JP7745818B1

JP7745818B1 - 光モジュール

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Publication number: JP7745818B1
Application number: JP2025540283A
Authority: JP
Inventors: 純一鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2024-02-22
Filing date: 2024-02-22
Publication date: 2025-09-29
Anticipated expiration: 2044-02-22
Also published as: WO2025177507A1; JPWO2025177507A1

Abstract

光モジュールは、群屈折率に対して温度無依存である第１の導波路部（１３ａ）、群屈折率の温度依存性が負である第２の導波路部（１３ｂ）、および、群屈折率の温度依存性が正である第３の導波路部（１３ｃ）を有するリング共振器（１３）と、第２の導波路部（１３ｂ）または第３の導波路部（１３ｃ）のいずれか一方を加熱するヒータ（２０）と、を備える。

Description

本開示は、リング共振器型フィルタを有する光モジュールに関する。

光通信システムの大容量化に伴い波長多重通信方式が用いられる。波長多重通信方式で必要となる波長フィルタの１つであるアサーマル化（温度無依存）を実現したリング共振器が非特許文献１に示されている。
非特許文献１に示されたリング共振器はＳiスロット導波路の構造を適用したリング共振器である。
非特許文献１に示されたＳiスロット導波路は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に間隙を有する一対のシリコン（Ｓi）からなるスロット光導波路の間隙内にベンゾシクロブテン（benzocyclobutene：ＢＣＢ）が充填されたスロット導波路である。

Yuki Atsumi, et. al., "Athermal wavelength property of Si-slot ring resonator embedded with benzocyclobutene"2009 6th IEEE International Conference on Group IV Photonics, ThB3

非特許文献１に示されたリング共振器は、スロット導波路を構成するシリコンは酸化シリコン（ＳiＯ_２）のクラッド層との屈折率が正の温度依存性を有するため、間隙に屈折率が負の温度依存性を有するＢＣＢを埋め込み、間隙を調整することにより、スロット導波路を伝搬する光の温度依存性を相殺するアサーマル化を実現している。
しかし、非特許文献１に示されたリング共振器による波長フィルタにあっては、リング共振器を作成する場合、フィルタの共振するピーク波長を決定する光の位相状態までは正確に作りこむことができず、また温度無依存導波路となっているため光に対する位相調整として広く用いられている熱を用いた手法の適用ができないという課題がある。

本開示は上記課題を解決するもので、アサーマル化を実現し、リング共振器における導波路を伝搬する光の共振するピーク波長を容易に調整できる光モジュールを得ることを目的とする。

本開示に係る光モジュールは、群屈折率に対して温度無依存である第１の導波路部、群屈折率の温度依存性が負である第２の導波路部、および、群屈折率の温度依存性が正である第３の導波路部を有するリング共振器と、第２の導波路部または第３の導波路部のいずれか一方を加熱するヒータを備える。

本開示によれば、リング共振器が群屈折率に対して温度無依存、群屈折率の温度依存性が負、および群屈折率の温度依存性が正であるそれぞれの導波路部を有し、群屈折率の温度依存性が負または正である導波路部の少なくとも一方を加熱するヒータを設けたので、アサーマル化を実現した上で、リング共振器における共振するピーク波長の微調整が精度高く、容易に実現できる。

実施の形態１に係る光モジュールにおけるリング共振器型フィルタを模式的に示す上面図である。実施の形態１に係る光モジュールにおいて、スロット導波路を説明するための模式的に示す断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る光モジュールを図１および図２を用いて説明する。
実施の形態１に係る光モジュールは波長フィルタであるリング共振器型フィルタを有する光モジュールである。
波長フィルタは波長多重通信方式における光通信システムに用いられる。
波長フィルタは、光通信において、送信時に波長多重された光の中から必要な波長の光のみを取り出して信号を載せる、または、受信時に波長多重された光の中から必要な波長の光を取り出して受光器に入れる機能を有する。

そのため、波長フィルタは、たくさんの波長の光を束ねる波長多重された光の中から必要な光を得るために、急峻なフィルタの特性と正確な中心波長設定が求められる。
波長フィルタを構成するリング共振器型フィルタにおけるリング共振器からは、リング共振器の中で定在波となる波長を共振ピーク値とした周期的な波長依存性を持つ光が出力される。
実施の形態１に係る光モジュールにおけるリング共振器型フィルタは、アサーマル化（温度無依存）を実現でき、共振するピーク波長の微調整が精度高く、容易に実現できる。

なお、リング共振器型フィルタは、波長多重された光の中から必要な波長の光を取り出す波長フィルタの他、シングルモード発振をする半導体レーザの波長をモニタするフィルタとしての使用、または、半導体光増幅器と組み合わせてレーザ発振させるためのフィルタ機能付き外部共振器ミラーとしても使用できる。

実施の形態１に係る光モジュールは、図１に示すように、リング共振器型フィルタ１０とヒータ２０とを基本的に備える。
リング共振器型フィルタ１０は第１のバス導波路１１と第２のバス導波路１２とリング共振器１３を備える。

なお、以下の説明において、第１のバス導波路１１を波長多重された光が入射され、入射された光を伝搬する入力光導波路とし、第２のバス導波路１２をリング共振器１３の中で定在波となる波長を共振ピーク値とした周期的な波長依存性を持つ光が入射され、導波して出力するための出力光導波路として説明する。

まず初めに、第１のバス導波路１１と第２のバス導波路１２とリング共振器１３をそれぞれ構成するスロット導波路について、図２を用いて説明する。
スロット導波路１はＳＯＩ基板の表面に間隙Gapを介して平行に近接して配置され、細い幅を有する一対の光導波路１ａ、１ｂから構成される。光導波路１ａ、１ｂは一般に知られた技術により形成される。

図２において、ＳＯＩ基板の表面層である酸化シリコン層（ＳiＯ_２）２を示し、酸化シリコン層２が光導波路１ａ、１ｂに対する下部クラッドとして機能する。
ＳＯＩ基板の表面に、スロット導波路１を埋め込み、一対の光導波路１ａ、１ｂの間隙Gap内に充填されるベンゾシクロブテン（以下、ＢＣＢという）からなる絶縁層３が形成される。絶縁層３は一般に知られた技術により形成される。
絶縁層３は光導波路１ａ、１ｂに対する上部クラッドとして機能する。

光導波路１ａ、１ｂを形成するシリコンの屈折率は、酸化シリコン層２を形成する酸化シリコンの屈折率より大きく、温度が高くなると屈折率が大きくなる材料である。
絶縁層３を形成するＢＣＢの屈折率は、温度が高くなると屈折率が小さくなる材料である。

すなわち、温度依存性（温度係数）が正を有するシリコンを用いた光導波路１ａ、１ｂに、光導波路１ａ、１ｂの間隙Gap内に温度依存性が負を有するＢＣＢを充填して光導波路１ａ、１ｂを伝搬する光の温度依存性を相殺する。
したがって、光導波路１ａ、１ｂの間隙Gapの幅を変えることによりＢＣＢ３への光の閉じ込め係数が変わることを利用してＢＣＢを含むスロット導波路１部における群屈折率の温度依存性を、群屈折率の温度依存性が温度無依存、群屈折率の温度依存性が負、および、群屈折率の温度依存性が正とすることができる。

なお、光導波路１ａ、１ｂを形成する材料は、温度が高くなると屈折率が大きくなる材料であればよく、シリコンの他に、シリコンナイトライド（ＳiＮ）またはインジウムリン（ＩnＰ）などを用いてもよい。
また、下部クラッド（酸化シリコン層）２は、酸化シリコンに限られることなく、光導波路１ａ、１ｂを形成する材料より屈折率の低い材料であればよい。
上部クラッド（絶縁層）３を形成する材料は、温度が高くなると屈折率が小さくなる材料であればよく、ＢＣＢの他に、酸化チタン（ＴiＯ_２）などを用いてもよい。

入力光導波路１１は酸化シリコン層２の表面に、全長に亘って同一幅の間隙Gapを有して平行にかつ直線状に配置された一対の光導波路１１ａ、１１ｂと光導波路１１ａ、１１ｂの間隙Gapに充填される絶縁層３を有し、断面形状が図２に示した構造である。
入力光導波路１１は群屈折率の温度依存性が温度無依存になるように光導波路１１ａ、１１ｂの間隙Gapが設定される。

すなわち、入力光導波路１１における群屈折率をｎ_ｇ１とした場合、入力光導波路１１における群屈折率の温度依存性が次式（１）で示すように０になるように、光導波路１１ａ、１１ｂの間隙Gapが設定される。
ｄｎ_ｇ１／ｄＴ＝０・・・（１）
上式（１）においてＴは温度である。

入力光導波路１１は一端に第１のポート１１ｃを有し、他端に第２のポート１１ｄを有する。
なお、以下の説明において、第１のポート１１ｃを波長多重された光が入射される光入力ポート、第２のポート１１ｄをスルーポートとして説明する。

入力光導波路１１のスルーポート１１ｄに受光素子（図示せず）を介して光モニタ３０が接続される。
また、光モニタ３０は、入力光導波路１１のスルーポート１１ｄからの光を検知した受光素子の出力レベルに応じて、スルーポート１１ｄからの光を観測（モニタ）し、ヒータ２０の加熱量を調整する機能を有する。

出力光導波路１２はリング共振器１３を挟んで入力光導波路１１に平行に配置される。
出力光導波路１２は酸化シリコン層２の表面に、全長に亘って同一幅の間隙Gapを有して平行にかつ直線状に配置された一対の光導波路１２ａ、１２ｂと光導波路１２ａ、１２ｂの間隙Gapに充填される絶縁層３を有し、断面形状が図２に示した構造である。
出力光導波路１２は群屈折率の温度依存性が温度無依存になるように光導波路１２ａ、１２ｂの間隙Gapが設定される。

すなわち、出力光導波路１２における群屈折率をｎ_ｇ１とした場合、出力光導波路１２における群屈折率の温度依存性が次式（２）で示すように０になるように、光導波路１２ａ、１２ｂの間隙Gapが設定される。
ｄｎ_ｇ１／ｄＴ＝０・・・（２）

出力光導波路１２は一端に第１のポート１２ｃを有し、他端に第２のポート１２ｄを有する。
なお、以下の説明において、第１のポート１２ｃにリング共振器１３により共振された波長帯域の光が出射される光出力ポートとして説明する。

リング共振器１３は第１の導波路部１３ａと第２の導波路部１３ｂと第３の導波路部１３ｃと第４の導波路部１３ｄと接続導波路部１３ｅ～１３ｈを有する。
第１の導波路部１３ａと第２の導波路部１３ｂは接続導波路部１３ｅに接続される。第１の導波路部１３ａと第３の導波路部１３ｃは接続導波路部１３ｆに接続される。第４の導波路部１３ｄと第２の導波路部１３ｂは接続導波路部１３ｇに接続される。第４の導波路部１３ｄと第３の導波路部１３ｃは接続導波路部１３ｈに接続される。

その結果、第１の導波路部１３ａから第４の導波路部１３ｄは接続導波路部１３ｅ～１３ｈにより接続され、継ぎ目のないリング状の光導波路を形成する。
なお、導波路部と接続導波路部との間に物理的な境界があるわけではなく、仮想的な境界面があるのみである。
また、リング共振器１３を構成する継ぎ目のないリング状の光導波路を、以下の説明において、リング状の光導波路という。

第１の導波路部１３ａは出力光導波路１２に対向して配置される。
第１の導波路部１３ａは酸化シリコン層２の表面に、全長に亘って同一幅の間隙Gapを有して平行に配置された一対の光導波路１３ａ_１、１３ａ_２から構成されたスロット導波路と光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

第１の導波路部１３ａは、平面形状において、一端部に第１の円弧部と、他端部に第２の円弧部と、第１の円弧部と第２の円弧部の間に直線部を有し、直線部が出力光導波路１２に平行に配置される。
第１の導波路部１３ａは、群屈折率の温度依存性が温度無依存になるように光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapが設定される。

すなわち、第１の導波路部１３ａにおける群屈折率をｎ_ｇ０とした場合、第１の導波路部１３ａにおける群屈折率の温度依存性が次式（３）で示すように０になるように、光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapが設定される。
ｄｎ_ｇ０／ｄＴ＝０・・・（３）
要するに、第１の導波路部１３ａは群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定される。

第４の導波路部１３ｄは、リング状の光導波路において第１の導波路部１３ａに対向する位置に配置され、入力光導波路１１に対向して配置される。
第４の導波路部１３ｄは酸化シリコン層２の表面に、全長に亘って同一幅の間隙Gapを有して平行に配置された一対の光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２から構成されたスロット導波路と光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

第４の導波路部１３ｄは、平面形状において、一端部に第１の円弧部と、他端部に第２の円弧部と、第１の円弧部と第２の円弧部の間に直線部を有し、直線部が入力光導波路１１に平行に配置される。
第４の導波路部１３ｄは、群屈折率の温度依存性が温度無依存になるように光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapが設定される。

すなわち、第４の導波路部１３ｄにおける群屈折率をｎ_ｇ０とした場合、第４の導波路部１３ｄにおける群屈折率の温度依存性が次式（４）で示すように０になるように、光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapが設定される。
ｄｎ_ｇ０／ｄＴ＝０・・・（４）
要するに、第４の導波路部１３ｄは群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定される。

第２の導波路部１３ｂは第１の導波路部１３ａの一端と第４の導波路部１３ｄの一端との間に配置される。
第２の導波路部１３ｂは、酸化シリコン層２の表面に、全長に亘って同一幅の間隙Gapを有して平行にかつ直線状に配置された一対の光導波路１３ｂ_１、１３ｂ_２から構成されたスロット導波路と光導波路１３ｂ_１、１３ｂ_２の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

光導波路１３ｂ_１、１３ｂ_２の間隙Gapの幅は、第１の導波路部１３ａにおける光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapの幅および第４の導波路部１３ｄにおける光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapの幅より広く設定する。
その結果、第２の導波路部１３ｂは群屈折率の温度依存性が負である。

すなわち、第２の導波路部１３ｂにおける群屈折率をｎ_ｇ－とした場合、第２の導波路部１３ｂにおける群屈折率の温度依存性が次式（５）で示すように０より小さくなるように、光導波路１３ｂ_１、１３ｂ_２の間隙Gapが設定される。
ｄｎ_ｇ－／ｄＴ＜０・・・（５）

第１の導波路部１３ａと第２の導波路部１３ｂを接続する接続導波路部１３ｅは第２の導波路部１３ｂに向かって断熱的に幅が広くなるテーパ構造である。
接続導波路部１３ｅは、一対の光導波路から構成されたスロット導波路と一対の光導波路の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

接続導波路部１３ｅにおける一対の光導波路の間隙Gapの幅が、第１の導波路部１３ａにおける光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapの幅から第２の導波路部１３ｂにおける光導波路１３ｂ_１、１３ｂ_２の間隙Gapの幅に向かって広くなり、接続導波路部１３ｅにおける一対の光導波路が第２の導波路部１３ｂに向かって幅広にテーパ上に配置される。
第１の導波路部１３ａと第２の導波路部１３ｂが、接続導波路部１３ｅにより断熱的に幅が広くなるテーパ構造により接続されるため、接続導波路部１３ｅに反射点がなく、リング状の光導波路を光が伝搬する際に接続導波路部１３ｅにおいて光の反射が起こらない。

第４の導波路部１３ｄと第２の導波路部１３ｂを接続する接続導波路部１３ｇは第２の導波路部１３ｂに向かって断熱的に幅が広くなるテーパ構造である。
接続導波路部１３ｇは、一対の光導波路から構成されたスロット導波路と一対の光導波路の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

接続導波路部１３ｇにおける一対の光導波路の間隙Gapの幅が、第４の導波路部１３ｄにおける光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapの幅から第２の導波路部１３ｂにおける光導波路１３ｂ_１、１３ｂ_２の間隙Gapの幅に向かって広くなり、接続導波路部１３ｇにおける一対の光導波路が第２の導波路部１３ｂに向かって幅広にテーパ上に配置される。
第４の導波路部１３ｄと第２の導波路部１３ｂが、接続導波路部１３ｇにより断熱的に幅が広くなるテーパ構造により接続されるため、接続導波路部１３ｇに反射点がなく、リング状の光導波路を光が伝搬する際に接続導波路部１３ｇにおいて光の反射が起こらない。

第３の導波路部１３ｃは第１の導波路部１３ａの他端と第４の導波路部１３ｄの他端との間に配置される。
第３の導波路部１３ｃは、酸化シリコン層２の表面に、全長に亘って同一幅の間隙Gapを有して平行にかつ直線状に配置された一対の光導波路１３ｃ_１、１３ｃ_２から構成されたスロット導波路と光導波路１３ｃ_１、１３ｃ_２の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

光導波路１３ｃ_１、１３ｃ_２の間隙Gapの幅は、第１の導波路部１３ａにおける光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapの幅および第４の導波路部１３ｄにおける光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapの幅より狭く設定する。
その結果、第３の導波路部１３ｃは群屈折率の温度依存性が正である。

すなわち、第３の導波路部１３ｃにおける群屈折率をｎ_ｇ＋とした場合、第３の導波路部１３ｃにおける群屈折率の温度依存性が次式（６）で示すように０より大きくなるように、光導波路１３ｃ_１、１３ｃ_２の間隙Gapが設定される。
ｄｎ_ｇ＋／ｄＴ＞０・・・（６）

第１の導波路部１３ａと第３の導波路部１３ｃを接続する接続導波路部１３ｆは第３の導波路部１３ｃに向かって断熱的に幅が狭くなるテーパ構造である。
接続導波路部１３ｆは、一対の光導波路から構成されたスロット導波路と一対の光導波路の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

接続導波路部１３ｆにおける一対の光導波路の間隙Gapの幅が、第１の導波路部１３ａにおける光導波路１３ａ_１、１３ａ_２の間隙Gapの幅から第３の導波路部１３ｃにおける光導波路１３ｃ_１、１３ｃ_２の間隙Gapの幅に向かって狭くなり、接続導波路部１３ｆにおける一対の光導波路が第３の導波路部１３ｃに向かって幅狭にテーパ上に配置される。
第１の導波路部１３ａと第３の導波路部１３ｃが、接続導波路部１３ｆにより断熱的に幅が広くなるテーパ構造により接続されるため、接続導波路部１３ｆに反射点がなく、リング状の光導波路を光が伝搬する際に接続導波路部１３ｆにおいて光の反射が起こらない。

第４の導波路部１３ｄと第３の導波路部１３ｃを接続する接続導波路部１３ｈは第３の導波路部１３ｃに向かって断熱的に幅が狭くなるテーパ構造である。
接続導波路部１３ｈは、一対の光導波路から構成されたスロット導波路と一対の光導波路の間隙Gapに充填される絶縁層を有し、断面形状が図２に示した構造である。

接続導波路部１３ｈにおける一対の光導波路の間隙Gapの幅が、第４の導波路部１３ｄにおける光導波路１３ｄ_１、１３ｄ_２の間隙Gapの幅から第３の導波路部１３ｃにおける光導波路１３ｃ_１、１３ｃ_２の間隙Gapの幅に向かって狭くなり、接続導波路部１３ｈにおける一対の光導波路が第３の導波路部１３ｃに向かって幅狭にテーパ上に配置される。
第４の導波路部１３ｄと第３の導波路部１３ｃが、接続導波路部１３ｈにより断熱的に幅が広くなるテーパ構造により接続されるため、接続導波路部１３ｈに反射点がなく、リング状の光導波路を光が伝搬する際に接続導波路部１３ｈにおいて光の反射が起こらない。

リング共振器１３において、リング状の光導波路は全体（リング一周）として群屈折率の温度依存性が温度無依存になる、つまり、リング一周において温度依存性が発現しないように、第２の導波路部１３ｂの長さＬ_－と第３の導波路部１３ｃの長さＬ_＋を次のようにして設定している。
なお、第１の導波路部１３ａの長さと第４の導波路部１３ｄの長さの和をＬとする。

リング共振器１３における共振波長ｍ・λは次式（７）によって表せる。
ｎ_ｇ０Ｌ＋ｎ_ｇ＋Ｌ_＋＋ｎ_ｇ－Ｌ_－＝ｍ・λ （７）
上式（７）を温度で微分すると次式（８）が得られる。

上式（８）の右辺を０とすることにより、リング状の光導波路全体として群屈折率の温度依存性が温度無依存になる。この時、温度によって物理長Ｌ、Ｌ_＋、Ｌ_－は変化しないとする。
上式（８）の右辺を０とした場合を次式（９）に示す。

第１の導波路部１３ａおよび第４の導波路部１３ｄは群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定されているので、上式（９）は次式（１０）で表すことができる。

上式（１０）を満たすように、第２の導波路部１３ｂの長さＬ_－と第３の導波路部１３ｃの長さＬ_＋を設定することにより、リング共振器１３として群屈折率の温度依存性が温度無依存になる。
すなわち、第２の導波路部１３ｂの長さＬ_－と第３の導波路部１３ｃの長さＬ_＋は、
第２の導波路部１３ｂにおける群屈折率の温度依存値ｄｎ_ｇ－／ｄＴと長さの積Ｌ_－と、第３の導波路部１３ｃにおける群屈折率の温度依存値ｄｎ_ｇ＋／ｄＴと長さの積Ｌ_＋との和が０を満たす長さに設定される。

ヒータ２０は、第３の導波路部１３ｃを加熱するために、リング状の光導波路の内側に第３の導波路部１３ｃに近接して配置する。
ヒータ２０は絶縁層３に埋め込まれる。
ヒータ２０は第３の導波路部１３ｃを加熱することにより、リング状の光導波路のリング１周の光路長を伸ばす効果があり、リング共振器１３におけるピーク波長、つまり共振波長を変更、つまり、微調整することができる。
なお、ヒータ２０はリング状の光導波路の外側または上部に配置してもよい。

また、ヒータ２０は、第２の導波路部１３ｂを加熱するために、リング状の光導波路の内側、外側または上部に第２の導波路部１３ｂに近接して配置してもよい。
ヒータ２０は第２の導波路部１３ｂを加熱することにより、リング状の光導波路のリング１周の光路長を短くする効果があり、リング共振器１３におけるピーク波長、つまり共振波長を変更、つまり、微調整することができる。

さらに、ヒータ２０は、第３の導波路部１３ｃおよび第２の導波路部１３ｂそれぞれを加熱するために、第３の導波路部１３ｃおよび第２の導波路部１３ｂそれぞれに近接して配置してもよい。
第３の導波路部１３ｃおよび第２の導波路部１３ｂそれぞれに近接して配置し、第３の導波路部１３ｃおよび第２の導波路部１３ｂを加熱するヒータを選択することにより、リング状の光導波路のリング１周の光路長を長くもしくは短くする効果を有することができ、リング共振器１３におけるピーク波長、つまり共振波長を長短いずれにも変更、つまり、長短いずれにも微調整することができる。

次に、実施の形態１に係る光モジュールにおいて、群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定されたリング共振器１３におけるピーク波長、つまり共振波長の微調整についての動作について説明する。
今、前提として、入力光導波路１１の光入力ポート１１ｃから光を入射させ、出力光導波路１２の光出力ポート１２ｃから光を出力させるリング共振器型フィルタ１０とする。
入力光導波路１１の光入力ポート１１ｃに入射させる光の波長を変化させて光を入射させた時、もしくは波長多重された光を入射させた時、出力光導波路１２の光出力ポート１２ｃからは、リング共振器１３の中で定在波となる波長を共振ピークとした周期的な波長依存性を持つ光が出力される。

最初に、ヒータ２０により、第３の導波路部１３ｃを加熱することにより、リング共振器１３における共振波長ｍ・λを変更できる点について説明する。
ヒータ２０により第３の導波路部１３ｃを加熱していない状態において、環境温度が変化した際のリング共振器１３における共振波長ｍ・λは次式（１１）に想定される。
すなわち、温度変化ΔＴによる影響を受けたとして想定した共振波長ｍ・λを次式（１１）に示す。
次式（１１）において、左辺における３つの（）内の第２項が温度変化ΔＴによる影響示す。

上式（１１）は次式（１２）に変換できる。

実施の形態１において、リング共振器１３として群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定されているので、上式（１２）における左辺第２項の（）内は０であるので、上式（１２）は次式（１３）により表すことができる。

一方、環境温度がΔＴ変化した状態において、ヒータ２０により第３の導波路部１３ｃを加熱し、第３の導波路部１３ｃの環境温度（周囲温度）をＴ´高くした状態におけるリング共振器１３における共振波長ｍ´・λは次式（１４）に想定される。

上式（１４）は環境温度がΔＴ高くなった場合に想定される上式（１１）に対応し、第３の導波路部１３ｃの環境温度のみがさらにＴ´高くなった場合のリング共振器１３における共振波長ｍ´・λを示している。

上式（１１）を上式（１２）に変換したと同様に上式（１４）を変換し、さらに、実施の形態１において、リング共振器１３として群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定されているので、上式（１２）における左辺第２項の（）内は０にした同様に処理すると、上式（１４）は次式（１５）により表すことができる。
次式（１５）は上式（１３）に対応する。

上式（１５）は次式（１６）により表せる。

上式（１６）におけるｍ´は上式（１３）におけるｍに対して大きな値となり、ヒータ２０により第３の導波路部１３ｃを加熱することにより、リング共振器１３における共振波長ｍ´・λを第３の導波路部１３ｃを加熱しない場合のリング共振器１３における共振波長ｍ´・λから変更できることを意味している。

すなわち、第３の導波路部１３ｃを加熱し、第２の導波路部１３ｂを加熱しないことにより、第３の導波路部１３ｃと第２の導波路部１３ｂとの間に温度勾配を生じさせると、リング共振器１３内の光の位相を変化させることができ、リング共振器１３における共振波長を変更できる。

要するに、リング共振器１３において、環境温度が変化してリング共振器１３全体の温度、特に、第３の導波路部１３ｃの温度と第２の導波路部１３ｂの温度が同じ温度で変化しても共振波長ｍλが変化しない、つまり、群屈折率の温度依存性が温度無依存であるリング共振器１３が実現できた上で、ヒータ２０を用いて第３の導波路部１３ｃと第２の導波路部１３ｂとの間に温度勾配を生じさせることにより、リング共振器１３における共振波長の微調整が可能である。

上記した内容を踏まえて群屈折率の温度依存性が温度無依存に設定されたリング共振器１３における共振波長の微調整についての動作について説明する。
入力光導波路１１の光入力ポート１１ｃから入射された光により、リング共振器１３における共振周波数に基づいた波長の光が出力光導波路１２の光出力ポート１２ｃから出力される。

一方、入力光導波路１１のスルーポート１１ｄからの光を観測（モニタ）している光モニタ３０は、スルーポート１１ｄからの光の強度、例えば、入力光導波路１１のスルーポート１１ｄからの光を検知した受光素子の出力レベルが大きいと、リング共振器１３における共振周波数が設定した共振周波数からずれていると判定し、ヒータ用制御回路（図示せず）を介してヒータ２０による加熱量を制御する。

加熱量を制御されるヒータ２０が第３の導波路部１３ｃを加熱し、リング共振器１３における共振波長が上式（１６）に示すように変更、つまり微調整される。リング共振器１３における共振波長が設定した共振周波数に微調整され、入力光導波路１１のスルーポート１１ｄからの光を検知した受光素子の出力レベルが下がると、出力光導波路１２の光出力ポート１２ｃから設定された波長の光が出力されているとして、ヒータ２０による第３の導波路部１３ｃの加熱が停止される。

なお、実施の形態１では、光モニタ３０が入力光導波路１１のスルーポート１１ｄからの光を観測しているが、出力光導波路１２の光出力ポート１２ｃから出力される光を観測してヒータ用制御回路を介してヒータ２０による加熱量を制御するものでもよい。この場合は、出力光導波路１２の光出力ポート１２ｃから出力される共振波長の光の強度が小さいとヒータ２０による加熱量を制御する。

したがって、実施の形態１に係る光モジュールにおけるリング共振器型フィルタ１０は、環境温度の変化には依存せず、光モニタ３０による光のモニタに基づく制御信号によりリング共振器１３における共振波長を微調整できる。

実施の形態１に係る光モジュールは、群屈折率に対して温度無依存である第１の導波路部１３ａ、群屈折率の温度依存性が負である第２の導波路部１３ｂ、および、群屈折率の温度依存性が正である第３の導波路部１３ｃを有するリング共振器１３と、第２の導波路部１３ｂまたは第３の導波路部１３ｃのいずれか一方を加熱するヒータとを備えるので、環境温度の変化には依存せず、群屈折率の温度依存性が温度無依存であるリング共振器１３が実現でき、しかも、リング共振器１３における共振波長の微調整が精度高く、容易にできる。

なお、実施の形態１では、第１のバス導波路１１を入力光導波路１１とし、第１のバス導波路１１において、第１のポート１１ｃを光入力ポート、第２のポート１１ｄをスルーポートとし、第２のバス導波路１２を出力光導波路１２とし、第２のバス導波路１２において、第１のポート１２ｃを光出力ポートとしたが、次のようにしてもよい。

第２のバス導波路１２を入力光導波路１２とし、第２のバス導波路１２において、第１のポート１２ｃを光入力ポート、第２のポート１２ｄをスルーポートとし、第１のバス導波路１１を出力光導波路１１とし、第１のバス導波路１１において、第２のポート１１ｄを光出力ポートとしてもよい。

第１のバス導波路１１の第１のポート１１ｃおよび第２のバス導波路１２の第１のポート１２ｃそれぞれを光入力ポートとし、第１のバス導波路１１の第２のポート１１ｄおよび第２のバス導波路１２の第２のポート１２ｄそれぞれを光出力ポートとしてもよい。

実施の形態１において、リング共振器１３の構成は、例えばシリコンプラットフォーム上の平面導波路系である。
また、第１のバス導波路１１と第２のバス導波路１２とリング共振器１３を備えるリング共振器型フィルタ１０は、方向性結合器またはＭＭＩ（Multi-Mode Interferometer）などによって光として接続される。ここの結合係数の変化と、リング周長によってリング共振器のフィルタ特性を変更できる。

実施の形態１において、リング共振器１３を一対の光導波路から構成されたスロット導波路を用いたリング状の光導波路を用いたものとしたが、導波路構造の幅を変えることにより、群屈折率の温度依存性が温度無依存である第１の導波路部１３ａ、群屈折率の温度依存性が負である第２の導波路部１３ｂ、群屈折率の温度依存性が正である第３の導波路部１３ｃ、および、群屈折率の温度依存性が温度無依存である第４の導波路部１３ｄを有するリング状の光導波路を用いたものとしてもよい。

なお、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る光モジュールは、波長多重通信方式における光通信システムに用いられる波長フィルタを有する光モジュールに好適である。

１０リング共振器型フィルタ、１１第１のバス導波路（入力光導波路）、１２第２のバス導波路（出力光導波路）、１３リング共振器、１３ａ第１の導波路部、１３ａ_１、１３ａ_２光導波路、１３ｂ第２の導波路部、１３ｂ_１、１３ｂ_２光導波路、１３ｃ第３の導波路部、１３ｃ_１、１３ｃ_２光導波路、１３ｄ第４の導波路部、１３ｄ_１、１３ｄ_２光導波路、１３ｅ～１３ｈ接続導波路部、２０ヒータ。

Claims

群屈折率の温度依存性が温度無依存である第１の導波路部、群屈折率の温度依存性が負である第２の導波路部、および、群屈折率の温度依存性が正である第３の導波路部を有するリング共振器と、
前記第２の導波路部または前記第３の導波路部のいずれか一方を加熱するヒータと、
を備える光モジュール。
前記第１の導波路部、前記第２の導波路部、および、前記第３の導波路部は、それぞれＳＯＩ基板の表面に間隙を介して平行に配置されたシリコン、シリコンナイトライド、またはインジウムリンなどの温度が高くなると屈折率が大きくなる材料により形成された一対の光導波路から構成されたスロット導波路と、前記スロット導波路における一対の光導波路の間隙に埋め込まれたベンゾシクロブテンまたは酸化チタンなどの温度が高くなると屈折率が小さくなる材料により形成された絶縁層を有する、
請求項１に記載の光モジュール。
前記第２の導波路部における群屈折率の温度依存値と長さの積と、前記第３の導波路部における群屈折率の温度依存値と長さの積との和が０を満たす前記第２の導波路部における長さと前記第３の導波路部における長さが設定された、
請求項１または請求項２に記載の光モジュール。
前記第１の導波路部と前記第２の導波路部は、前記第２の導波路部に向かって断熱的に幅が広くなるテーパ構造の接続導波路部によって接続され、
前記第１の導波路部と前記第３の導波路部は、前記第３の導波路部に向かって断熱的に幅が狭くなるテーパ構造の接続導波路部によって接続される、
請求項３に記載の光モジュール。