JP6918856B2

JP6918856B2 - リング共振器フィルタ素子

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Publication number: JP6918856B2
Application number: JP2019024921A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　淳一; 淳一長谷川; 礼高松原
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2019-02-14
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2039-02-14
Also published as: CN113474704A; WO2020166459A1; US20210376570A1; CN113474704B; JP2020134600A; JP2021170136A; JP7233488B2

Description

本発明は、リング共振器フィルタ素子に関するものである。

半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を検出するための素子として、波長に対して略周期的な透過特性を有する２つの光フィルタを備える素子（波長ロッカー素子とも呼ばれる）を用いる技術が開示されている（特許文献１）。２つの光フィルタは、透過特性が、１周期の１／３〜１／５の範囲で互いに位相が異なるように設定されている。

特開２０１４−１６５３８４号公報

次世代のＩＴＬＡ（Integrated Tunable Laser Assembly）は、筐体の小型化が強く要求されている。この場合、エタロンフィルタを用いた波長ロッカー素子の構成では、筐体の小型化には限界がある。そこで、導波路型素子を利用した波長ロッカーが有望視されている。その中でも、伝搬損失が小さい高比屈折率差（Δ）型の石英系平面光波回路（Planar Lightwave Circuit：ＰＬＣ）素子は、波長ロッカー素子に対する様々な要求に対して、最良な部品であると考えられる。ＰＬＣ素子を用いた波長ロッカー素子では、２つの光フィルタとして、リング共振器を採用する構成が知られている。以下では、リング共振器を採用した波長ロッカー素子をリング共振器フィルタ素子と記載する場合がある。

上述したように、波長ロッカー素子において、２つの光フィルタは、透過特性が、互いに位相が異なる、すなわち位相差を有するように設定される。この位相差は、波長ロッカー素子の性能上、精密に調整されるべき重要なパラメータであり、設計に対する誤差（たとえば製造誤差）ができるだけ小さいことが望ましい。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型かつ位相差の設計からの誤差を小さくできるリング共振器フィルタ素子を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るリング共振器フィルタ素子は、コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で構成され、前記コアは、２つのリング共振器フィルタを構成しており、前記２つのリング共振器フィルタは、それぞれ、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する２つの光合分波部とを有しており、２つの前記リング状部が互いに交差していることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタ素子は、前記２つのリング状部が略直交していることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタ素子は、前記２つのリング状部はそれぞれ８の字状に形成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタ素子は、前記２つのリング状部は互いに略平行になるように配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係るリング共振器フィルタ素子は、前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が２．５％以上であることを特徴とする。

本発明によれば、小型かつ位相差の設計からの誤差を小さくできるリング共振器フィルタ素子を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。図２は、実施形態２に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。図３は、実施形態３に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。図４は、比較形態に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。図５は、波長ロッカー素子の設計を説明する図である。図６は、コアの厚さの分布の一例を示す図である。図７は、位相差の誤差の分布の一例を示す図である。図８は、実施形態１と比較形態とでの位相差の誤差の違いを示す模式図である。

以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。このリング共振器フィルタ素子１００は、コアで構成されているリング共振器フィルタ１１０、１２０とクラッド１０１とを有するＰＬＣで構成されている。

クラッド１０１は、コアを取り囲んでおり、たとえばシリコン基板やガラス基板上に形成されている。クラッド１０１は、石英系ガラス材料で構成されている。

コアは、クラッド１０１の屈折率よりも高い屈折率を有する石英系ガラス材料で構成されている。このような屈折率が高い石英系ガラス材料として、たとえば屈折率を高めるドーパントとしてのゲルマニア（ＧｅＯ_２）やジルコニア（ＺｒＯ_２）を含む石英ガラスを用いることができる。特に、ジルコニアを含む石英ガラスであるいわゆるＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２系材料であれば、クラッド１０１に対するコアの比屈折率を、たとえば２．５％以上と高くできるので、リング共振器フィルタ素子１００を小型化する場合には好ましい。

リング共振器フィルタ１１０は、２つのアーム部１１１、１１２と、リング状部１１３と、アーム部１１１、１１２とリング状部１１３とを光学的に結合する２つの光合分波部１１４、１１５とを有している。本実施形態ではアーム部１１１、１１２は直線状であり、リング状部１１３は、２つの円弧部と２つの直線部とで形成される角丸長方形状であるが、形状はこれらに限定されず、リング状部１１３はたとえば円形状や楕円形状でもよい。

アーム部１１１、１１２は、その一端がクラッド１０１の一つの端面１０２に露出しており、他端は光合分波部１１４、１１５にそれぞれ接続されている。

光合分波部１１４、１１５は、入力側が２ポート、出力側が２ポートの２×２型であり、方向性結合型や多モード光干渉（ＭＭＩ）型のものであるが、本実施形態ではＭＭＩ型であるとする。

アーム部１１１、１１２と、リング状部１１３とは、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長（たとえば１．５５μｍ帯）の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。光合分波部１１４、１１５は、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長（たとえば１．５５μｍ帯）の光をマルチモードで伝搬し、かつ分岐比が４０：６０となるように、その断面のサイズが設定されている。具体的には、光合分波部１１４は、アーム部１１１を伝搬してきた使用波長の光の６０％がリング状部１１３に結合するように分岐比が設定されている。また、光合分波部１１５は、リング状部１１３を伝搬してきた使用波長の光の６０％がアーム部１１２に結合するように分岐比が設定されている。また、光合分波部１１４、１１５は、（光の伝播方向に対して幅方向の）側面部がトポロジー最適化された構造となっていても良い。

リング共振器フィルタ１２０は、２つのアーム部１２１、１２２と、リング状部１２３と、アーム部１２１、１２２とリング状部１２３とを光学的に結合する２つの光合分波部１２４、１２５とを有している。本実施形態ではアーム部１２１、１２２は直線状であり、リング状部１２３は、２つの円弧部と２つの直線部とで形成される角丸長方形状であるが、形状はこれらに限定されず、リング状部１２３はたとえば円形状や楕円形状でもよい。

アーム部１２１、１２２は、その一端がクラッド１０１の一つの端面１０２に露出しており、他端は光合分波部１２４、１２５にそれぞれ接続されている。

光合分波部１２４、１２５は、入力側が２ポート、出力側が２ポートの２×２型であり、方向性結合型やＭＭＩ型のものであるが、本実施形態ではＭＭＩ型であるとする。

アーム部１２１、１２２と、リング状部１２３とは、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。光合分波部１２４、１２５は、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長の光をマルチモードで伝搬し、かつ分岐比が４０：６０となるように、その断面のサイズが設定されている。

リング共振器フィルタ１１０、１２０は、リング状部１１３の長軸とリング状部１２３との長軸とが略平行になるように配置されている。リング共振器フィルタ１１０、１２０は、いずれも、光の波長に対して周期的な透過特性を有する。なお、リング共振器フィルタ１１０、１２０は、厳密には光の周波数に対して周期的な透過特性を有するが、波長に対しても略周期的であるので、以下では光の波長に対して周期的な透過特性を有すると記載する場合がある。

リング共振器フィルタ１１０、１２０は、透過特性が、周期が略同じであり、１周期の１／３〜１／５の範囲で互いに位相が異なるように設定されている。したがって、リング共振器フィルタ１１０は、或る使用波長の光Ｌ１１がアーム部１１１から入力されると、その波長における透過率で透過して、アーム部１１２から光Ｌ１２を出力する。リング共振器フィルタ１２０は、光Ｌ１１と同じ波長の光Ｌ２１がアーム部１２１から入力されると、その波長における透過率で透過して、アーム部１２２から光Ｌ２２を出力する。

ここで、リング共振器フィルタ１１０、１２０は、それぞれの２つのリング状部１１３、１２３が、交差箇所Ｃ１、Ｃ２において互いに交差している。また、リング状部１２３
とアーム部１１２とは交差箇所Ｃ３で互いに交差している。このように、リング共振器フィルタ１１０、１２０の２つのリング状部１１３、１２３が互いに交差していることによって、小型かつ位相差の設計からの誤差が小さいリング共振器フィルタ素子１００を実現できる。

以下、具体的に説明する。リング共振器フィルタ素子１００の効果を説明するために、比較形態として図４に示す比較形態としてのリング共振器フィルタ素子１０００との比較を行う。リング共振器フィルタ素子１０００は、コアで構成されているリング共振器フィルタ１１０、１２００とクラッド１００１とを有するＰＬＣで構成されている。クラッド１００１は、図１のクラッド１０１と同じ構成を有する。リング共振器フィルタ１２００は、図１のリング共振器フィルタ１２０のアーム部１２１、１２２をそれぞれアーム部１２１０、１２２０に置き換えたものである。アーム部１２１０、１２２０はそれぞれアーム部１２１、１２２の長さを延伸したものであって、その一端がクラッド１００１の一つの端面１００２に露出しており、他端は光合分波部１２４、１２５にそれぞれ接続されている。リング共振器フィルタ１１０、１２００は、リング状部１１３と１２３とが交差しないような長さ、位置に設定されている。

リング共振器フィルタ素子１００や１０００を波長ロッカー素子として使用する場合について説明する。図５は、波長ロッカー素子の設計を説明する図である。図５は、波長ロッカー素子としてのリング共振器フィルタ素子１００の透過率のスペクトルを示している。実線Ｌ１はリング共振器フィルタ１１０の透過率スペクトルを示し、破線Ｌ２はリング共振器フィルタ１２０の透過率スペクトルを示す。２つの透過率スペクトルの周期は略同じであり、位相差Ｄを有する。図５では位相差Ｄは１周期（ＦＳＲ）の１／３であり、その単位は波長または周波数である。このリング共振器フィルタ素子１００を波長ロッカー素子として使用する場合、その波長において透過率スペクトルの波長（または周波数）に対する傾斜が大きい方のリング共振器フィルタを用いて、波長を検出する。たとえば、波長λ１から波長λ２の間、波長λ３から波長λ４の間、波長λ５から波長λ６の間、波長λ７から波長λ８の間の波長では、斜線を付した丸および四角で示すように実線Ｌ１であるリング共振器フィルタ１１０の透過率スペクトルを用いる。また、波長λ２から波長λ３の間、波長λ４から波長λ５の間、波長λ６から波長λ７の間の波長では、白い丸および四角で示すように破線Ｌ２であるリング共振器フィルタ１２０の透過率スペクトルを用いる。すなわち、波長によってリング共振器フィルタ１１０、１２０のいずれを波長の検出に使うかを決定するので、位相差Ｄは、波長検出の精度を高めるために重要な設計事項となる。

ここで、リング共振器フィルタ素子１００や１０００は、シリコンやガラスのウエハ上に、公知の火炎堆積（Flame Hydrolysis Deposition：ＦＨＤ）法、加熱工程、フォトリソグラフィ技術、エッチングなどにより作製される。本発明者らによれば、作製されるコアのサイズに、ウエハ上の位置によって誤差が生じることによって、位相差が設計とは異なる値になる場合があることを発見した。

たとえば、図６は、ウエハの位置によるコアの厚さの分布の一例を示す図である。図６に示すように、ウエハの位置が中央から外周側に向かうにつれて、コアの厚さが設計よりも小さくなる場合がある。図７は、図６のような分布が有る場合における位相差の誤差の分布の一例を示す図である。図７に示すように、位置に対する厚さの変化が大きい場所では位相差の誤差も大きいことが確認された。

この問題を解決するために、本発明者らは、リング共振器フィルタ１１０、１２０の２つのリング状部１１３、１２３を互いに交差させる構成に想到した。図８は、実施形態１と比較形態とでの位相差の違いを示す模式図である。線Ｌ３はリング共振器フィルタ素子１００、１０００のリング共振器フィルタ１１０の中心位置を示し、線Ｌ４はリング共振器フィルタ素子１００のリング共振器フィルタ１２０の中心位置を示し、線Ｌ５はリング共振器フィルタ素子１０００のリング共振器フィルタ１２００の中心位置を示す。図８に示すように位置に対して位相差の誤差が傾斜している場合、比較形態のリング共振器フィルタ素子１０００ではリング共振器フィルタ１１０、１２００の距離が遠いため位相差の誤差が位相差Ｄ２と大きいが、実施形態１のリング共振器フィルタ素子１００ではリング共振器フィルタ１１０、１２０が交差して距離が近いため、位相差の誤差が位相差Ｄ１と小さくなる。また、リング共振器フィルタ素子１００では、リング共振器フィルタ１１０、１２０の距離が近いため小型である。

このように、実施形態１に係るリング共振器フィルタ素子１００では、小型かつ位相差の設計からの誤差を小さくできる。

なお、リング共振器フィルタ素子１００では、２つのリング状部１１３、１２３は略直交している。また、リング状部１２３とアーム部１１２とも略直交している。このように交差箇所Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３でコアが略直交しているので、交差損失を最小限とできる。たとえば、クラッドに対するコアの比屈折率差が５％の場合、コアが直交交差しているときの交差損失は０．１ｄＢ以下とできる。ここで、略直交しているとは、２つのコアの交差する角度が９０度の態様に限らず、９０度から所定の角度だけずれた態様を含む。２つのコアの交差する角度は、８０度〜１００度が好ましく、９０度がより好ましい。

本発明の実施例および比較例として、実施形態１に係るリング共振器フィルタ素子１００および比較形態に係るリング共振器フィルタ素子１０００のそれぞれと同様の構成のリング共振器フィルタ素子を作製した。実施例、比較例のいずれについても、ウエハ上に多数の素子を形成し、ウエハの中心を通る直径方向に沿って２２個の素子をサンプルとして取得した。その結果、実施例のサイズは上面視で１．０ｍｍ×１．５ｍｍであり、その面積を、比較例の４０％に小型化できた。また、実施例における位相差の誤差は１０ＧＨｚ以内であり、比較例の５０％以下にできた。

（実施形態２）
図２は、実施形態２に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。このリング共振器フィルタ素子１００Ａは、図１に示すリング共振器フィルタ素子１００の構成において、リング共振器フィルタ１２０の配置を変更した構成を有する。

具体的には、リング共振器フィルタ１２０は、アーム部１２１、１２２の一端がクラッド１０１の一つの端面１０３に露出するように配置されている。なお、端面１０３は端面１０２と直交する端面である。すなわち、リング共振器フィルタ１１０、１２０は、リング状部１１３の長軸とリング状部１２３との長軸とが略直交するように配置されている。

ここで、リング共振器フィルタ１１０、１２０は、それぞれの２つのリング状部１１３、１２３が、交差箇所Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７において互いに交差している。また、リング状部１１３とアーム部１２１とは交差箇所Ｃ８で互いに交差している。また、リング状部１２３とアーム部１１２とは交差箇所Ｃ９で互いに交差している。また、リング状部１１３とアーム部１２２とは交差箇所Ｃ１０で互いに交差している。また、リング状部１２３とアーム部１１１とは交差箇所Ｃ１１で互いに交差している。また、アーム部１１１とアーム部１２２とは交差箇所Ｃ１２で互いに交差している。このように、リング共振器フィルタ１１０、１２０の２つのリング状部１１３、１２３が互いに交差していることによって、小型かつ位相差の設計からの誤差が小さいリング共振器フィルタ素子１００を実現できる。

また、リング共振器フィルタ素子１００Ａでは、リング共振器フィルタ１１０、１２０が、リング状部１１３の長軸とリング状部１２３との長軸とが略直交するように配置されているので、上面視の形状が正方形に近くなり、取り扱い性がよくなるとともに、より小型化に適する。また、交差箇所Ｃ４〜Ｃ１２でコアが略直交しているので、交差損失を最小限とできる。

（実施形態３）
図３は、実施形態３に係るリング共振器フィルタ素子の模式図である。このリング共振器フィルタ素子１００Ｂは、コアで構成されているリング共振器フィルタ１３０、１４０とクラッド１０１とを有するＰＬＣで構成されている。

リング共振器フィルタ１３０は、２つのアーム部１３１、１３２と、リング状部１３３と、アーム部１３１、１３２とリング状部１３３とを光学的に結合する２つの光合分波部１３４、１３５とを有している。本実施形態ではアーム部１３１、１３２は曲線状であり、リング状部１３３は、交差箇所Ｃ１３で交差する８の字状である。

アーム部１３１、１３２は、その一端がクラッド１０における同一の端面１０３にそれぞれ露出しており、他端は光合分波部１３４、１３５にそれぞれ接続されている。

光合分波部１３４、１３５は、２×２型であり、方向性結合型やＭＭＩ型のものであるが、本実施形態ではＭＭＩ型であるとする。

アーム部１３１、１３２と、リング状部１３３とは、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。光合分波部１３４、１３５は、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長の光をマルチモードで伝搬し、かつ分岐比が４０：６０となるように、その断面のサイズが設定されている。

リング共振器フィルタ１４０は、２つのアーム部１４１、１４２と、リング状部１４３と、アーム部１４１、１４２とリング状部１４３とを光学的に結合する２つの光合分波部１４４、１４５とを有している。本実施形態ではアーム部１４１、１４２は曲線状であり、リング状部１４３は、交差箇所Ｃ１４で交差する８の字状である。

アーム部１４１、１４２は、その一端がクラッド１０１における同一の端面１０４にそれぞれ露出しており、他端は光合分波部１４４、１４５にそれぞれ接続されている。

光合分波部１４４、１４５は、入力側が２ポート、出力側が２ポートの２×２型であり、方向性結合型やＭＭＩ型のものであるが、本実施形態ではＭＭＩ型であるとする。

アーム部１４１、１４２と、リング状部１４３とは、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長の光をシングルモードで伝搬するように、その断面のサイズが設定されている。光合分波部１４４、１４５は、クラッド１０１に対する比屈折率差に応じて、使用波長の光をマルチモードで伝搬し、かつ分岐比が４０：６０となるように、その断面のサイズが設定されている。

リング共振器フィルタ１３０、１４０は、リング状部１３３、１４３が互いに略平行になるように配置されている。

リング共振器フィルタ１３０、１４０は、いずれも、光の波長に対して周期的な透過特性を有する。リング共振器フィルタ１３０、１４０は、透過特性が、周期が略同じであり、１周期の１／３〜１／５の範囲で互いに位相が異なるように設定されている。したがって、リング共振器フィルタ１３０は、或る使用波長の光Ｌ３１がアーム部１３１から入力されると、その波長における透過率で透過して、アーム部１３２から光Ｌ３２を出力する。リング共振器フィルタ１４０は、光Ｌ４１と同じ波長の光Ｌ４１がアーム部１４１から入力されると、その波長における透過率で透過して、アーム部１４２から光Ｌ４２を出力する。

リング共振器フィルタ１３０、１４０は、それぞれの２つのリング状部１３３、１４３が、交差箇所Ｃ１５、Ｃ１６において互いに交差している。このように、リング共振器フィルタ１３０、１４０の２つのリング状部１３３、１４３が互いに交差していることによって、小型かつ位相差の設計からの誤差が小さいリング共振器フィルタ素子１００Ｂを実現できる。

また、リング共振器フィルタ素子１００Ｂでは、リング状部１１３３、１４３が８の字形状であり、かつ互いに略平行になるように配置されているので、より小型化に適する。さらには、光合分波部１３４、１３５、１４４、１４５を、交差箇所Ｃ１５、Ｃ１６よりも外側としているため、交差箇所の数が低減されている。

なお、リング共振器フィルタ素子１００Ｂでは、リング状部１１３３、１４３が互いに略平行になるように配置されているが、実施形態２のようにリング共振器フィルタ１３０、１４０の長手方向が互いに交差または直交するように配置されていてもよい。
また、アーム部１３１、１３２、１４１、１４２の各導波路の光の入出力部が、リング共振器フィルタ素子１００Ｂのチップのそれぞれ異なる端部（端面）に設けられているが、同一の端部（端面）に設けられていてもよい。

また、上記実施形態に係るリング共振器フィルタ素子は、小型かつ位相差の設計からの誤差が小さいので、製造歩留まりも高くでき、かつ１つのウエハからより多くの素子が得られるので、製造性も高い。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、１００Ａ、１００Ｂリング共振器フィルタ素子
１０１クラッド
１０２、１０３、１０４端面
１１０、１２０、１３０、１４０リング共振器フィルタ
１１１、１１２、１２１、１２２、１３１、１３２、１４１、１４２アーム部
１１３、１２３、１３３、１４３リング状部
１１４、１１５、１２４、１２５、１３４、１３５、１４４、１４５光合分波部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９、Ｃ１０、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５、Ｃ１６交差箇所
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２位相差
Ｌ１実線
Ｌ２破線
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ４１、Ｌ４２光

Claims

コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で構成され、
前記コアは、２つのリング共振器フィルタを構成しており、
前記２つのリング共振器フィルタは、それぞれ、２つのアーム部と、リング状部と、前記２つのアーム部と前記リング状部とを光学的に結合する２つの光合分波部とを有しており、
２つの前記リング状部が互いに交差している
ことを特徴とするリング共振器フィルタ素子。
前記２つのリング状部が略直交していることを特徴とする請求項１に記載のリング共振器フィルタ素子。
前記２つのリング状部はそれぞれ８の字状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のリング共振器フィルタ素子。
前記２つのリング状部は互いに略平行になるように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ素子。
前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が２．５％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ素子。