JPH10509249A - 複数の誘導波長用光学フィルタ - Google Patents

複数の誘導波長用光学フィルタ

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JPH10509249A
JPH10509249A JP8512369A JP51236996A JPH10509249A JP H10509249 A JPH10509249 A JP H10509249A JP 8512369 A JP8512369 A JP 8512369A JP 51236996 A JP51236996 A JP 51236996A JP H10509249 A JPH10509249 A JP H10509249A
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Abstract

(57)【要約】 あらゆる基本部分が複数の格子(20)を備え、それらの格子の周期が種々のそれぞれのフィルタ波長に対応し、種々の基本格子(20)が1つの誘導層(22)または誘導層(22)のスタックに刻まれる、連続格子を含む多重誘導波長のための光学フィルタ。

Description

【発明の詳細な説明】 複数の誘導波長用光学フィルタ 本発明は光学フィルタの分野に関するものである。 本発明は受動光学フィルタまたは能動光学フィルタの製作に応用できる。 更に詳しくいえば、本発明は多数(2より多い)の誘導波長のための光学フィ ルタを提案することを求めているものである。 本発明の多数波長フィルタは、たとえば、多数波長レーザ源に含むことができ る。 そのようなレーザ源は将来の多重通信システムのための基本的な部品である。 現在の技術状態では、非常に多数のアクセスできるチャネル、たとえば、最低5 0チャネル、を含むエルビウム帯(1530nmないし1560nm)をカバー するレーザ源を開発することに特別な利益が存在する、と発明者は結論した。 本発明のフィルタはスペクトル拡散源において、それが発生するように製作さ れている周波数を選択することもできる。 本発明のフィルタは一連の光導波器素子に含むことができ、またはファイバ内 の本来の場所に定義されることができる。 周波数くしを実現する2種類の装置が多波長レーザ源のために最近提案された 。 分布ブラッグ反射器(DBR)型であるそのような構造では、フィルタ素子( 周波数くし)は光の伝播する方向にある能動領域の両側に配置される。 それら2つの既知の従来構造を添付した第1図と第2図に線図的に示す。 添付した第1図に示す、第1の既知の構造がIEEE Journal of Quantum Electronics、29巻、6号、1993年7月、 所載の「標本化格子を有する同調範囲拡張半導体レーザの理論、設計、および性 能(Theory,design,and performance of e xtended tuning range semiconductor l asers with sampled gratings)」と題するJay araman他の論文と、1994年3月Santa Barbaraにおける 第6回インジウムりん化合物および関連する物質についての国際会議(6th Int.Conf.Indium Phosphide and Relate d Materials)で発表された「出力電力が10mワットで、60nm 以上の同調のサンプル格子同調可能レーザの持続波動作、および単一同調特性( Continuous−wave operation of sample grating tunable lasers with 10 mwatt output power,>60nm tuning,and monot onic tuning characteristics)」と題するJay araman他の論文とに記述されている。レーザ源は能動領域12の両側に標 本化格子10を含む。更に詳しくいえば、導波器は回折格子領域を周期的に(周 期がZ0)含む。各格子領域は分布反射器として挙動する。標本化周期は格子領 域の周期Z0により決定される。 第2図に示す第2の既知の従来技術が、たとえば、IEEE Journal of Quantum Electronics 29巻、6号、1993年 6月号所載の「広帯域波長同調可能な超構造格子(SSG)DBRレーザ(Br oad range wavelength−tunable superst ructure grating (SSG) DBR lasers)」と題 するTohmori他の論文に記述されている。その構造は超構造格子(SSG )を含む。またその場合には、能動領域12の両側に格子導波器10が認められ る。しかし、第2の源では、各導波器10はそれの全長にわたって格子を有する 。変化するのは周期(または位相)であり、これは周期ΛSで周期的に行われる 。結 果としての周波数くしは格子周期にわたって周期ΛSにより定められる。 第1図に示す第1の既知の構造は格子により行われる結合振幅に対するオン/ オフ変化を周期的に行う。添付した第2図に示す第2の既知の構造は信号の位相 を変更する。 数多くの他の文献が光信号に対する種々の格子構造の作用を解析している。 たとえば、ECOC 93 post−deadline paper所載の 「InPにおける格子支援垂直指向性結合器を用いる偏光には無関係の波長フィ ルタ(Polarization−independent waveleng th filter using a grating−assisted v ertical directional coupler in InP)」 と題するHeismann他による論文には、指向性結合器に組合わせたフィル タが記述されている。指向性結合器は2つの周期を持ち、2つの偏光、TE、T M、を別々に濾光できるようにする格子である。Electronics Le tters 1991年10月10日号、17巻、21号、1969〜1971 ページ所載の「高速高密度波長多チャネル突き合わせ接合DBRレーザ(Hig h speed and high density wavelength multichannel−jointed DBR lesers)」と題す る論文に、格子を局部的にエッチングすることにより製作され、電流により制御 されるフィルタが記述されている。 Optical Society of America 7巻、8号、19 90年8月、所載の「二重周期構造における誘導波の厳密な解析(Rigoro us analysis of guided waves in doubl y periodic structures)」と題するPengによる論文 には、2つの格子の間にサンドイッチ状に挟まれているフィルム内での波の1つ の向きの伝播についての2つの格子の相互作用の影響を数学的に解析して、伝播 が生ずることを可能にするためには、一方の格子の周期を他方の格子の周期の2 倍にしなければならないと結論している。 IEEE Photonics Technology Letters、5 巻、3号、1993年3月、所載の「波長多重分離応用のための平面状光導波器 における重畳位相格子(Superimposed phase gratin gs in planar optical waveguides for wavelength demultiplexing applicatio ns)」と題するNinier他の論文、およびOptics Letters 、15巻、7号、1990年4月1日、所載の「局部的に感光性にした単一モー ド・ポリマーマイクロ構造導波器における波長分割多重化および多重分離(Wa velength−division multiplexing and d emultiplexing on locally sensitized single−mode polymer microstructure w aveguides)」と題するWang他の論文は、平面状光導波器における バルクホログラフィック格子で得られる回折の作用について研究している。 文献GB−A−2270174は、異なる周期の2つの格子で構成された同調 可能な光学フィルタに関するものである。格子は導波器に沿って一列に置かれる 。各格子は全ての導波器に個々に作用する。 文献US−A−4885753は広く同調可能なレーザに関するものである。 その文献に記載されているほとんどの実施例では、格子は導波器に沿って1列に 製作され、所与の周期の各格子が電極により制御される。変更例では、第1の格 子を導波器層の下に置き、第2の格子をそれらの上に置くことが提案されている 。そのようにして提案されている着想は導波器の数を2に制限する。 標本化格子または超構造格子を持つ既知の多波長レーザ源には種々の欠点があ る。 それら2つの文献に記載されている2つの多周波フィルタの1つを含む分布ブ ラッグ反射器構造は、アクセス可能なチャネルに関して制約される。説明した実 現方法では、その方法により実現される装置の長さが合理的長さ(2mmより短 い)になるようにしているが、フィルタの幾何学的な寸法がチャネルの間隔を決 定するから、チャネルの間の間隔を狭くすることは困難なようである。 とくに、Jarayamanにより開示されている標本化格子では、2つのチ ャネルの間の波長間隔は、標本化周期Z0により決定される。2つのチャネルの 間のこの間隔は1/Z0で変化する。Z0が約50μmであると、くしの2つのチ ャネルの間の波長間隔、dλ、は6nmである。 約1nmの間隔dλを得るためには、標本化周期Z0を300μmとする必要 がある。不幸なことに、2つのチャネルの間で選択するために、フィルタは少な くとも5つまたは6つの周期Z0を含まなければならない。そうすると長さが6 ×300μm、すなわち、18.8mmであるフィルタとなる。同調可能なレー ザ源が2つのフィルタと利得領域を有するものとすると、その実現方法で得られ る、2つのチャネルの間の間隔を約1nmまで狭くできる装置の長さは少なくと も4mmである。そのような長さはレーザ源では考えられない。というのはそう すると伝播中の損失が過大にあるからである。 そうすると本発明の目的は既知の多波長導波器フィルタを改良することである 。 更に詳しくいえば、本発明の目的は、波長の間の間隔をあるnm(通常は10 nmないし20nm)ないし0.5nmの範囲にでき、各周波数の反射率を制御 でき(全てを等しく、またはそうではなく)、かつ波長の間の間隔がフィルタの 形状に依存しないような多波長導波器光学フィルタを提案することである。 本発明の文脈では、フィルタは通常100μmないし500μmの長さにでき る。 得られる波長の総数は技術をいかに良く習得するかに依存する。その数は通常 2より多い。 それら種々の目的は、フィルタの種々の波長にそれぞれ対応する周期を持つ複 数の格子を、各基本部分に、含む連続格子を備え、種々の基本格子が共通導波器 層内に、または重畳されている導波器層内に刻み込まれる、という事実を特徴と する多波長導波器光学フィルタにより本発明の文脈で達成される。 本発明のその他の特徴、諸目的、および諸利点は限定しない例として与えた添 付図面を参照する下記の詳細な説明を読むと明らかである。 ・第1図および第2図は上で説明したが、多波長レーザ源の従来技術の構造を 示す線図である。 ・第3図は本発明を線図的に表す受動フィルタの断面図である。 ・第4図は本発明を線図的に表す能動フィルタの断面図である。 ・第5図は本発明のフィルタの幾何学的形状を示す図である。 ・第6図および第7図は本発明の2つの能動構造で測定した低電流スペクトラ ムを示す。 上記のように、従来技術で教示される、格子を標本化する(周期的構造のフー リエ変換)ことにより得られる代わりに、したがって、格子の特性長さに依存す る代わりに、本発明では、フィルタの出力側で得られるべきである種々の周波数 の全てをフィルタの各基本部分に供給する。 更に詳しくいえば、この目的のために、本発明の多波長導波器光学フィルタは 、フィルタの種々の波長にそれぞれ対応する周期を持つ種々の格子を各基本部分 に含む連続格子を備える。更に詳しくいえば、上記種々の基本格子を共通導波器 層内に、または重畳されている複数の導波器層内に設けることができる。 種々の格子の相対的な位相はランダムにでき、または制御できる。 たとえば、添付した第3図は、受動導波器24の上に重畳されているそれぞれ 特定の導波器波長層221ないし22iに刻まれているi個の基本格子201ない し20iを備える本発明の受動フィルタ構造を示す。 添付した第3図では、参照記号Eは受動導波器24への光の入口を表し、参照 記号Sは受動導波器24からの光の出口を表し、参照記号Lは本発明の受動フィ ルタの基本部分の長さを表す。 各格子20の周期を第3図ではΛiで表す。 特定の層22に刻まれている格子20の各周期Λiは誘導波長の半分の整数倍 数mに対応する、すなわち、Λi=m×(λgi/2)である。 もちろん、変更例では、受動導波器24の上に重畳されている1つの共通層2 2に周期Λiの格子20をi個刻むことにより、同等の能動フィルタを得ること ができる。 したがって、格子20は層24の内部を誘導される波を反射する連続全面格子 を構成する。 2つのチャネルの間の間隔dλが0.5mmより広いか、それに等しいならば 、種々の格子20の作用が切り離されることを発明者は計算により確かめ、かつ 実験的に確認した。 また、それの濾光機能を実行するために、すなわち、各周波数に必要な結合を 行うために、格子20を有する各誘導部の長さLは、最高反射率に対する希望の 値に応じて、100μmないし500μmの範囲に少なくとも含まれなければな らず、そうすることが好ましいことが判明している。 本発明のフィルタの各基本部分に全ての周波数が同時に存在し、格子を含んで いる前記導波器領域が全ての周波数を結合する。所与の波長における反射率は前 記波長における格子の効率により制御される。 本発明の多波長フィルタは同調可能な多波長光源に含ませることができる。そ のような光源は長さが約400μmである利得部を通常含むことができる。その 利得部は、伝播方向にその利得部の両側の長さLがおのおの約500μmである 2つの多波長フィルタの間の中央に配置される。したがって、全長が約1.4m mである装置が得られる。 発明者は、しきい値より低い状態で、離隔されている6つの周波数を含む連続 格子を備えて、分布ブラッグ反射器レーザにおいて本発明の多波長フィルタを試 験した。 この目的のために、感光性樹脂の層を表面に有する半導体物質を、アルゴンレ ーザからの紫外線を用いる干渉装置からの出口で得られる種々の周期を持つ6つ の縞系に逐次露光した。試料へのビームの入射角を変更することにより縞系の周 期を変化した。 更に詳しくいえば、各露光の持続時間は、全ての周期に対して同じ効率、すな わち、同じ反射率、を有する格子を得るために要する全持続時間の6分の1に固 定した。 露光と現像の後で、感光性樹脂を用いて半導体物質をエッチングした。したが って、感光性樹脂の層はマスク情報を樹脂から半導体物質に転写するためのマス クとして役立った。 エッチングの後での6つの周期の転写は、光の回折を用いることを特徴とする (書込みのために用いたビームと同じ紫外線ビームを用いた)。 その特徴により、1つの書込み周期におのおの対応する6つの回折スポットを 観察することが可能にされた。各周期により回折された強さを測定した。この測 定により強さを対応する格子20の形に、したがって、所与の導波器条件では、 それからの結果である結合に相関させることが可能にされた。 等しい全露光時間に対して、たかだか6dBだけ変化する回折値を発明者は測 定した。それは格子により行われる結合の間の係数0.7に対応する。 また発明者は、種々の露光時間が種々の回折時間に、したがって、種々のそれ ぞれの波長に関連する種々の反射率に対応することも確認した。したがって、各 周波数に対する相対的な露光時間を制御することにより、各波長に対して特定の 反射率を持つフィルタをこのようにして得ることが可能である。 その後で、第4図に示す種類の連続格子レーザ構造により構成した、このよう にして得た能動フィルタを試験した。 第4図で、バイアスのための2つの金属層30、32と、InP基板33と、 能動物質層34と、上記6種類の周期が移されている四価のGaInAsP物質 の層35と、最後に上部のInP層36とを見ることができる。能動物質35の 2つの面に反射防止処理を施した。 更に詳しくいえば、発明者は、しきい値電流より少ない電流で、更に詳しくい えば、しきい値電流の0.8倍の電流で、第4図に示す2つの構造に対して試験 した。 第6図および第7図はそれら2つの能動構造を用いて得たそれぞれの低電流ス ペクトラムを示す。 第6図は、しきい値電流が28mAで、動作電流が22mAである能動電流に 対応し、第7図はしきい値電流が35mAで、動作電流が28mAである能動電 流に対応する。 第6図および第7図からわかるように、測定したスペクトラムは、格子20の 6つの周波数にそれぞれ組合わされた6つのバンドを示す。 バンドの間の間隔は格子20の周期の間に間隔をとった結果である。バンドの 重みは格子20の効率を表す。 バンドは一定に離隔され、かつ対応するバンド幅であることがわかる。 能動物質における各バンドは受動物質における反射率スペクトラム幅に等しい 。 もちろん、本発明は上記特定の実施例に限定されるものではない。 とくに、フィルタの単一の共通層への、またはフィルタの複数の重畳された層 への、種々の基本格子20の移転を、数多くのやり方で行うことができる。 したがって、他の実施例では、導波器のどのような基本部にもおける全ての周 期を含み、格子中の各線の尺度で幾何学的な形を直接定める電子マスクにより、 フィルタの種々の周波数にそれぞれ対応する周期を有する各種の格子の和によっ て構成される完全な格子を得ることが可能である。前記形は希望する周期の和を 表すものであって、各周期に対して望まれる形である。そのような状況の下では 、各格子の振幅寄与は、マスクにより加えられる電子線の量の結果として得られ る格子の幾何学的形状によって制御できる。 周期Ziが求められる。各周期に対して、格子の幾何学的形状をAicos(2 πz/Zi)により表すことができる(それの第一種の拡張まで)。周期Ziに関 連する周波数Fiで誘導される光に対する反射率はAiに依存する。格子の和とし て得られる格子は Σiicos((2πz/Zi)+θi) に対応する(いぜんとして第一種まで)。ここにθiは基準に対する各周期の位 この幾何学的形状は、導波器層の上に重ねられた格子を表す第5図の線図に対 応する。格子の和を構成する格子の外観は相対的な位相に対応する。 本発明のフィルタは、それの電流注入手段を、種々の格子を含んでいる領域に 面するように置くことによって同調可能にできる。このためには、電極を上記領 域の上に置くだけで十分である。それ自体知られているやり方で、電流を制御し つつ注入することにより、フィルタを構成する媒体の屈折率を変化することから フィルタを同調させることができる。 発明者は、2つの5周期フィルタ(おのおの5つの重畳された格子を含む)の 間に400μmの長さの中央能動部を備える三部DBRレーザ構造でも本発明の 多波長フィルタを試験した。前記2つのフィルタのうちの第1のフィルタは、長 さが150μmで、周期が波長間隔5.69nmに対して0.89nmだけ離隔 されたものであり、第2のフィルタは長さが240μmで、周期が波長間隔4. 6nmに対して0.72nmだけ離隔されたものである。その構造は3つのエピ タキシャル工程により得られた。中央利得部を第1の工程で液相エピタキシ(L PE)技術で構成し、このLPE技術で同様に製作した受動GaInAsP導波 器に結合し、かつ種々の求めている波長に対応した多数回の露光も行った。その 後で構造中でストリップを化学的にエッチングし、金属−有機物気相エピタキシ (MOVIP)を用いてp型InP再成長により埋め込んだ。陽子打ち込みによ り能動ストリップにおける電流を制限した。 本発明の他の有利な特徴に従って、装置に位相領域を付加できる。従来のよう にして、制御した電流を注入するための電極が設けられている伝播領域でそのよ うな領域を構成する。その電流注入により関連する領域の屈折率が変化させられ る。これにより、光路長を変更することによって信号の位相を変化することが可 能にされる。この構成により空胴モードを反射器により同調することが可能にさ れる。 そのような位相領域を、たとえば、能動利得領域と本発明の多波長反射器フィ ルタとの間に、そのような単一フィルタを含む構造で、または実際は能動領域の それぞれの端部に2つのフィルタを含む構造で、配置できる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. フィルタの種々の波長にそれぞれ対応する周期を持つ複数の格子(20 )を、各基本部分に含む連続格子を備え、種々の基本格子(20)が共通導波器 層(22)内又は重畳されている導波器層(22)内に刻み込まれることを特徴 とする多波長導波器光学フィルタ。 2. 請求の範囲1記載の光学フィルタであって、重畳される基本格子の数は 2より大きいことを特徴とする光学フィルタ。 3. 請求の範囲1または2記載の光学フィルタであって、各波長に対する反 射率を制御するように各格子の振幅寄与が制御されることを特徴とする光学フィ ルタ。 4. 請求の範囲1ないし3のいずれか1つに記載の光学フィルタであって、 種々の格子の相対的な位相が制御されることを特徴とする光学フィルタ。 5. 請求の範囲1ないし3のいずれか1つに記載の光学フィルタであって、 種々の格子の相対的な位相はランダムであることを特徴とする光学フィルタ。 6. 請求の範囲1ないし5のいずれか1つに記載の光学フィルタであって、 フィルタの2つのチャネルの間の波長間隔は0.5nmより広いか、それに等し いことを特徴とする光学フィルタ。 7. 請求の範囲1ないし6のいずれか1つに記載の光学フィルタであって、 各基本部分に種々の格子を含む連続格子を備えるフィルタの長さ(L)は100 μmのオーダーであることを特徴とする光学フィルタ。 8. 請求の範囲1ないし7のいずれか1つに記載のフィルタであって、受動 フィルタを構成することを特徴とするフィルタ。 9. 請求の範囲1ないし7のいずれか1つに記載のフィルタであって、能動 フィルタを構成することを特徴とするフィルタ。 10. 請求の範囲1ないし9のいずれか1つに記載の光学フィルタであって 、種々の周波数のそれぞれの周期に対応する縞系に感光性樹脂を露光し、前記縞 系を半導体層に移すことにより前記連続格子を得ることを特徴とする光学フィル タ。 11. 請求の範囲10記載のフィルタであって、各格子の前記振幅寄与が各 縞系の露光の相対的な持続時間により制御されることを特徴とするフィルタ。 12. 請求の範囲1ないし9のいずれか1つに記載のフィルタであって、種 々の基本格子の和により全ての部分に形成された前記連続格子が連続マスクによ り得られることを特徴とする光学フィルタ。 13. 請求の範囲12記載のフィルタであって、各格子の振幅寄与が、マス クにより加えられる線量の結果としての格子の形状により制御されることを特徴 とするフィルタ。 14. 請求の範囲1ないし13のいずれか1つに記載のフィルタであって、 連続格子(201,20i)が隣接する導波器層(24)中を誘導される波に対す る反射面格子を構成することを特徴とするフィルタ。 15. 請求の範囲1ないし14のいずれか1つに記載のフィルタであって、 種々の基本格子(20)の重畳により全ての点に形成された連続格子をおのおの が備える2つの導波器部の間に、伝播方向に、中央利得部を備える同調可能なレ ーザ源を構成することを特徴とするフィルタ。 16. 請求の範囲1ないし15のいずれか1つに記載のフィルタであって、 同調可能であることを特徴とするフィルタ。 17. 請求の範囲16記載のフィルタであって、重畳されている格子領域上 に電極を備える電流注入手段を備えることを特徴とするフィルタ。 18. 請求の範囲1ないし17のいずれか1つに記載のフィルタであって、 能動部と、重畳された多数の格子を有する部分との間に配置された、電流注入電 極を設けられている伝播領域により構成された少なくとも1つの位相領域を含む ことを特徴とするフィルタ。
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