JP6699294B2 - 光フィルタ、及び狭線幅波長光源 - Google Patents

Description

本発明は、光フィルタ、及び狭線幅波長光源に関する。

近年、光集積回路技術を用いた光フィルタの開発が進められている。光集積回路技術を用いた光フィルタとして、非特許文献１に開示されたものが知られている。図５に、非特許文献１に開示された光フィルタ８０を示す。光フィルタ８０は、マッハツェンダ干渉計を用いた光フィルタであり、入力光の光周波数に依存して出力ポートが切り替わる。

図５に示すように、光フィルタ８０は、導波路８２、８４、薄膜ヒータ９６、３ｄＢカプラ８６、８８、入力導波路９０、及び出力導波路９２、９４を含んで構成されている。
入力導波路９０から入力された入力光Ｐｉは、３ｄＢカプラ８６で２つに分岐された後、各々導波路８２、８４を伝播する。導波路８２、８４の各々を伝播した光は３ｄＢカプラ８８で再び合波され、導波路８２、８４の経路差に応じた光出力が、出力導波路９２から出力光Ｐｏ１として、出力導波路９４から出力光Ｐｏ２として出力される。

図５では、周波数ｆ１の光、及び周波数ｆ２の光を含む入力光Ｐｉが入力導波路９０から入力され、出力導波路９２から周波数ｆ２の光が、出力導波路９４から周波数ｆ１の光が、各々分離して出力される例を示している。図５に示す薄膜ヒータ９６は、導波路８４に熱を付与し、熱光学効果により屈折率を変化させて導波路の屈折率を変化させる。導波路８４の屈折率を変化させると導波路８４の等価的な光路長が変化するので、導波路８２と８４との間の光路長差が変化し、変化した光路長差に応じて光フィルタ８０の入出力特性が変化する。

西原浩他、「光集積回路」、第１版、オーム社、昭和６０年、ｐ３８８

ところで、光集積回路技術においては、波長オーダーの長さを取り扱うこともあり、光集積回路に集積化される光回路素子の温度依存性がしばしば問題となる。この点、非特許文献１に開示された光フィルタは、入出力特性の温度依存性について、特段の配慮をしていない。従って、例えば、移動体（自動車等）に搭載する場合のように、特に温度変動の大きな環境下では、周囲温度による光フィルタの特性変動が問題となる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、温度依存性の抑制された光フィルタ、及び狭線幅波長光源を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の光フィルタは、互いに屈折率の温度係数及び長さが異なると共に、各々の屈折率の温度係数と長さとの積が等しくされ、かつ少なくとも一方がスロット導波路である２本の光導波路と、入力光が入力されると共に入力された前記入力光を前記２本の光導波路の各々に分岐して出力する分波器と、前記２本の光導波路の各々から出力された２つの光が入力されると共に入力された２つの光を合波し出力光として出力する合波器と、を含むものである。

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２本の光導波路の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含むものである。

上記の目的を達成するために、請求項３に記載の狭線幅波長光源は、一方の端面が第１の反射面とされ他方の端面から光を出力する光増幅器と、前記光増幅器に導波路を介して接続された請求項１又は請求項２に記載の光フィルタと、前記光フィルタに導波路を介して接続されると共に、第２の反射面として機能する開放端を有するアウトカプラと、を含み、前記第１の反射面と前記第２の反射面とによりファブリペロー共振器が構成され、前記ファブリペロー共振器と前記光フィルタによって選択された波長の光を前記アウトカプラから出力するものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に前記導波路を加熱するヒータをさらに含むものである。

本発明によれば、温度依存性の抑制された光フィルタ、及び狭線幅波長光源を提供することができるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係る光フィルタの構成の一例を示す平面図である。 第１の実施の形態に係る光フィルタの波長−透過率特性の一例を示すグラフである。 第１の実施の形態に係る光フィルタの導波路の実効屈折率の温度係数の一例を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る狭線幅波長光源の構成の一例を示す平面図である。 従来技術に係る光フィルタの構成を示す平面図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１ないし図３を参照して、本実施の形態に係る光フィルタ１０について説明する。

図１に示すように、光フィルタ１０は、導波路１２、１４、カプラ１６（分波器）、カプラ１８（合波器）、入力用の導波路２０、及び出力用の導波路２２を含んで構成されている。光フィルタ１０は、一例として、光導波路技術を用いた光集積回路によって作製されている。

導波路２０を介して入力された入力光Ｐｉは、カプラ１６で２分岐されて導波路１２及び１４を伝播し、カプラ１８で再度合波され、導波路２２から出力光Ｐｏとして出力される。光フィルタ１０は、非対称マッハツェンダ干渉計を構成しており、カプラ１８で合波された２つの光の位相差に応じて出力が決定される。すなわち、カプラ１８で合波された２つの光の位相が一致している場合に最も出力が大きくなる。図２に、波長に対する透過率（出力光Ｐｏのパワー／入力光Ｐｉのパワー）の特性を示す。図２に示すように、光フィルタ１０の透過率特性は、正弦波状の特性を示す。

ところで、導波路は一般に実効屈折率が温度によって変化するので、等価的な光学長も温度によって変化する。従って、この導波路の温度依存性に対策を施していない上述した従来技術に係る光フィルタ８０では、図２に示す透過特性が温度によって変化し、透過する波長が温度によって変動する、すなわち図２に示す曲線が波長方向にずれる場合がある。

そこで、本実施の形態に係る光フィルタ１０では、長さの異なる２本の導波路１２、１４を有するマッハツェンダ干渉計において、２本の導波路の実効屈折率の温度係数（以下、単に「温度係数」という場合がある）を異ならせ、各々の導波路の長さが導波路の温度係数の逆比になるように構成している。このことにより、２本の導波路の温度係数が相殺される。

また、本実施の形態では、２本の導波路のうち導波路１４を通常の導波路とし、導波路１２をスロット導波路とすることにより、２本の導波路相互の温度係数を異ならせている。スロット導波路では、２つの導波路で挟まれたクラッド部が光の伝播路となるため、実効屈折率の温度係数が通常の導波路（例えば、矩形の単一モード導波路）に比べて小さい。むろん、スロット導波路を用いることなく、２本の導波路の材料を異ならせ、温度係数が異なるようにしてもよい。以下、本実施の形態に係る光フィルタ１０の作用について、より詳細に説明する。

まず、導波路１２の実効屈折率の温度依存性をｎ_１（Ｔ）、及び導波路１４の実効屈折率の温度依存性ｎ_２（Ｔ）を、以下に示す（式１）、(式２）のように線形近似する。


ここで、ｎ_１’及びｎ_２’は定数であり、ΔＴは温度の微小変動を示している。

光フィルタ１０の透過波長λは、以下に示す（式３）を満たす波長である。

ここで、Ｎは正の整数である。

このとき、以下に示す（式４）を満たすことにより、透過波長λが温度に依存しなくなる。

（式１）及び（式２）を（式４）に代入すると、以下に示す（式５）が得られる。

（式５）より、光フィルタ１０の透過波長λが温度に依存しないための条件は、以下に示す（式６）となる。

次に、図３を参照して、（式６）を充足するための一例について説明する。図３は、Ｓｉ（シリコン）によるスロット導波路の、スロット間隔ｄに対する実効屈折率の温度係数（１／Ｋ）を示している。ただし、図３では、スロット導波路を構成する各導波路の幅を０．２μｍ、高さを０．２１μｍとしている。図３に示すように、スロット導波路の温度係数ｄｎ_１／ｄＴは、５０μｍ〜５００μｍのスロット間隔ｄに対して、約８×１０^−６（１／Ｋ）から２×１０^−６（１／Ｋ）程度まで漸減する特性を示す。

一方、図３の破線で示すように、Ｓｉによる通常の単一モードの導波路の温度係数ｄｎ_２／ｄＴは、約１７×１０^−６（１／Ｋ）である。ただし、単一モードの導波路の幅は０．４μｍ、高さは０．２１μｍとしている。従って、本例の場合には、スロット導波路の長さをＬ１、単一モードの導波路の長さをＬ２とすると、Ｌ１：Ｌ２は、１７：４とすればよいことがわかる。従って、本例の場合は、例えば、スロット導波路の長さを３４０μｍ、単一モードの導波路を８０μｍとすればよい。

さらに、本実施の形態に係る光フィルタ１０では、波長可変の光フィルタとするために、導波路１２、１４の一方、あるいは双方に、導波路１２、１４の屈折率を変化させ等価的な光学長を可変とする図５に示すようなヒータを設けてもよい。

以上詳述したように、本実施の形態に係る光フィルタでは、長さ及び実効屈折率の温度係数の異なる２本の導波路を用いて非対称マッハツェンダ干渉計を構成し、該非対称マッハツェンダ干渉計の２本の導波路の、実効屈折率の温度係数と長さとの積を等しくすることにより非対称マッハツェンダ干渉計の温度依存性を抑制させている。このように構成された非対称マッハツェンダ干渉計を用いて光フィルタを構成することにより、温度依存性の抑制された光フィルタを実現することが可能となった。

さらに、本実施の形態では、スロット導波路の実効屈折率の温度係数が、通常の導波路の実効屈折率の温度係数に比べて数分の１と大幅に小さいことに着目し、マッハツェンダ干渉計を構成する２本の導波路の一方をスロット導波路とし、他方を通常の導波路とした。このことにより、温度依存性の抑圧された光フィルタの設計が容易になった。なお、本実施の形態では、２つの導波路のうち一方をスロット導波路とする形態を例示したが、これに限られず、双方をスロット導波路とし、材料を異ならせて温度係数が異なるようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
図４を参照して、本実施の形態に係る狭線幅波長光源５０について説明する。狭線幅波長光源５０は、出力波長を切り出す光フィルタとして、上記実施の形態に係る光フィルタ１０を適用した光源である。狭線幅波長光源５０は、一例として、光フィルタ１０と共に光集積回路技術によって集積化されている。

図４に示すように、狭線幅波長光源５０は、光増幅器５２、ヒータ５４、アウトカプラ５６、及び光フィルタ１０を備えて構成されている。光増幅器５２と光フィルタ１０は導波路５８で接続され、光フィルタ１０の出力はアウトカプラ５６の入力ポートに接続されている。アウトカプラ５６の出力ポートは出力用の導波路６０に接続され、導波路６０を介して、出力光Ｐｏが出力される。

狭線幅波長光源５０は、光増幅器５２の出力とは反対側に設けられた反射面Ｍ１と、反射面Ｍ２として作用するアウトカプラ５６の入力ポートの開放端とによりファブリペロー共振器が構成されている。そして、該ファブリペロー共振器によって決まる励振波長が、光フィルタ１０によって選択され、出力光Ｐｏとして出力される。

導波路５８上に設けられたヒータ５４は、ファブリペロー共振器の共振器長を可変とする機能を有している。すなわち、ヒータ５４は導波路５８に熱を付与することにより導波路５８の屈折率を変化させ、導波路５８の等価的な光学長を変化させることにより、上記ファブリペロー共振器の共振器長を変化させている。なお、本実施の形態では、ヒータ５４を光増幅器５２と光フィルタ１０との間に設ける形態を例示して説明したが、ヒータ５４は反射面Ｍ１とＭ２との間に設ければよいので、例えば、光フィルタ１０とアウトカプラ５６との間に設けてもよい。

以上のように構成された狭線幅波長光源５０によれば、光フィルタ１０の透過波長の温度依存性が抑制されているので、温度による波長変動を抑制することが可能となっている。

１０ 光フィルタ
１２ 導波路
１４ 導波路
１６ カプラ
１８ カプラ
２０ 導波路
２２ 導波路
５０ 狭線幅波長光源
５２ 光増幅器
５４ ヒータ
５６ アウトカプラ
５８、６０ 導波路
８０ 光フィルタ
８２ 導波路
８４ 導波路
８６、８８ ３ｄＢカプラ
９０ 入力導波路
９２、９４ 出力導波路
９６ 薄膜ヒータ
Ｐｉ 入力光
Ｐｏ 出力光

Claims (4)

1. 互いに屈折率の温度係数及び長さが異なると共に、各々の屈折率の温度係数と長さとの積が等しくされ、かつ少なくとも一方がスロット導波路である２本の光導波路と、
   入力光が入力されると共に入力された前記入力光を前記２本の光導波路の各々に分岐して出力する分波器と、
   前記２本の光導波路の各々から出力された２つの光が入力されると共に入力された２つの光を合波し出力光として出力する合波器と、
   を含む光フィルタ。
2. 前記２本の光導波路の少なくとも一方を加熱するヒータをさらに含む
   請求項１に記載の光フィルタ。
3. 一方の端面が第１の反射面とされ他方の端面から光を出力する光増幅器と、
   前記光増幅器に導波路を介して接続された請求項１又は請求項２に記載の光フィルタと、
   前記光フィルタに導波路を介して接続されると共に、第２の反射面として機能する開放端を有するアウトカプラと、を含み、
   前記第１の反射面と前記第２の反射面とによりファブリペロー共振器が構成され、
   前記ファブリペロー共振器と前記光フィルタによって選択された波長の光を前記アウトカプラから出力する
   狭線幅波長光源。
4. 前記第１の反射面と前記第２の反射面との間に前記導波路を加熱するヒータをさらに含む
   請求項３に記載の狭線幅波長光源。