記各開口は、前記多モード導波路内の放射エネルギの経路に沿った長手方向の、入力光フィールドの分布のＮ個の強度最大値への分割が生じる位置に設けられ、前記各開口は、前記強度最大値の１つの放射エネルギを前記多モード導波路の長手方向に沿って伝送するように構成されている、
ことを特徴とする光フィルタ。
前記多モード導波路は、ｐｗ₂ ²／λの長さを有し、ｐは正の整数、ｗ₂は前記多モード導波路の幅、λは、他の波長の放射エネルギに優先して前記フィルタを通過する放射エネルギに関する前記多モード導波路のコア層内での波長であることを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。
前記Ｎ個の開口は第１の開口の組を構成するとともに、さらに前記多モード導波路の長手方向の当該第１の開口の組とは異なる位置に設けられた他の開口の組が設けられ、当該他の開口の組が設けられた位置は、入力光フィールドの分布の複数の強度最大値への分割が生じる位置であり、前記他の開口の組の各開口は、複数の強度最大値のうちの１つの放射エネルギを前記多モード導波路の長手方向に沿って伝送するように構成されている、請求項１又は２に記載の光フィルタ。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光フィルタを有するレーザー発振器。
放射エネルギ源及び請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光フィルタを有する光デバイス。
放射エネルギ源から第１の連結導波路を経由して入力放射エネルギを受け入れ第２の連結導波路を通して放射エネルギを出力するように多モード導波路を構成することを含み、特定の波長の放射エネルギを他の波長に優先して通過させる光学的なフィルタリングを行う方法であって、
ａ）前記第１及び第２の連結導波路は、前記多モード導波路の両端の横断面の中央にそれぞれ接続されて当該多モード導波路にそれぞれ入力部及び出力部を与え、
ｂ）前記多モード導波路の長さは、前記連結導波路の最も低い次数の横モードであり、前記入力部を経由して前記多モード導波路に導入される特定の放射エネルギの波長での入力光フィールドの分布が、出力部において実質的に再現されると共に前記第２の連結導波路に連結されるような長さであり、
ｃ）特定の波長の放射エネルギを、前記多モード導波路内の放射エネルギの経路に沿ってモード分散及び相互モード干渉によって他の波長の放射エネルギに優先してフィルタを通過させ、
ｄ）前記多モード導波路の内部には、Ｎ個の開口が横向きに多モード導波路の横断面内に存在するように設けられており、
ｅ）前記各開口は、前記多モード導波路内の放射エネルギの経路に沿った長手方向の、入力光フィールドの分布のＮ個の強度最大値への分割が生じる位置に設けられ、前記各開口が、前記強度最大値の１つの放射エネルギを前記多モード導波路の長手方向に沿って伝送する、
ことを特徴とする方法。
前記多モード導波路は、ｐｗ₂ ²／λの長さを有し、ｐは正の整数、ｗ₂は前記多モード導波路の幅、λは、他の波長の放射エネルギに優先して前記フィルタを通過する放射エネルギに関する前記多モード導波路のコア層内での波長であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記Ｎ個の開口は第１の開口の組を構成するとともに、さらに前記多モード導波路にはその長手方向の当該第１の開口の組とは異なる位置に設けられた他の開口の組が設けられ、当該他の開口の組が設けられた位置は、入力光フィールドの分布の複数の強度最大値への分割が生じる位置であり、前記他の開口の組の各開口は、複数の強度最大値のうちの１つの放射エネルギを前記多モード導波路の長手方向に沿って伝送するように構成されている、請求項６又は７に記載の方法。