WO2019160031A1 - リング共振器フィルタおよびその設計方法 - Google Patents

リング共振器フィルタおよびその設計方法 Download PDF

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resonator filter
ring resonator
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optical multiplexing
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慎太郎 山崎
長谷川　淳一
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古河電気工業株式会社
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    • G02B6/29338—Loop resonators
    • G02B6/29343—Cascade of loop resonators

Definitions

  • the present invention relates to a ring resonator filter and a design method thereof.
  • Patent Document 1 an optical element having a configuration in which an optical multiplexer / demultiplexer having a branching ratio of 50:50 is connected to the ring resonator is disclosed.
  • a part of the laser beam is transmitted through an etalon filter having a curved transmission characteristic that is periodic with respect to the wavelength of the light.
  • an etalon filter having a curved transmission characteristic that is periodic with respect to the wavelength of the light.
  • Such a mechanism is called, for example, a wavelength locker.
  • This etalon filter provides a wavelength discrimination curve according to its transmission spectrum.
  • Etalon fill has a low degree of freedom in design of transmission spectrum characteristics, and therefore a low degree of freedom in the wavelength discrimination curve that can be provided.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a ring resonator filter having a high degree of freedom in designing transmission characteristics and a design method thereof.
  • a ring resonator filter includes a quartz-based planar lightwave circuit having a core and a cladding, and the core includes two arm portions.
  • a ring-shaped portion, and two optical multiplexing / demultiplexing portions that optically couple the two arm portions and the ring-shaped portion, and a branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing portion is greater than 0% and 50% Less than or more than 50% and less than 100%.
  • the ring resonator filter according to an aspect of the present invention is characterized in that a branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing unit is larger than 50%.
  • the ring resonator filter according to an aspect of the present invention is characterized in that the core includes a plurality of the ring-shaped portions.
  • the ring resonator filter according to an aspect of the present invention is characterized in that the core further includes an optical multiplexing / demultiplexing unit that optically couples the plurality of ring-shaped units.
  • the ring resonator filter according to an aspect of the present invention is characterized in that the optical multiplexing / demultiplexing unit is a multimode optical interference type.
  • the optical multiplexing / demultiplexing unit has a structure optimization shape identified by repeatedly calculating a loss in a shape in which an outer shape is slightly perturbed.
  • the ring resonator filter according to an aspect of the present invention is characterized in that a relative refractive index difference of the core with respect to the cladding is 5% or more.
  • a design method of a ring resonator filter according to an aspect of the present invention is formed of a quartz-based planar lightwave circuit having a core and a clad, and the core includes two arm portions, a ring-shaped portion, and the two arms.
  • a ring resonator filter design method having an optical coupling / demultiplexing unit that optically couples a ring part and the ring-shaped unit, wherein a branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing unit is set according to desired transmission characteristics It is characterized by that.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of transmission characteristics of the ring resonator filter of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the structure optimization shape of the optical multiplexing / demultiplexing unit.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the third embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing the transmission characteristics of the ring resonator filter of FIG.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the first embodiment.
  • the ring resonator filter 10 is composed of a quartz-based planar lightwave circuit (PLC) having a core 11 and a clad 12.
  • PLC quartz-based planar lightwave circuit
  • the clad 12 surrounds the core 11 and is formed on, for example, a silicon substrate or a glass substrate.
  • the clad 12 is made of a quartz glass material.
  • the core 11 is made of a quartz glass material having a refractive index higher than that of the cladding 12.
  • a quartz glass material having a high refractive index for example, quartz glass containing germania (GeO 2 ) or zirconia (ZrO 2 ) as a dopant for increasing the refractive index can be used.
  • the relative refractive index of the core 11 with respect to the cladding 12 can be increased to, for example, 5% or more, so that the ring resonator filter 10 can be downsized. It is preferable in some cases.
  • the core 11 includes two arm portions 11a and 11b, a ring-shaped portion 11c, and two optical multiplexing / demultiplexing portions 11d and 11e that optically couple the arm portions 11a and 11b and the ring-shaped portion 11c.
  • the arm portions 11a and 11b are linear
  • the ring-shaped portion 11c is a rounded rectangular shape formed by two arc portions and two straight portions, but the shape is not limited thereto.
  • the ring-shaped part 11c may be, for example, circular or elliptical.
  • the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e are of 2 ⁇ 2 type with two ports on the input side and two ports on the output side, and are of directional coupling type or multimode optical interference (MMI) type. Suppose that it is a type.
  • MMI multimode optical interference
  • the arm portions 11a and 11b and the ring-shaped portion 11c have a cross-sectional size so that light of a used wavelength (for example, 1.55 ⁇ m band) is propagated in a single mode according to a relative refractive index difference with respect to the cladding 12. Is set.
  • the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e propagate light in a used wavelength (for example, 1.55 ⁇ m band) in multimode according to the relative refractive index difference with respect to the cladding 12, and have a branching ratio described below.
  • the size of the cross section is set.
  • the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e will be described more specifically.
  • the optical multiplexing / demultiplexing unit 11d two ports on the input side are connected to the arm unit 11a and the ring-shaped unit 11c, respectively, and two ports on the output side are also connected to the arm unit 11a and the ring-shaped unit 11c, respectively.
  • the optical multiplexing / demultiplexing part 11d optically connects the arm part 11a and the ring-shaped part 11c.
  • the optical multiplexing / demultiplexing portion 11d is disposed on one linear portion of the ring-shaped portion 11c.
  • the optical multiplexing / demultiplexing unit 11d branches the light L1 input from the arm unit 11a on the left side of the drawing at x: (100 ⁇ x) and converts x [%] of the light L1 to the ring-shaped portion 11c as indicated by the broken line arrow. Are output in the clockwise direction and (100 ⁇ x) [%] is output to the right side of the arm portion 11a in the drawing. That is, the branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing unit 11d is x [%].
  • the optical multiplexing / demultiplexing unit 11e In the optical multiplexing / demultiplexing unit 11e, two ports on the input side are connected to the arm unit 11b and the ring-shaped unit 11c, respectively, and two ports on the output side are also connected to the arm unit 11b and the ring-shaped unit 11c, respectively.
  • the optical multiplexing / demultiplexing part 11e optically connects the arm part 11b and the ring-shaped part 11c.
  • the optical multiplexing / demultiplexing portion 11e is disposed on the other straight portion of the ring-shaped portion 11c. That is, the optical multiplexing / demultiplexing portion 11d and the optical multiplexing / demultiplexing portion 11e are arranged at positions facing each other across the center of the ring-shaped portion 11c.
  • the optical multiplexing / demultiplexing part 11d and the optical multiplexing / demultiplexing part 11e are arranged point-symmetrically with respect to the center of the ring-shaped part 11c and are arranged symmetrically about the major axis of the ring-shaped part 11c. Yes.
  • the optical multiplexing / demultiplexing unit 11e branches the light input from the ring-shaped portion 11c at x: (100-x), and, as indicated by a broken line arrow, transmits (100-x) [%] to the ring-shaped portion 11c. Output in the direction around, and output x [%] to the arm 11b on the left side of the drawing. That is, the branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing unit 11e is x [%].
  • the branching ratio x [%] of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e is set to be greater than 0% and less than 50%, or greater than 50% and less than 100%.
  • the transmission characteristic of the ring resonator filter 10 is , Depending on the branching ratio x [%].
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of transmission characteristics of the ring resonator filter 10.
  • the vertical axis represents the frequency of light
  • the horizontal axis represents the power of transmitted light
  • the spectra are obtained by setting x to 50%, 60%, 82%, and 88%, respectively.
  • the spectrum of the power of the transmitted light changes according to x. For example, if the extinction ratio (ER) is defined as the difference between the maximum value and the minimum value of transmitted light power and the minimum value is defined as excess loss, x is 50%, 60%, 82%, and 88%.
  • ER were 7.1 dB, 5.5 dB, 2.5 dB, and 1.7 dB, respectively.
  • the excess losses were 7.6 dB, 6.7 dB, 4.8 dB, and 4.2 dB, respectively.
  • the ER is, for example, 9.0 dB
  • the excess loss is, for example, 10 dB.
  • the ring resonator filter 10 by changing the setting of the branching ratio x of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e, the transmission characteristic can be freely changed, and the degree of freedom in designing the transmission characteristic is increased. high.
  • the ring resonator filter 10 having a desired transmission characteristic can be easily designed by setting the branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e according to the desired transmission characteristic.
  • this ring resonator filter 10 is applied to a wavelength locker, it is suitable for the control according to the control of the wavelength of the laser light required by the specifications. Can provide wavelength discrimination curves of different designs.
  • the ring resonator filter 10 can be applied to various uses by utilizing the high degree of freedom of design regardless of the use of the wavelength locker.
  • the optical multiplexing / demultiplexing portions 11d and 11e have a structure optimized shape identified by repeatedly calculating a loss in a shape in which the outer shape is slightly perturbed.
  • the structure-optimized shape means that the excess loss can be kept small by repeating the process of finely perturbing the outer shape of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e and calculating the coupling loss in the perturbed shape by computer simulation. It is a shape specified by computer simulation as a shape.
  • this optimization algorithm for example, a technique known as a wavefront matching method or a topology optimization method can be used.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the structure optimization shape of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e.
  • the optical multiplexing / demultiplexing portions 11d and 11e have a structure-optimized shape using a topology optimization method, and the outer shape is not linear but is slightly uneven. By adopting such a structure optimization shape, excess loss of the optical multiplexing / demultiplexing portions 11d and 11e can be reduced.
  • the input light is branched by x: (100 ⁇ x) and output as output light.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the second embodiment.
  • the ring resonator filter 20 is composed of a quartz PLC having a core 21 and a clad 12.
  • the constituent materials and the cross-sectional sizes of the core 21 and the clad 12 are the same as those of the core 11 and the clad 12 of the ring resonator filter 10 according to the first embodiment, respectively, and thus description thereof is omitted.
  • the core 21 includes two arm portions 11a and 11b, two ring-shaped portions 11c and 21f, an optical multiplexing / demultiplexing portion 11d that optically couples the arm portion 11a and the ring-shaped portion 11c, and an arm portion 11b and a ring.
  • the ring-shaped part 21f has an optical path length different from that of the ring-shaped part 11c, and has an FSR (Free Spectral Range) different from that of the ring-shaped part 11c.
  • the ring-shaped portion 21f has a rounded rectangular shape, but the shape is not limited thereto.
  • the optical multiplexing / demultiplexing unit 21g is a 2 ⁇ 2 type with two ports on the input side and two ports on the output side, and is a directional coupling type or an MMI type, but in this embodiment, it is assumed to be an MMI type. Further, the structure optimized shape is preferable.
  • the optical multiplexing / demultiplexing part 21g also has a branching ratio of x [%], as indicated by the broken-line arrows, similarly to the optical multiplexing / demultiplexing parts 11d and 11e. Further, the optical multiplexing / demultiplexing part 11d and the optical multiplexing / demultiplexing part 21g are arranged at positions facing each other across the center of the ring-shaped part 11c.
  • the optical multiplexing / demultiplexing part 21g and the optical multiplexing / demultiplexing part 11e are arranged at positions facing each other across the center of the ring-shaped part 21f.
  • this ring resonator filter 20 when the light L1 input from the left side of the arm portion 11a in the drawing is input light and the light L2 output from the right side of the arm portion 11b is transmission light, the transmission characteristics of the ring resonator filter 20 are obtained.
  • the transmission characteristics of the ring resonator filter 20 change according to the branching ratio x [%]. Therefore, according to the ring resonator filter 20, the transmission characteristic can be freely changed by changing the setting of the branching ratio x of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d, 11e, and 21g, and the design of the transmission characteristic can be freely performed. High degree.
  • the ring resonator filter 20 having the desired transmission characteristics can be easily designed by setting the branching ratios of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d, 11e, and 21g according to the desired transmission characteristics.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the third embodiment.
  • the ring resonator filter 30 is made of a quartz PLC having a core 31 and a clad 12.
  • the constituent materials and the cross-sectional sizes of the core 31 and the clad 12 are the same as those of the core 11 and the clad 12 of the ring resonator filter 10 according to the first embodiment, respectively, and thus description thereof is omitted.
  • the core 31 has a configuration in which another set of ring-shaped portion 11c, optical multiplexing / demultiplexing portion 11d, and optical multiplexing / demultiplexing portion 11e are further added to the configuration of the core 21 of the ring resonator filter 10.
  • this ring resonator filter 30 if the light L1 input from the left side of the arm portion 11a in the drawing is input light and the light L2 output from the left side of the arm portion 11b is transmission light, the transmission characteristics of the ring resonator filter 30 are obtained.
  • the two transmission spectra are combined with a phase shifted by a phase difference corresponding to the optical path length between the two optical multiplexing / demultiplexing units 11d.
  • the transmission characteristics of the ring resonator filter 30 change according to the branching ratio x [%] and the phase difference. Therefore, according to the ring resonator filter 30, by changing the setting of the branching ratio x and the phase difference of the optical multiplexing / demultiplexing units 11d and 11e, the transmission characteristics can be freely changed, and the transmission characteristics can be designed. High degree of freedom. Then, the ring resonator filter 20 having the desired transmission characteristics can be easily designed by setting the branching ratio and the phase difference of the optical multiplexing / demultiplexing sections 11d and 11e according to the desired transmission characteristics.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a ring resonator filter according to the fourth embodiment.
  • the ring resonator filter 40 is made of a quartz PLC having a core 41 and a clad 12.
  • the constituent materials and the cross-sectional sizes of the core 41 and the clad 12 are the same as those of the core 11 and the clad 12 of the ring resonator filter 10 according to the first embodiment, respectively, and thus description thereof is omitted.
  • the core 41 optically couples the input unit 41h, the delay unit 41i, the arm units 41a1, 41a2, 41b1, and 41b2, the ring-shaped units 41c1 and 41c2, the arm units 41a1 and 41b1, and the ring-shaped unit 41c1.
  • Optical multiplexing / demultiplexing portions 41d1, 41e1, and optical multiplexing / demultiplexing portions 41d2, 41e2 for optically coupling the arm portions 41a2, 41b2 and the ring-shaped portion 41c2 are provided.
  • the delay unit 41i divides the light L1 input from the input unit 41h into two and outputs it to the arm units 41a1 and 41a2. At this time, a time delay is given to at least one of the two lights output to the arm portions 41a1 and 41a2 to give a phase difference between the two lights. This phase difference is set to ⁇ / 2, for example.
  • the arm portions 41a1, 41b1, the ring-shaped portion 41c1, and the optical multiplexing / demultiplexing portions 41d1, 41e1 respectively correspond to the arm portions 11a, 11b, the ring-shaped portion 11c, and the optical multiplexing / demultiplexing portions 11d, 11e in the ring resonator filter 10, respectively.
  • the arm portions 41a2 and 41b2, the ring-shaped portion 41c2, and the optical multiplexing / demultiplexing portions 41d2 and 41e2 correspond to the arm portions 11a and 11b, the ring-shaped portion 11c, and the optical multiplexing / demultiplexing portions 11d and 11e, respectively.
  • the branching ratio x [%] of the optical multiplexing / demultiplexing units 41d1, 41e1, 41d2, 41e2 is set to be greater than 0% and less than 50%, or greater than 50% and less than 100%.
  • the ring resonator filter 40 when the light L1 input from the input unit 41h is input light and the light L21 and L22 output from the left side of the arms 41b1 and 41b2 are transmitted light, the transmission characteristics of the ring resonator filter 20 are obtained. Varies depending on the branching ratio x [%].
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the transmission characteristics of the ring resonator filter 40.
  • the spectrum A is a spectrum of the power of the transmitted light with respect to the light L21
  • the spectrum B is a spectrum of the power of the transmitted light with respect to the light L22.
  • the spectra A and B are spectra with a phase difference due to the action of the delay unit 41i.
  • a ring resonator filter 40 When such a ring resonator filter 40 is applied to a wavelength locker, for example, when the frequency of laser light to be controlled is f1, a spectrum B having a large transmittance gradient with respect to the frequency at the frequency f1 is used as a wavelength discrimination curve. To do. On the other hand, when the frequency is f2, the spectrum A having a large transmittance gradient with respect to the frequency at the frequency f2 is used as the wavelength discrimination curve. As a result, a more appropriate wavelength discrimination curve can be provided according to the frequency of the laser light.
  • the branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing units 41d1 and 41e1 and the branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing units 41d2 and 41e2 are both the same as x [%], but the optical multiplexing / demultiplexing unit 41d1 , 41e1 may be different from the branching ratio of the optical multiplexing / demultiplexing units 41d2 and 41e2.
  • the number of ring-shaped portions is 1 or 2, but may be a plurality of 3 or more depending on the use application.
  • the two optical multiplexing / demultiplexing portions are arranged point-symmetrically with respect to the center of the ring-shaped portion, and are arranged symmetrically about the major axis of the ring-shaped portion.
  • the effect of the present invention can be achieved even when the two optical multiplexing / demultiplexing portions are arranged so as to be either point-symmetric or axially symmetric.
  • the symmetry axis when the optical multiplexing / demultiplexing portion is axially symmetrical is an arbitrary axis passing through the center.
  • the present invention can be suitably used for a ring resonator filter having a high degree of freedom in designing transmission characteristics and a method for designing a ring resonator filter.

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Abstract

透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタおよびその設計方法を提供することを目的として、リング共振器フィルタは、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、前記光合分波部の分岐比が０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満である。

Description

リング共振器フィルタおよびその設計方法
　本発明は、リング共振器フィルタおよびその設計方法に関するものである。
　リング共振器を用いた光学素子として、リング共振器に分岐比が５０：５０の光合分波器が接続された構成を有するものが開示されている（特許文献１）。
　一方、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を制御する方法として、レーザ光の一部を、光の波長に対して周波数的に周期的な曲線状の透過特性を有するエタロンフィルタに透過させ、この透過光の強度をモニタする方法がある（特許文献２）。このような機構はたとえば波長ロッカーと呼ばれる。このエタロンフィルタはその透過スペクトルによって波長弁別曲線を提供する。
特開２０００－２３１０６３号公報 特開２０１２－３３８９５号公報
　エタロンフィルは、透過スペクトルの特性の設計の自由度が低いので、提供できる波長弁別曲線の自由度も低い。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタおよびその設計方法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、前記光合分波部の分岐比が０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満であ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は、前記光合分波部の分岐比が５０％より大きいことを特徴とする。
　本発明の一態様に係るリング共振器フィルタは、前記コアは、複数の前記リング状部を有す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は、前記コアは、前記複数のリング状部を光学的に結合する光合分波部をさらに有す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は、前記光合分波部は多モード光干渉型であ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は、前記光合分波部は、外形状を微小に摂動させた形状における損失を繰り返して計算することにより特定された構造最適化形状であ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は、前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が５％以上であ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の設計方法は、コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で形成され、前記コアが、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光合分波部とを有するリング共振器フィルタの設計方法であって、所望の透過特性に応じて、前記光合分波部の分岐比を設定することを特徴とする。
　本発明によれば、透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタ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の模式図である。 図２は、図１のリング共振器フィルタの透過特性の例を示す図である。 図３は、光合分波部の構造最適化形状を説明する図である。 図４は、実施形態２に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図５は、実施形態３に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図６は、実施形態４に係るリング共振器フィルタの模式図である。 図７は、図６のリング共振器フィルタの透過特性を示す図である。
　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、同一又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の模式図である。このリング共振器フィルタ１０は、コア１１とクラッド１２とを有する石英系平面光波回路（Planar　Lightwave　Circuit：ＰＬＣ）で構成されている。
　クラッド１２は、コア１１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１２は、石英系ガラス材料で構成されている。
　コア１１は、クラッド１２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（ＧｅＯ２）やジルコニア（ＺｒＯ２）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ＳｉＯ２－ＺｒＯ２系材料であれば、クラッド１２に対するコア１１の比屈折率を、たとえば５％以上と高くできるので、リング共振器フィルタ１０を小型化する場合には好ましい。
　コア１１は、２つのアーム部１１ａ、１１ｂと、リング状部１１ｃと、アーム部１１ａ、１１ｂとリング状部１１ｃとを光学的に結合する２つの光合分波部１１ｄ、１１ｅとを有している。本実施形態ではアーム部１１ａ、１１ｂは直線状であり、リング状部１１ｃ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１１ｃはたとえば円形状や楕円形状でもよい。
　光合分波部１１ｄ、１１ｅ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１１ａ、１１ｂと、リング状部１１ｃとは、クラッド１２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１１ｄ、１１ｅは、クラッド１２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、かつ以下に説明する分岐比となるように、その断面のサイズが設定されている。
　光合分波部１１ｄ、１１ｅについてより具体的に説明する。光合分波部１１ｄは、入力側の２ポートがそれぞれアーム部１１ａ、リング状部１１ｃに接続されており、出力側の２ポートもそれぞれアーム部１１ａ、リング状部１１ｃに接続されている。これにより、光合分波部１１ｄは、アーム部１１ａとリング状部１１ｃとを光学的に接続する。光合分波部１１ｄはリング状部１１ｃの一方の直線部に配置されている。
　光合分波部１１ｄは、図面左側のアーム部１１ａから入力された光Ｌ１をｘ：（１００－ｘ）で分岐し、破線矢印で示すように、光Ｌ１のｘ［％］をリング状部１１ｃに時計回りの方向に出力し、（１００－ｘ）［％］をアーム部１１ａの図面右側に出力する。すなわち、光合分波部１１ｄの分岐比はｘ［％］である。
　光合分波部１１ｅは、入力側の２ポートがそれぞれアーム部１１ｂ、リング状部１１ｃに接続されており、出力側の２ポートもそれぞれアーム部１１ｂ、リング状部１１ｃに接続されている。これにより、光合分波部１１ｅは、アーム部１１ｂとリング状部１１ｃとを光学的に接続する。光合分波部１１ｅはリング状部１１ｃの他方の直線部に配置されている。すなわち、光合分波部１１ｄと光合分波部１１ｅとはリング状部１１ｃの中心を挟んで対向する位置に配置されている。すなわち、光合分波部１１ｄと光合分波部１１ｅとは、リング状部１１ｃの中心に対して点対称に配置されており、かつリング状部１１ｃの長軸に対して軸対称に配置されている。
　光合分波部１１ｅは、リング状部１１ｃから入力された光をｘ：（１００－ｘ）で分岐し、破線矢印で示すように、（１００－ｘ）［％］をリング状部１１ｃに時計回りの方向に出力し、ｘ［％］を図面左側のアーム部１１ｂに出力する。すなわち、光合分波部１１ｅの分岐比はｘ［％］である。
　ここで、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比ｘ［％］は、０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満に設定されている。リング共振器フィルタ１０において、アーム部１１ａの図面左側から入力された光Ｌ１を入力光、アーム部１１ｂの図面左側から出力される光Ｌ２を透過光とすると、リング共振器フィルタ１０の透過特性は、分岐比ｘ［％］に応じて変化する。
　図２は、リング共振器フィルタ１０の透過特性の例を示す図である。なお、縦軸は光の周波数であり、横軸は透過光のパワーであり、スペクトルはそれぞれｘを５０％、６０％、８２％、８８％に設定したものである。図２に示すように、透過光のパワーのスペクトルはｘに応じて変化する。たとえば、透過光のパワーの最大値と最小値との差を消光比（Extinction　Ratio：ＥＲ）とし、最小値を過剰損失と規定すると、ｘが５０％、６０％、８２％、８８％の場合、ＥＲはそれぞれ７．１ｄＢ、５．５ｄＢ、２．５ｄＢ、１．７ｄＢであった。また、過剰損失はそれぞれ７．６ｄＢ、６．７ｄＢ、４．８ｄＢ、４．２ｄＢであった。また、ｘを３０％とした場合、ＥＲはたとえば９．０ｄＢ、過剰損失はたとえば１０ｄＢである。
　すなわち、リング共振器フィルタ１０によれば、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比ｘの設定を変更することで、その透過特性を自由に変更することができ、透過特性の設計の自由度が高い。言い換えれば、所望の透過特性に応じて、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比を設定することにより、所望の透過特性を有するリング共振器フィルタ１０を容易に設計できる。
　このような設計の自由度の高さを生かして、たとえばこのリング共振器フィルタ１０を波長ロッカーに適用すれば、仕様などで要求されているレーザ光の波長の制御に応じて、その制御に適した設計の波長弁別曲線を提供できる。また、リング共振器フィルタ１０は、波長ロッカーの用途に関わらず、その設計の自由度の高さを生かして、さまざまな用途に適用できる。
　なお、図２からもわかるように、分岐比ｘ［％］が大きい方が、過剰損失が小さいので、光の損失を低減する上で好ましく、たとえば５０％より大きいことが好ましい。また、６０％～９０％がより好ましい。
　ところで、光合分波部１１ｄ、１１ｅは、外形状を微小に摂動させた形状における損失を繰り返して計算することにより特定された構造最適化形状であることが好ましい。構造最適化形状とは、光合分波部１１ｄ、１１ｅの外形状を微小に摂動させ、当該摂動させた形状における結合損失をコンピュータシミュレーションによって計算するというプロセスを繰り返すことにより、過剰損失が小さく抑えられる形状としてコンピュータシミュレーションによって特定された形状のことである。この最適化アルゴリズムは、たとえば波面整合法やトポロジー最適化法という名で知られている手法を用いることができる。
　図３は、光合分波部１１ｄ、１１ｅの構造最適化形状を説明する図である。この光合分波部１１ｄ、１１ｅは、トポロジー最適化法を用いて構造最適化形状としたものであり、外形状が直線状ではなく、微少に凹凸状となっている。このような構造最適化形状とすることによって、光合分波部１１ｄ、１１ｅの過剰損失を低減できる。なお、図３に示すように、入力光は、ｘ：（１００－ｘ）で分岐され、出力光として出力される。
（実施形態２）
　図４は、実施形態２に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ２０は、コア２１とクラッド１２とを有する石英系ＰＬＣで構成されている。コア２１、クラッド１２の構成材料および断面のサイズは、それぞれ実施形態１に係るリング共振器フィルタ１０のコア１１、クラッド１２のものと同じなので説明を省略する。
　コア２１は、２つのアーム部１１ａ、１１ｂと、２つのリング状部１１ｃ、２１ｆと、アーム部１１ａとリング状部１１ｃとを光学的に結合する光合分波部１１ｄと、アーム部１１ｂとリング状部２１ｆとを光学的に結合する光合分波部１１ｅと、リング状部１１ｃ、１１ｆを光学的に結合する光合分波部２１ｇとを有している。すなわち、リング共振器フィルタ２０では、リング共振器フィルタ１０の構成において、リング状部２１ｆと光合分波部２１ｇとを追加した構成を有する。
　リング状部２１ｆはリング状部１１ｃとは異なる光路長を有しており、リング状部１１ｃとは異なるＦＳＲ（Free　Spectral　Range）を有する。本実施形態ではリング状部２１ｆは角丸長方形状であるが、形状はこれらに限定されない。
　光合分波部２１ｇ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。また、好ましくは、構造最適化形状である。また、光合分波部２１ｇも、破線矢印で示すように、光合分波部１１ｄ、１１ｅと同様に分岐比がｘ［％］である。また、光合分波部１１ｄと光合分波部２１ｇとはリング状部１１ｃの中心を挟んで対向する位置に配置されている。光合分波部２１ｇと光合分波部１１ｅとはリング状部２１ｆの中心を挟んで対向する位置に配置されている。
　このリング共振器フィルタ２０において、アーム部１１ａの図面左側から入力された光Ｌ１を入力光、アーム部１１ｂの図面右側から出力される光Ｌ２を透過光とすると、リング共振器フィルタ２０の透過特性は、リング状部１１ｃのＦＳＲおよび分岐比ｘ［％］を反映した透過スペクトルとリング状部２１ｆのＦＳＲおよび分岐比ｘ［％］を反映した透過スペクトルとを合成した透過スペクトルを有する。
　また、リング共振器フィルタ２０の透過特性は、リング共振器フィルタ１０と同様に、分岐比ｘ［％］に応じて変化する。したがって、リング共振器フィルタ２０によれば、光合分波部１１ｄ、１１ｅ、２１ｇの分岐比ｘの設定を変更することで、その透過特性を自由に変更することができ、透過特性の設計の自由度が高い。そして、所望の透過特性に応じて、光合分波部１１ｄ、１１ｅ、２１ｇの分岐比を設定することにより、所望の透過特性を有するリング共振器フィルタ２０を容易に設計できる。
（実施形態３）
　図５は、実施形態３に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ３０は、コア３１とクラッド１２とを有する石英系ＰＬＣで構成されている。コア３１、クラッド１２の構成材料および断面のサイズは、それぞれ実施形態１に係るリング共振器フィルタ１０のコア１１、クラッド１２のものと同じなので説明を省略する。
　コア３１は、リング共振器フィルタ１０のコア２１の構成において、さらにもう一組のリング状部１１ｃ、光合分波部１１ｄおよび光合分波部１１ｅを追加した構成を有する。
　このリング共振器フィルタ３０において、アーム部１１ａの図面左側から入力された光Ｌ１を入力光、アーム部１１ｂの図面左側から出力される光Ｌ２を透過光とすると、リング共振器フィルタ３０の透過特性は、２つのリング状部１１ｃ、１１ｃのＦＳＲおよび分岐比ｘ［％］を反映した透過スペクトルを合成した透過スペクトルを有する。なお、このとき、２つの透過スペクトルは、２つの光合分波部１１ｄの間の光路長に相当する位相差だけ位相がずれた状態で合成される。
　リング共振器フィルタ３０の透過特性は、分岐比ｘ［％］および位相差に応じて変化する。したがって、リング共振器フィルタ３０によれば、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比ｘの設定および位相差を変更することで、その透過特性を自由に変更することができ、透過特性の設計の自由度が高い。そして、所望の透過特性に応じて、光合分波部１１ｄ、１１ｅの分岐比および位相差を設定することにより、所望の透過特性を有するリング共振器フィルタ２０を容易に設計できる。
（実施形態４）
　図６は、実施形態４に係るリング共振器フィルタの模式図である。このリング共振器フィルタ４０は、コア４１とクラッド１２とを有する石英系ＰＬＣで構成されている。コア４１、クラッド１２の構成材料および断面のサイズは、それぞれ実施形態１に係るリング共振器フィルタ１０のコア１１、クラッド１２のものと同じなので説明を省略する。
　コア４１は、入力部４１ｈと、遅延部４１ｉと、アーム部４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１、４１ｂ２と、リング状部４１ｃ１、４１ｃ２と、アーム部４１ａ１、４１ｂ１とリング状部４１ｃ１とを光学的に結合する光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１と、アーム部４１ａ２、４１ｂ２とリング状部４１ｃ２とを光学的に結合する光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２とを有している。
　遅延部４１ｉは、入力部４１ｈから入力された光Ｌ１を２分岐してアーム部４１ａ１、４１ａ２に出力する。このとき、アーム部４１ａ１、４１ａ２に出力する２つの光の少なくともいずれか一方に時間的遅延を与え、２つの光に位相差をつける。この位相差は、たとえばπ／２に設定される。
　アーム部４１ａ１、４１ｂ１、リング状部４１ｃ１、光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１は、それぞれ、それぞれ、リング共振器フィルタ１０におけるアーム部１１ａ、１１ｂ、リング状部１１ｃ、光合分波部１１ｄ、１１ｅに対応している。同様に、アーム部４１ａ２、４１ｂ２、リング状部４１ｃ２、光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２も、それぞれ、アーム部１１ａ、１１ｂ、リング状部１１ｃ、光合分波部１１ｄ、１１ｅに対応している。
　光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１、４１ｄ２、４１ｅ２の分岐比ｘ［％］は、０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満に設定されている。リング共振器フィルタ４０において、入力部４１ｈから入力された光Ｌ１を入力光、アーム部４１ｂ１、４１ｂ２の図面左側から出力される光Ｌ２１、Ｌ２２を透過光とすると、リング共振器フィルタ２０の透過特性は、分岐比ｘ［％］に応じて変化する。
　図７は、リング共振器フィルタ４０の透過特性の例を示す図である。スペクトルＡは、光Ｌ２１に対する透過光のパワーのスペクトルであり、スペクトルＢは、光Ｌ２２に対する透過光のパワーのスペクトルである。このように、スペクトルＡ、Ｂは、遅延部４１ｉの作用により位相差がついたスペクトルとなる。
　このようなリング共振器フィルタ４０は、波長ロッカーに適用する際に、たとえば制御したいレーザ光の周波数がｆ１の場合は、周波数ｆ１において周波数に対する透過率の傾斜が大きいスペクトルＢを波長弁別曲線として使用する。一方、周波数がｆ２の場合は、周波数ｆ２において周波数に対する透過率の傾斜が大きいスペクトルＡを波長弁別曲線として使用する。これによって、レーザ光の周波数に応じてより適切な波長弁別曲線を提供することができる。
　なお、本実施形態では、光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１の分岐比と、光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２の分岐比とを、いずれもｘ［％］と同じにしているが、光合分波部４１ｄ１、４１ｅ１の分岐比と、光合分波部４１ｄ２、４１ｅ２の分岐比とを違う値にしてもよい。
　また、上記各実施形態では、リング状部の数は１または２であるが、使用用途等に応じて３以上の複数としてもよい。また、上記各実施形態では、２つの光合分波部は、リング状部の中心に対して点対称に配置されており、かつリング状部の長軸に対して軸対称に配置されているが、２つの光合分波部が、点対称または軸対称のいずれか一方が成り立つ配置でも本発明の効果を奏する。なお、リング状部が円形状である場合は、光合分波部が軸対称に配置される場合の対称軸は、中心を通る任意の軸である。
　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。
　本発明は、透過特性の設計の自由度が高いリング共振器フィルタおよびリング共振器フィルタの設計方法に好適に利用できる。
１０、２０、３０、４０　リング共振器フィルタ
１１、２１、３１、４１　コア
１１ａ、１１ｂ、４１ａ１、４１ａ２、４１ｂ１、４１ｂ２　アーム部
１１ｃ、２１ｆ、４１ｃ１、４１ｃ２　リング状部
１１ｄ、１１ｅ、２１ｇ、４１ｄ１、４１ｄ２、４１ｅ１、４１ｅ２　光合分波部
１２　クラッド
４１ｈ　入力部
４１ｉ　遅延部
Ａ、Ｂ　スペクトル
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ２２　光

Claims (8)

  1. 　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、
    　前記光合分波部の分岐比が０％より大きく５０％未満、または５０％より大きく１００％未満であることを特徴とするリング共振器フィルタ。
  2. 　前記光合分波部の分岐比が５０％より大きい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。
  3. 　前記コアは、複数の前記リング状部を有す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。
  4. 　前記コアは、前記複数のリング状部を光学的に結合する光合分波部をさらに有することを特徴とする請求項３に記載のリング共振器フィルタ。
  5. 　前記光合分波部は多モード光干渉型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。
  6. 　前記光合分波部は、外形状を微小に摂動させた形状における損失を繰り返して計算することにより特定された構造最適化形状であることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ。
  7. 　前記クラッドに対する前記コアの比屈折率差が５％以上であることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載のリング共振器フィルタ。
  8. 　コアとクラッドとを有する石英系平面光波回路で形成され、前記コアが、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光合分波部とを有するリング共振器フィルタの設計方法であって、
    　所望の透過特性に応じて、前記光合分波部の分岐比を設定することを特徴とするリング共振器フィルタの設計方法。
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