JP7233488B2 - リング共振器フィルタ素子 - Google Patents

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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)やジルコニア(ZrO)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-ZrO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 (11)

  1. コアを有する導波路型素子で構成され、
    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。
  2. 前記2つのリング状部が略直交している箇所を有す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。
  3. 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。
  4. 前記2つのリング状部は、2箇所で略直交し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。
  5. 前記2つのリング共振器フィルタのうちの一のリング共振器フィルタが有する前記2つの光合分波部は、前記2つのリング共振器フィルタのうちの他のリング共振器フィルタの外側に位置し、
    前記他のリング共振器フィルタが有する前記2つの光合分波部は、前記一のリング共振器フィルタの外側に位置することを特徴とする、請求項に記載のリング共振器フィルタ素子。
  6. 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3~5のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ素子。
  7. 前記2つのリング状部は、それぞれ角丸長方形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。
  8. 前記2つのリング状部は、長手方向に沿う長軸同士が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7に記載のリング共振器フィルタ素子。
  9. 前記2つのリング状部の直線部分同士が交差していることを特徴とする、請求項7または8に記載のリング共振器フィルタ素子。
  10. 前記2つのリング状部は互いに点対称になるように配置されていることを特徴とする、請求項1~9のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ素子。
  11. クラッドを有し、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1~10のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ素子。
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