WO2022254727A1 - 光遅延回路および波長可変光源 - Google Patents

光遅延回路および波長可変光源 Download PDF

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delay line
wavelength
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悠太 上田
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical circuit that applies optical delay, and more particularly to an optical delay circuit that continuously and accurately controls the delay amount of light.
  • Optical delay is a technology that adjusts the optical path length, etc. of light propagation to slow down the speed of light in order to control the timing of optical signals.
  • An optical circuit using this technique that is, an optical delay circuit, has been put to practical use in optical recording media, optical measuring instruments, and the like in optical communications and the like.
  • optical fiber type optical delay circuit that connects appropriate optical path switches to delay lines of different lengths.
  • This optical fiber type optical delay circuit has the advantages of a simple configuration and a large amount of delay depending on the length of the fiber delay line. It also has the drawback of being scarce and requiring a large circuit.
  • a waveguide type optical circuit that controls light on an appropriate material substrate. It is effective to apply As a conventional technology related to waveguide-type optical circuits, an optical delay circuit using the group delay characteristic of a ring resonator has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). A waveguide-type optical circuit using this ring resonator controls the refractive index of the waveguide with a heater electrode provided in the ring-type waveguide, thereby controlling the characteristics as an optical delay circuit.
  • the FSR of the ring resonator is the periodic band of the optical frequency of the resonance characteristics, and is expressed by (Equation 1).
  • ⁇ 0 is the reference wavelength of the wavelength band of interest
  • R is the radius of the ring resonator
  • ng is the group refractive index of the ring waveguide.
  • the FSR to have only one resonance characteristic in the band of interest is 35 nm or more is required.
  • the bending radius of the ring is calculated to be approximately 3 ⁇ m or less from (Equation 1), and the waveguide with an extremely small bending curvature of the ring It can be seen that an optical circuit of the type is required.
  • An object of the present invention is to provide a waveguide type optical delay circuit.
  • the present disclosure provides an M ⁇ N optical switch with M ports and N ports, where M is an integer of 1 or more and N is an integer of 2 or more.
  • M is an integer of 1 or more and N is an integer of 2 or more.
  • an M ⁇ N optical switch a plurality of optical delay lines of different lengths connected to N ports of the M ⁇ N optical switch, and a reflecting mirror installed at the end of the plurality of optical delay lines.
  • the M ⁇ N optical switch comprises a plurality of arm waveguides and a plurality of switch electrodes formed on the arm waveguides for controlling the phase of light propagating through the arm waveguides wherein the spectral characteristics of light propagating from M ports to N ports in the M ⁇ N optical switch and the multiplexing characteristics of light propagating from N ports to M ports are combined into a plurality of switches
  • An optical delay circuit is provided that varies in response to a signal applied to the electrodes.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical delay circuit exemplified in considering an embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing a mechanism for reflecting light at half the length of each delay line in the optical delay circuit according to one embodiment of the present invention
  • Fig. 2 schematically illustrates an optical delay circuit including an optical switch, according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an optical switch by refractive index control of a directional coupler;
  • the optical delay circuit according to one embodiment of the present invention when changing the phase difference of light directed from the 2 ⁇ 2 optical switch to the first delay line and the second delay line, 4 shows the result of calculating the light transmittance to the output port of .
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical delay circuit in one embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing the intensity of light returning to the first input port and the second input port when the wavelength of incident light is 1.56 ⁇ m; 1 is a diagram schematically showing the configuration of a general wavelength tunable light source; FIG. FIG. 4 is a diagram showing the feedback ratio of a filter with respect to wavelength, longitudinal mode gain, and longitudinal mode gain as a wavelength tunable laser. 1 is a diagram schematically showing a wavelength tunable light source to which an optical delay circuit according to an embodiment of the invention is applied; FIG.
  • One embodiment of the present invention is a waveguide type circuit including delay lines of different lengths, like a conventional optical fiber type optical circuit.
  • it differs from the prior art in that the controllability of the amount of delay is enhanced by controlling the amount of phase change from each delay line.
  • it is necessary to combine the light emitted from each delay line in the vicinity of the same phase. It is characterized by including a mechanism for reflecting light at a position.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical delay circuit exemplified in considering one embodiment of the present invention.
  • the optical delay circuit shown in FIG. An N ⁇ M optical combiner 14 that multiplexes and emits an output light 13 is connected to the M ⁇ N optical splitter 12 and the N ⁇ M optical combiner 14 , and the light split by the M ⁇ N optical splitter 12 is and a delay line group 15 leading to an N ⁇ M optical combiner 14 .
  • M is an integer of 1 or more
  • N is an integer of 2 or more.
  • 1st to M-th input ports 16 are installed at the end on the side where the incident light 11 is incident.
  • 1 to M-th output ports 17 are installed at the end of the output side of 13 .
  • the delay line group 15 consists of N delay lines of different lengths.
  • each transfer matrix is ( It is given by Equation 2).
  • L a is the length of the M ⁇ N light splitter 12
  • Lb is the length of the N ⁇ M light combiner 14
  • Ln is the length of the nth delay line.
  • a n,m and b n,m are obtained from the M ⁇ N optical spectroscope 12 and the N ⁇ M optical combiner 14. It is a complex number with the length phase factor removed and ⁇ is the propagation constant in the circuit.
  • the effective length L eff of an optical circuit having a transfer function H is generally represented by the differential of the phase characteristic of the transfer function H and the propagation constant ⁇ of light, the effective length L eff is represented by (Equation 4). Since the spatial phase factor is defined here to decrease with respect to distance, (Equation 4) differentiates and further inverts the sign.
  • the effective length L eff can be expressed as follows: It can be seen that it is represented by the weighted average of the light intensity from each delay line when it is applied. That is, it can be seen that the amount of delay of light can be controlled by controlling
  • the condition that the light from each delay line is near the same phase and is multiplexed by the multiplexer in the subsequent stage is taken into consideration.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a mechanism for reflecting light at half the length of each delay line in the optical delay circuit according to one embodiment of the present invention.
  • This optical delay circuit has a structure in which a reflecting mirror 21 is installed at a position where the length of each delay line is half of the delay line group 15 of the optical circuit shown in FIG. With such a configuration, the light incident on the incident port 16 of the M ⁇ N optical spectroscope 12 passes through branched waves and is branched at an appropriate branching ratio. Come back at 16. That is, since the light that has traveled back and forth becomes light that has a different effective length L eff depending on the characteristics of the M ⁇ N optical spectroscope 12, the optical delay circuit can control the amount of delay with high precision. .
  • the optical delay circuit in this embodiment is an optical circuit including an optical switch using a multimode interference waveguide (hereinafter referred to as MMI) having two 2 ⁇ 2 ports.
  • MMI multimode interference waveguide
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an optical delay circuit including an optical switch, according to one embodiment of the present invention.
  • a first MMI 301 and a second MMI 302 are installed in a 2 ⁇ 2 optical switch 30 for switching characteristics of optical demultiplexing and optical multiplexing, and two ports of the first MMI 301 and a second MMI 302 are installed.
  • Two ports of the two MMIs 302 are connected by a first arm waveguide 303 and a second arm waveguide 304 .
  • a first switch electrode 305 and a second switch electrode 306 for controlling the phase of light are installed in the middle of the first arm waveguide 303 and the second arm waveguide 304, respectively.
  • the incident light 11 from the outside enters the 2 ⁇ 2 optical switch 30 .
  • a first entrance port 307 and a second entrance port 308 are provided to guide the light and, as will be described later, output the light that has returned to the outside.
  • a first exit port 309 and a second exit port 310 are provided at the end of the second MMI 302 (opposite to the port where the first arm waveguide 303 and the second arm waveguide 304 are connected). are provided respectively.
  • a first delay line 311 and a second delay line 312 having different lengths are connected to the first output port 309 and the second output port 310, respectively.
  • a reflecting mirror 21 is installed for reciprocating light.
  • a first delay line electrode 321 and a second A delay line electrode 322 is provided between each of the first delay line 311 and the second delay line 312.
  • the length of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 is 400 ⁇ m, and the structure of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 is a Mach-Zehnder Interferometer (hereinafter referred to as MZI) optical switch.
  • MZI Mach-Zehnder Interferometer
  • the optical delay circuit having such a configuration, by transmitting a control signal to the first switch electrode 305 and the second switch electrode 306 to control the phase of light, the optical demultiplexing of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 is performed.
  • the characteristics and optical multiplexing characteristics can be changed, and the branching ratio of emitted light can be arbitrarily adjusted.
  • the method by which the first switch electrode 305 and the second switch electrode 306 control the phase of the light includes changing the refractive index, such as is commonly used in waveguide-type circuits, e.g. If is a semiconductor, methods such as carrier injection, heating with a heater, or application of an electric field can be used.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an optical switch by refractive index control of a directional coupler.
  • the structure of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 in this embodiment is an MZI switch, but the structure of the switch in the present disclosure is not limited to this.
  • a structure in which the branch rate is adjusted by controlling is also acceptable.
  • the optical delay circuit in this embodiment is assumed to use an InP-based semiconductor multilayer film substrate, and the refractive index of the first delay line 311 and the second delay line 312 for light with a wavelength of 1.55 ⁇ m is 3.4, and the group refractive index was 3.8.
  • the lengths of the first delay line 311 and the second delay line 312 are adjusted so that the phases of light traveling back and forth are equal at a specific wavelength.
  • the effective length of the incident light 11 is controlled while the intensity of the light does not change.
  • the wavelength of light at which the effective length changes while the light is sufficiently small during the control of the effective length is called the optimum operating wavelength here. It was designed to be 55 ⁇ m. That is, when the number of diffraction orders is 40, the refractive index of the first delay line 311 and the second delay line 312 is 3.4 as described above, so that the difference in the optical path length between them is 1.55.
  • the reason why the number of diffraction orders is set to 40 is to realize an optical delay circuit in which the FSR described above is approximately 35 nm.
  • the reflecting mirror 21 is installed at the end of the first delay line 311 and the second delay line 312
  • the length of the first delay line 311 is 100 ⁇ m
  • the first delay line 311 and the second delay line 312 are respectively provided with a first delay line electrode 321 and a second delay line electrode 321 for controlling the phase of the branched light optically split by the 2 ⁇ 2 optical switch 30 .
  • Two delay line electrodes 322 may be provided, using the first delay line electrode 321 and the second delay line electrode 322 to shuttle the first delay line 311 and the second delay line 312 The phase of light may be controlled.
  • FIG. 5 shows the first emission when changing the phase difference of the light traveling from the 2 ⁇ 2 optical switch 30 to the first delay line 311 and the second delay line 312 in the optical delay circuit according to this embodiment.
  • the results of calculating the light transmittance to the port 309 and the second output port 310 are shown.
  • the phase of the light in the first arm waveguide 303 is changed.
  • the branching rate of the branched light can be controlled according to the phase change amount of the light.
  • the phase change in the first arm waveguide 303 is assumed here, in MZI, the relative phase relationship between the first arm waveguide 303 and the second arm waveguide 304 affects the optical switch characteristics. Therefore, the same effect can be obtained even with the phase control in the second arm waveguide 304 .
  • FIG. 6A to 6E show that the incident light 11 that has entered according to changes in the switching characteristics of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 is returned to the first incident port 307 and the second incident port 308. This is the result of calculating the ratio of light with intensity.
  • FIG. 6A shows when the phase change amount of light in the first arm waveguide 303 is 0, and FIG. 6B shows when the phase change amount of light in the first arm waveguide 303 is ⁇ /4.
  • 6(C) shows that the phase change amount of light in the first arm waveguide 303 is ⁇ /2, and
  • FIG. 6(D) shows that the phase change amount of light in the first arm waveguide 303 is In the case of 3 ⁇ /4
  • FIG. 6E shows the calculation results when the phase change amount of light in the first arm waveguide 303 is ⁇ .
  • the optical delay circuit since the half period (half of the FSR) of both the first output port 309 and the second output port 310 is a little over 17 nm, as intended, when the optical delay circuit shown in FIG. It can be seen that the FSR is 35 nm. Considering the bending radius of a ring resonator, this corresponds to a bending radius of several ⁇ m, which is an unrealistic bending waveguide radius for a compound semiconductor waveguide. That is, the optical delay circuit according to this embodiment achieves control of the amount of delay for light with a wavelength of 1.55 ⁇ m, which could not be achieved with a ring resonator.
  • FIG. 7 shows the calculation results of the phase change amount in the first arm waveguide 303 and the effective length at a light wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • the effective length is 1018.24 ⁇ m.
  • the value indicated by this effective length corresponds to twice 509.12 ⁇ m, which is the sum of the length of 400 ⁇ m of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 and the optical path length of 109.12 ⁇ m of the second delay line 312 .
  • the phase change of the first arm waveguide 303 when the phase change of the first arm waveguide 303 is 0, 100% of the light emitted from the 2 ⁇ 2 optical switch 30 is emitted to the second emission port 310, This means that 100% of the incident light 11 is directed to the second delay line 312 .
  • the phase change amount of the first arm waveguide 303 is 0.5 and 1, it can be seen that the effective lengths are reduced to 1009.12 ⁇ m and 1000 ⁇ m, respectively.
  • the optical delay circuit can continuously control the delay amount by continuously controlling the phase change of the light in the 2 ⁇ 2 optical switch 30 .
  • the optical delay circuit according to the present embodiment can continuously control the amount of delay over a relatively wide wavelength range, which could only be achieved with a ring resonator having an extremely small bending radius. be.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the optical delay circuit in this embodiment.
  • the optical delay circuit of this embodiment has a structure in which the power monitor 41 is installed at the second input port 308 in the optical delay circuit having the 2 ⁇ 2 optical switch shown in FIG.
  • the relative angle between the first arm waveguide 303 and the second arm waveguide 304 is By controlling the phase relationship, the intensity of the light returning to the first entrance port 307 and the intensity of the light returning to the second entrance port 308 are each changed.
  • the phase change amount is other than 0 and ⁇
  • the light intensity reflects the FSR of the optical circuit and varies depending on the wavelength.
  • the intensities of the two lights have a complementary relationship with respect to the light wavelength. I know there is. That is, if the intensity of the light returning to the second incident port 308 is known, the intensity of the light returning to the first incident port 307 can also be obtained based on it.
  • the power monitor 41 is connected to the second incident port 308 in this embodiment.
  • FIG. 9A to 9E show that the phase change amount of the first arm waveguide 303 is fixed at ⁇ /2, and the phase of the light traveling back and forth through the first delay line 311 is changed by the first delay line electrode 321.
  • 4 is a diagram showing the intensity of light returning to the first input port 307 and the second input port 308 when is changed.
  • FIG. 9A shows the case where the phase change amount of light traveling back and forth through the first delay line 311 is 0, and FIG. 4,
  • FIG. 9(C) shows the phase change amount of light traveling back and forth through the first delay line 311 is ⁇ /2, and
  • FIG. 9E shows the intensity of light when the amount of phase change is 3 ⁇ /4 and when the amount of phase change of light reciprocating through the first delay line 311 is ⁇ .
  • the intensity peaks of the light at the first input port 307 and the second input port 308 shift to the longer wavelength side.
  • the optimum operating wave is shifted to the longer wavelength side according to the phase change amount of light in the first delay line 311 .
  • the optimum operating wavelength can be adjusted according to the wavelength of the incident light 11 .
  • FIG. 10 is a diagram showing the intensity of light returning to the first incident port 307 and the second incident port 308 when the wavelength of the incident light 11 is 1.56 ⁇ m. Focusing on the intensity of the light returning to the second incident port, it can be seen that the intensity of the light becomes minimum when the phase change amount of the light in the first delay line 311 is around 0.6 ⁇ . As described above, the intensity of the light returning to the first incident port 307 at this time is near the maximum value. That is, if the first delay line electrode 321 is controlled so that the phase change amount of the light in the first delay line 311 is 0.6 ⁇ , the optimum operating wavelength is adjusted to 1.56 ⁇ m, which is the wavelength of the incident light 11. can be adjusted to By adopting the configuration of this embodiment in this way, it is possible to properly control the optimum operating wavelength with respect to the wavelength of the incident light 11 .
  • the optical delay circuit according to this embodiment is an example of a variable wavelength light source used for laser oscillation or the like. Before describing this embodiment, the configuration and function of a general wavelength tunable light source will be described below.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the configuration of a general wavelength tunable light source.
  • the wavelength tunable light source emits light from an optical gain waveguide 61 that generates and amplifies light, a phase adjuster 62 that finely adjusts the cavity length of the wavelength tunable light source, and the optical gain waveguide 61.
  • It has a resonator structure consisting of a tunable filter 63 that selectively feeds back light of a specific wavelength with respect to light, and mirrors 64 arranged to sandwich them.
  • the wavelength tunable filter 63 has a configuration such as a distributed Bragg reflector that adjusts the reflection spectrum.
  • FIG. 12(A) shows the feedback ratio and longitudinal mode gain of the filter with respect to wavelength
  • FIG. 12(B) shows longitudinal mode gain as a wavelength tunable laser (wavelength tunable light source) with respect to wavelength
  • the feedback rate shown in FIG. 12A is the feedback rate of light to the optical gain waveguide 61 by the wavelength tunable filter 63, and can be said to be the reflectance spectrum of light when viewed from the optical gain waveguide 61.
  • the longitudinal mode gain is derived from the fact that the light feels the gain of the optical gain waveguide 61 large when the light creates a standing wave (longitudinal mode) in the cavity length of the wavelength tunable light source.
  • nk and Lk are the refractive index and physical length of each component that constitutes the wavelength tunable light source.
  • the lengths of these three components are all 400 ⁇ m, and the refractive indices are all n.
  • the variable wavelength light source is made of a semiconductor, and that the wavelength of light emitted from the semiconductor laser is 1.55 ⁇ m, which is a typical wavelength in optical communication.
  • a specific longitudinal mode can be selected by providing the wavelength tunable light source with a wavelength tunable filter 63 that selectively feeds back light of a specific wavelength.
  • a phase adjuster 62 in FIG. 11 adjusts this length. That is, the wavelength tunable light source obtains a laser beam of a required wavelength by adjusting the wavelength tunable filter 63 and the phase adjuster 62 .
  • a change in the longitudinal mode order m is called a mode hop, and before and after the mode hop, light intensity destabilization and spectral purity deterioration occur.
  • gas sensing in which light from a wavelength-swept light source is transmitted through a gas and the gas species is identified from the transmission spectrum, continuity of the transmission spectrum is lost when mode hopping occurs during wavelength sweeping. , making analysis difficult.
  • L 1 , L 2 and L 3 are all 400 ⁇ m.
  • the rate of refractive index change ( ⁇ n/n) of the semiconductor due to heat or electric current is about 0.5%. Therefore, from (Equation 7), ⁇ / ⁇ is less than 0.2%, and if the wavelength under consideration is 1.55 ⁇ m, the wavelength change amount ⁇ in continuous tuning is only about 3 nm, which is almost unchanged. It will be. That is, with conventional continuous tuning, it is difficult to efficiently tune light in typical wavelength bands used in optical communications, for example.
  • phase adjuster 62 in the wavelength tunable light source shown in FIG. 11 is replaced with the optical delay circuit described in the first and second embodiments.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing a wavelength tunable light source to which the optical delay circuit according to this embodiment is applied.
  • the wavelength tunable light source has a structure in which the phase adjuster 62 shown in FIG. 11 is replaced with the optical delay circuit described in the first and second embodiments.
  • a first input port 307 of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 is connected to the optical gain waveguide 61, and as shown in FIG. It is connected to the output side of the x2 optical switch 30 .
  • a first delay line electrode 321 and a second delay line electrode 322 for controlling the phase change amount of light are connected to the first delay line 311 and the second delay line 312.
  • a reflecting mirror 21 is provided for reflecting and reciprocating.
  • a power monitor 41 is connected to the second input port 308 of the 2 ⁇ 2 optical switch 30 to monitor the intensity of the returned light.
  • the amount of wavelength change in the same longitudinal mode order m is determined by the amount of change in effective length.
  • the wavelength change amount ⁇ corresponding to (Equation 7) is expressed by (Equation 8).
  • L 1 ' is the round trip effective length of the replaced optical delay circuit.
  • the optical delay circuit can control the effective length continuously and with high accuracy over a relatively wide range of wavelength bands. also contribute to
  • this technology can continuously control the amount of delay with high precision and can be applied to optical circuits and laser oscillators in optical communication. is expected.

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Abstract

光遅延回路において、従来技術であるリング共振器を利用した導波路型の光回路では、小型でかつ高い遅延量の制御性の実現するにあたり、リング共振器の大きさに限界があるため、本発明の一実施形態は、従来の光ファイバ型の光回路の様に、長さが異なる遅延線を含んだ導波路型の回路であって、各遅延線からの位相変化量を制御することによって遅延量の制御性を高めており、また、位相変化量の制御をするにあたり、各遅延線からの送出される光が同相近傍で合波されることが必要となるが、それを実現するために、遅延線の長さの半分の位置で光を反射させる機構を含むことを特徴としている。

Description

光遅延回路および波長可変光源
　本開示は、光遅延を応用した光回路に関し、より詳しくは光の遅延量を高精度かつ連続的に制御する光遅延回路に関する。
　光遅延とは、光信号のタイミング制御等を行うために、光が伝搬する光路長等を調整し、光の速度を遅く調整する技術である。この技術を用いた光回路、すなわち、光遅延回路は、光通信等において光記録媒体、光計測器等で実用化が進んでいる。
　光を遅延させる最も原始的な方法として、適当な光経路スイッチを長さの異なる遅延線に接続させる光ファイバ型の光遅延回路が挙げられる。この光ファイバ型の光遅延回路は、構成が簡素である、ファイバ遅延線の長さ次第で大きな遅延量が得られるといった利点があるが、その反面、遅延量が離散的であるため制御性に乏しく、回路も大型になるという欠点もある。
　このような光ファイバ型の光遅延回路における欠点を克服する、すなわち、小型でかつ高い遅延量の制御性を実現するためには、適当な材料基板において光を制御する導波路型の光回路を適用することが有効である。導波路型の光回路に関する従来技術としては、リング共振器の群遅延特性を利用した光遅延回路が提案されている（例えば、非特許文献１）。このリング共振器を利用した導波路型の光回路は、リング型の導波路に設けられたヒータ電極によって導波路の屈折率を制御し、光遅延回路としての特性を制御している。
　しかし、このリング共振器を利用した導波路型の光回路は、光遅延の制御において、自由スペクトル領域（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ：以下、ＦＳＲと記す）とリング共振器の曲げ半径との関係による、大きさの制限が課題である。
　リング共振器のＦＳＲとは、共振特性の光周波数の周期帯域であり、（式１）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、λ０は注目する波長帯の基準波長、Ｒはリング共振器の半径、ｎｇはリング導波路の群屈折率である。例えば、通信波長で代表的なＣバンド（波長：１．５３μｍから１．６５μｍ）を想定し、基準波長を１．５５μｍとすると、注目するバンドにおいて、ただ一つの共振特性を持たせたいＦＳＲは３５ｎｍ以上必要となる。このとき、リングの群屈折率ｎｇを３．８とすると、リングの曲げ半径は、（式１）から、およそ３μｍ以下であることが必要と計算され、リングの曲げ曲率が極めて小さい導波路型の光回路が必要になることが分る。
　一方、現在までにおいて、広いＦＳＲを有するリング共振器に関する報告例の多くは、強い光閉じ込めが可能な、すなわち、小さい曲げ半径を実現することができるシリコンフォトニクスに関するものである。もし、リング共振器としてシリコンの代わりに化合物半導体で同様の構造が実現できれば、発光素子、受光素子等と同一基板上で光遅延回路が実現できるので、小型化、低コスト化、低接続損失化されるという利点がある。しかし、このような化合物材料はリングの曲げ半径を小さくすることが難しく、現状では曲げ半径の最小値は１００μｍ程度に制限される。このように、リング共振器を利用した導波路型の光回路では、小型で、連続的かつ高い遅延量の制御性の実現することが現状困難である。
J. Yang, A. O. Karalar, S. S. Djordjevic, N. K. Fontaine, C. Yang , W. Chen, S. Chu, B. E. Little, and S.J. B. Yoo, "Variable slowlight buffers in all-optical packet switching routers", in Proc. Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference 2008, OTuF2, 2008.
　本開示は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リング共振器の様に曲げ半径の設計に依らずに、高精度かつ連続的に遅延量が制御できる導波路型の光遅延回路を提供することである。
　上記の課題を解決するために、本開示では、Ｍ個のポートとＮ個のポートを備えたＭ×Ｎ光スイッチであって、Ｍが１以上の整数であり、Ｎが２以上の整数である、Ｍ×Ｎ光スイッチと、Ｍ×Ｎ光スイッチのＮ個のポートに接続された、互いに長さの異なる複数の光遅延線と、複数の光遅延線の終端に設置された反射ミラーとを備えた光遅延回路であって、Ｍ×Ｎ光スイッチが、複数のアーム導波路と、アーム導波路を伝搬する光の位相を制御する、複数のアーム導波路に形成された複数のスイッチ電極とを備え、Ｍ×Ｎ光スイッチにおけるＭ個のポートからＮ個のポートへ伝搬する光の分光特性およびＮ個のポートからＭ個のポートへ伝搬する光の合波特性が、複数のスイッチ電極へ印加する信号に応じて変化する光遅延回路を提供する。
本発明の一実施形態を考えるにあたって例示された光遅延回路を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態による光遅延回路において、各遅延線の半分の長さにおいて光を反射させる機構を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態よる、光スイッチを含む光遅延回路を模式的に示す図である。 方向性結合器の屈折率制御による光スイッチを模式的に示した図である。 本発明の一実施形態による光遅延回路において、２×２光スイッチから第一の遅延線および第二の遅延線に向かう光の位相差を変化させたときの、第一の出射ポートおよび第二の出射ポートへの光透過率を計算した結果を示している。 ２×２光スイッチのスイッチ特性の変化に応じて入射した入射光に対し、第一の入射ポートおよび第二の入射ポートに戻ってくる光の割合を強度で計算した結果である。 第一のアーム導波路の位相変化量と光波長１．５５μｍにおける実効長の計算結果である。 本発明の一実施形態における光遅延回路を模式的に示した図である。 第一のアーム導波路の位相変化量をπ／２で一定とし、第一の遅延線電極によって第一の遅延線を往復する光の位相を変化させた際に、第一の入射ポートおよび第二の入射ポートに戻ってくる光の強度を示す図である。 入射光の波長が１．５６μｍの場合における、第一の入射ポートと第二の入射ポートに戻ってくる光の強度を示した図である。 一般的な波長可変光源の構成を模式的に示す図である。 波長に対するフィルタによる帰還率、縦モードの利得、および波長可変レーザとしての縦モード利得を示した図である。 本発明の一実施形態による光遅延回路を適用した波長可変光源を模式的に示す図である。
　以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明の一実施形態は、従来の光ファイバ型の光回路の様に、長さが異なる遅延線を含んだ導波路型の回路となっている。しかし、各遅延線からの位相変化量を制御することによって遅延量の制御性を高めているという点で、従来技術とは異なる。また、位相変化量の制御をするにあたり、各遅延線からの送出される光が同相近傍で合波されることが必要となるが、それを実現するために、遅延線の長さの半分の位置で光を反射させる機構を含むことを特徴としている。
　図１は、本発明の一実施形態を考えるにあたって例示された光遅延回路を模式的に示す図である。図１に示す光遅延回路は、入射された入射光１１を分光するＭ入力Ｎ出力（以下、Ｍ×Ｎと記す）光分光器１２と、Ｍ×Ｎ光分光器１２によって分光された光を合波し、出射光１３を出射するＮ×Ｍ光合光器１４と、Ｍ×Ｎ光分光器１２とＮ×Ｍ光合光器１４を接続し、Ｍ×Ｎ光分光器１２によって分光した光をＮ×Ｍ光合光器１４へ導く遅延線群１５とを含む。ここで、Ｍは１以上の整数であり、Ｎは２以上の整数である。また、Ｍ×Ｎ光分光器１２において、入射光１１が入射する側の端部には、１からＭ番目までの入射ポート１６が設置されており、Ｎ×Ｍ光合光器１４において、出射光１３が出射する側の端部には、１からＭ番目までの出射ポート１７が設置されている。さらに、遅延線群１５は長さの異なるＮ本の遅延線からなる。
　このように構成された光遅延回路において、Ｍ×Ｎ光分光器１２、Ｎ×Ｍ光合光器１４および遅延線群１５における伝達行列をそれぞれ、Ａ、ＢおよびＤとすると、各伝達行列は（式２）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、ＬａはＭ×Ｎ光分光器１２の長さ、ＬｂはＮ×Ｍ光合光器１４の長さ、Ｌｎはｎ番目の遅延線の長さである。また、ａｎ，ｍやｂｎ，ｍ（ｍ＝１，２，，，Ｍ、ｎ＝１，２，，，Ｎ）は、Ｍ×Ｎ光分光器１２とＮ×Ｍ光合光器１４から長さによる位相因子を取り除いた複素数であり、βは回路中の伝搬定数である。
　今、図１に示す光遅延回路においてＭ×Ｎ光分光器１２のｉ番目のポートから光が入射し、Ｎ×Ｍ光合光器１４のｊ番目のポートから光を出射させる場合を想定する。すると、このときの伝達定数Ｈは、（式３）によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　一般に伝達関数Ｈを有する光回路の実効長Ｌｅｆｆは、伝達関数Ｈの位相特性と光の伝搬定数βの微分で表されるため、実効長Ｌｅｆｆは、（式４）で表される。なお、ここでは空間位相因子は距離に対して減少するように定義しているため、（式４）では微分をして更に符号を反転させている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、各遅延線からの光が、図１に示したＮ×Ｍ光合光器１４のｊ番目の出射ポートで強めって出射される条件、すなわち、各遅延線からの光位相が同相近傍になるような条件を考慮すると、（式４）の第３項は（式５）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　よって、（式４）および（式５）から、実効長Ｌｅｆｆは、Ｍ×Ｎ光分光器１２によって分波された各遅延線を通る光の電界がＮ×Ｍ光合光器１４によって合波された際の各遅延線からの光の強度の重み付き平均で表されることが分かる。すなわち、各遅延線からの電界強度の因子である｜ａｋ,ｉｂｊ,ｋ｜を制御する、すなわち、光の位相変化量を制御ことにより、光の遅延量を制御できると分かる。
　また、上述の通り、（式４）から（式５）への変形においては、各遅延線からの光が同相近傍で、後段の合波器にて合波される条件を考慮した。これは、一定の自由度はあるが、ある伝搬定数においてｋに関わらずβＬｋがおよそ０となる波長および遅延線の長さを選ぶと同時に、（式４）においてφ＝０となるように伝達行列ＡおよびＢを設計することによって実現することができる。これを達成する簡便な方法としては、図１における各遅延線の半分の長さにおいて光を反射させ、遅延線を往復させる方法が考えられる。
　図２は、本発明の一実施形態による光遅延回路において、各遅延線の半分の長さにおいて光を反射させる機構を模式的に示す図である。この光遅延回路は、図１に示した光回路の遅延線群１５において、各遅延線の長さが半分となる位置に反射ミラー２１が設置された構造を有する。このような構成とすることにより、Ｍ×Ｎ光分光器１２の入射ポート１６に入射した光は、分岐波を経て適当な分岐率で分岐された後、各遅延線を往復し、再び入射ポート１６に戻ってくる。すなわち、往復した光は、Ｍ×Ｎ光分光器１２の特性に応じて異なる実効長Ｌｅｆｆを感じた光になるため、高精度で遅延量の制御をすることが可能な光遅延回路となる。
（第１の実施形態）
　以下に、本開示における第１の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態における光遅延回路は、二つの２×２ポートを有する多モード干渉導波路（Ｍｕｌｔｉ　Ｍｏｄｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：以下、ＭＭＩと記す）を用いた光スイッチを含む光回路である。
　図３は、本発明の一実施形態よる、光スイッチを含む光遅延回路を模式的に示す図である。本実施形態における光遅延回路は、光分波と光合波の特性を切り替える２×２光スイッチ３０内に第一のＭＭＩ３０１と第二のＭＭＩ３０２が設置され、第一のＭＭＩ３０１の２つのポートと第二のＭＭＩ３０２の２つのポートは第一のアーム導波路３０３と第二のアーム導波路３０４で接続されている。そして、第一のアーム導波路３０３と第二のアーム導波路３０４のそれぞれの途中には、光の位相を制御する第一のスイッチ電極３０５と第二のスイッチ電極３０６が設置されている。また、第一のＭＭＩ３０１の先端（第一のアーム導波路３０３と第二のアーム導波路３０４が接続されたポート反対側）には、外部からの入射光１１を２×２光スイッチ３０内へ導くとともに、後述する通り、往復して戻ってきた光を外部へ出射する、第一の入射ポート３０７と第二の入射ポート３０８が設置されている。一方、第二のＭＭＩ３０２の終端（第一のアーム導波路３０３と第二のアーム導波路３０４が接続されたポート反対側）には、第一の出射ポート３０９と第二の出射ポート３１０が、それぞれ設けられている。更に、第一の出射ポート３０９と第二の出射ポート３１０のそれぞれには、長さの異なる第一の遅延線３１１と第二の遅延線３１２がそれぞれ接続され、第一の遅延線３１１と第二の遅延線３１２のそれぞれの終端に、光を往復させる反射ミラー２１が設置されている。第一の遅延線３１１と第二の遅延線３１２のそれぞれの途中には、２×２光スイッチ３０によって光分波された分岐光の位相を制御する第一の遅延線電極３２１および第二の遅延線電極３２２が設置されている。なお、本実施形態では、２×２光スイッチ３０の長さは４００μｍとし、２×２光スイッチ３０の構造は、マッハツェンダ型（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：以下、ＭＺＩと記す）の光スイッチとする。
　このような構成を有する光遅延回路において、第一のスイッチ電極３０５および第二のスイッチ電極３０６に制御信号を送信し、光の位相を制御することによって、２×２光スイッチ３０の光分波特性と光合波特性が変化するとともに、出射する光の分岐比を任意に調整することができる。第一のスイッチ電極３０５および第二のスイッチ電極３０６が光の位相を制御する方法としては、通常、導波路型の回路で用いられるような屈折率の変化が挙げられ、例えば、該当する導波路が半導体であれば、キャリア注入、ヒータによる加熱または電界印加など手法が挙げられる。
　図４は、方向性結合器の屈折率制御による光スイッチを模式的に示した図である。上述の通り、本実施形態における２×２光スイッチ３０の構造はＭＺＩスイッチとしたが、本開示におけるスイッチの構造はこれに限らず、図４に示すような、方向性結合器自体の屈折率を制御することでその分岐率を調整するような構造でも構わない。
　なお、本実施形態における光遅延回路は、ＩｎＰ系の半導体多層膜基板を用いた場合を想定し、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２の波長１．５５μｍの光に対する屈折率は３．４、群屈折率は３．８とした。
　このような構成を有する光遅延回路において、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２を往復する光の位相が、特定の波長において等しくなるように、それぞれの長さを調整する。一般に光回路では、入射光１１の実効長を制御する一方で、光の強度は変化がないことが望ましい。実効長が変化する一方で、実効長の制御の間における光が十分に小さいような光の波長を、ここでは最適動作波長と呼び、本実施形態における光遅延回路は、最適動作波長を１．５５μｍに設計するように構成した。すなわち、回折次数を４０とした場合、上述の通り、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２の屈折率は３．４であるため、それぞれを往復する光路長の差が１．５５×４０／３．４＝１８．２４μｍ程度であるときに、光は再び第一の入射ポート３０７および第二の入射ポート３０８に戻ってくることになる。なお、ここで回折次数を４０としたのは、上述したＦＳＲが、およそ３５ｎｍとなるような光遅延回路を実現するためである。
　第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２の終端に、反射ミラー２１が設置されていることを考慮すると、第一の遅延線３１１の長さを１００μｍとした場合、第二の遅延線３１２の長さは、１００＋１８．２４／２＝１０９．１２μｍとなればよい。尚、重要なのは光路長の差であるため、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２の長さは必ずしもこの値に限らない。また、長さの大小関係も不問であるため、必ずしも第二の遅延線３１２の方が長くなる必要はない。
　なお、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２のそれぞれには、２×２光スイッチ３０によって光分波された分岐光の位相を制御するための第一の遅延線電極３２１および第二の遅延線電極３２２が設置されてもよく、この第一の遅延線電極３２１および第二の遅延線電極３２２を用いることで、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２を往復する光の位相を制御してもよい。
　図５は、本実施形態による光遅延回路において、２×２光スイッチ３０から第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２に向かう光の位相差を変化させたときの、第一の出射ポート３０９および第二の出射ポート３１０への光透過率を計算した結果を示している。ここで、位相変化を行ったのは第一のスイッチ電極３０５であるため、第一のアーム導波路３０３における光が位相変化したこととなる。図５が示す通り、位相変化量の増加に伴い、光透過率は第二の出射ポート３１０から第一の出射ポート３０９に遷移していき、第一の出射ポート３０９への光透過率が１００％に達した後は再び第二の出射ポート３１０への光透過率が増加する様子が分かる。すなわち、光の位相変化量に応じて、分岐光の分岐率が制御できていることが分かる。なお、ここでは第一のアーム導波路３０３における位相変化としたが、ＭＺＩでは第一のアーム導波路３０３と第二のアーム導波路３０４との間における位相の相対関係が光スイッチ特性に影響するため、第二のアーム導波路３０４における位相制御であっても同様の効果が得られる。
　図６（Ａ）～（Ｅ）は、２×２光スイッチ３０のスイッチ特性の変化に応じて入射した入射光１１に対し、第一の入射ポート３０７および第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の割合を強度で計算した結果である。図６（Ａ）は、第一のアーム導波路３０３おける光の位相変化量が０の場合、図６（Ｂ）は、第一のアーム導波路３０３おける光の位相変化量がπ／４の場合、図６（Ｃ）は、第一のアーム導波路３０３おける光の位相変化量がπ／２の場合、図６（Ｄ）は、第一のアーム導波路３０３おける光の位相変化量が３π／４の場合、図６（Ｅ）は、第一のアーム導波路３０３おける光の位相変化量がπの場合における計算結果を、それぞれ示している。図６に示される通り、通信波長として用いられる光の代表的な波長１．５５μｍの近傍では、第一のアーム導波路３０３における位相変化量に関わらず入射された光のほぼ全てが、第一の入射ポート３０７に戻ってくることが分かる。これは図３に示した第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２における光の往復長の差を波長１．５５μｍにおける回折次数４０を用いて設計したことに起因する。
　また、ここでは第一の出射ポート３０９も第二の出射ポート３１０も半周期（ＦＳＲの半分）が１７ｎｍ強であることから、意図した通り、図３に示す光遅延回路をフィルタとした時のＦＳＲは３５ｎｍとなることが分かる。これは、リング共振器の曲げ半径で考えると、数μｍの曲げ半径に相当し、化合物半導体導波路では非現実的な曲げ導波路半径である。即ち、本実施形態による光遅延回路は、波長１．５５μｍの光に対し、リング共振器では実現できなかった遅延量の制御が達成されていることを意味する。
　図７は、第一のアーム導波路３０３における位相変化量と光波長１．５５μｍにおける実効長の計算結果である。図７に示される通り、第一のアーム導波路３０３の位相変化量が０の時、実効長は１０１８．２４μｍである。この実効長が示す値は、２×２光スイッチ３０の長さ４００μｍと第二の遅延線３１２の光路長１０９．１２μｍを足した５０９．１２μｍの２倍に相当する。すなわち、本実施形態による光遅延回路において、第一のアーム導波路３０３の位相変化が０の場合、２×２光スイッチ３０が出射する光の１００％は第二の出射ポート３１０に出射され、入射光１１の１００％が第二の遅延線３１２へ導かれることを意味している。一方、第一のアーム導波路３０３の位相変化量が０．５や１となっている時、実効長はそれぞれ１００９．１２μｍ、１０００μｍと減少している様子が分かる。位相変化が０．５の時は第一の遅延線３１１と第二の遅延線３１２に等しく光が入射するので、（式５）から、この時の遅延線部の実効長は、第一の遅延線３１１と第二の遅延線３１２の平均値と２×２光スイッチ３０の長さの和の２倍となる。また、位相変化量が１の場合は、すべての光が第一の出射ポート３０９を介して第一の遅延線に導かれるため、実効長は第一の遅延線の長さと２×２光スイッチ３０の長さの和の２倍となる。このように、本実施形態による光遅延回路は、２×２光スイッチ３０内の光の位相変化を連続的に制御することにより、遅延量を連続的に制御できる。
　以上のことから、本実施形態による光遅延回路は、極端に曲げ半径が小さいリング共振器でなければ実現できなかった遅延量の制御を、比較的広い波長域において連続的に行うことが可能である。
（第２の実施形態）
　以下に、本開示における第２の実施形態について説明する。本実施形態は、第１の実施形態と同様に、２×２光スイッチ３０を有する光遅延回路について、最適動作波長を調整するために第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の強度を利用する例である。
　図８は、本実施形態における光遅延回路を模式的に示した図である。本実施形態における光遅延回路は、図３に示した２×２光スイッチを有する光遅回路において、第二の入射ポート３０８に、パワーモニタ４１が設置された構造を有する。
　図６（Ａ）～（Ｅ）に示した通り、第一の入射ポート３０７に入射光１１を入射させたとき、第一のアーム導波路３０３と第二のアーム導波路３０４との間の相対位相関係を制御すると、第一の入射ポート３０７に戻ってくる光の強度と、第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の強度は、それぞれ変化する。特に位相変化量が０およびπ以外の時に注目すると、光の強度は光回路のＦＳＲを反映し、波長によって変化していることが分かる。ここで、第一の入射ポート３０７に戻ってくる光の強度と第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の強度を比較すると、光波長に対して二つの光の強度は相補的な関係にあることが分かる。すなわち、第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の強度が分かれば、それを基に第一の入射ポート３０７に戻ってくる光の強度も求めることができる。
　この性質と、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２に接続された第一の遅延線電極３２１および第二の遅延線電極３２２の制御を利用すれば、入射光１１の波長に応じて、最適動作波長を調整することが可能となる。これを実現するために、本実施形態では、第二の入射ポート３０８にパワーモニタ４１を接続する。
　図９（Ａ）～（Ｅ）は、第一のアーム導波路３０３の位相変化量をπ／２で一定とし、第一の遅延線電極３２１によって第一の遅延線３１１を往復する光の位相を変化させた際に、第一の入射ポート３０７および第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の強度を示す図である。図９（Ａ）は、第一の遅延線３１１を往復する光の位相変化量が０の場合、図９（Ｂ）は、第一の遅延線３１１を往復する光の位相変化量がπ／４の場合、図９（Ｃ）は、第一の遅延線３１１を往復する光の位相変化量がπ／２の場合、図９（Ｄ）は、第一の遅延線３１１を往復する光の位相変化量が３π／４の場合、図９（Ｅ）は、第一の遅延線３１１を往復する光の位相変化量がπの場合における光の強度を、それぞれ示している。第一の遅延線３１１における光の位相を変化させることにより、第一の入射ポート３０７および第二の入射ポート３０８の光の強度のピークが、長波側にシフトしてく様子が分かる。これは、第一の遅延線３１１における光の位相変化量に応じて、最適動作波が長波側にシフトしていることを意味している。換言すれば、第一の遅延線電極３２１により、光の位相量を制御することで、最適動作波長を入射光１１の波長に応じて調整することができる。
　図１０は、入射光１１の波長が１．５６μｍの場合における、第一の入射ポート３０７と第二の入射ポート３０８に戻ってくる光の強度を示した図である。ここで第二の入射ポートに戻ってくる光の強度に着目すると、第一の遅延線３１１の光の位相変化量が０．６π付近において、光の強度が最小になることが分かる。上述の通り、この時の第一の入射ポート３０７に戻ってくる光の強度は、最大値近傍を取る。すなわち、第一の遅延線３１１の光の位相変化量が０．６πとなるように第一の遅延線電極３２１を制御すれば、最適動作波長を入射光１１の波長である１．５６μｍに合わせるように調整することができる。このように、本実施形態のような構成を取ることにより、入射光１１の波長に対する最適動作波長を適正に制御することが可能となる。
（第３の実施形態）
　以下に、本開示における第３の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態による光遅延回路は、レーザ発振などで用いられる波長可変光源の例である。本実施形態に関する説明に先立ち、以下に一般的な波長可変光源の構成と機能について説明する。
　図１１は、一般的な波長可変光源の構成を模式的に示す図である。図１１に示される通り、波長可変光源は光を発生・増幅する光利得導波路６１と、波長可変光源における共振器長を微調整する位相調整器６２と、光利得導波路６１から出射される光に対して特定の波長の光を選択的に帰還させる波長可変フィルタ６３と、これらを挟む形で配置されたミラー６４からなる共振器構造を取る。なお、波長可変フィルタ６３は、分布ブラッグ反射器などの反射スペクトルを調整するような構成を取る場合も多くあるが、この場合、波長可変フィルタ６３はミラー６４を兼ねることになる。
　図１２（Ａ）は、波長に対するフィルタによる帰還率および縦モードの利得を、図１２（Ｂ）は、波長に対する波長可変レーザ（波長可変光源）としての縦モード利得を、それぞれ示している。図１２（Ａ）が示す帰還率は、波長可変フィルタ６３による、光利得導波路６１への光の帰還率であり、光利得導波路６１から見た時の光の反射率スペクトルとも言える。また、縦モードの利得は、波長可変光源の共振器長において光が定在波（縦モード）をつくる際に、光が光利得導波路６１の利得を大きく感じることに由来する。
　光の波長をλ、ｍを縦モード次数（正の整数）とした場合、縦モードの波長は（式６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここでｎｋとＬｋは、波長可変光源を構成する各構成要素の屈折率と物理長である。つまり、図１１に示した波長可変光源で言えば、位相調整器６２（ｋ＝１）、光利得導波路６１（ｋ＝２）および波長可変フィルタ６３（ｋ＝３）のそれぞれの屈折率および物理長に該当する。ここでは、簡単のため、これら三つの構成要素の長さは全て４００μｍとし、屈折率も全てｎとする。また、波長可変光源は半導体で作製されているものとし、半導体レーザの光の波長は、光通信における代表的な波長である１．５５μｍとする。
　（式６）からわかる通り、縦モード次数は無数にあるため、単一の波長で波長可変光源を発振させるためには、特定の縦モードを選択して光利得導波路へ帰還させる必要がある。そこで、図１２（Ｂ）に示される通り、特定の波長の光を選択的に帰還させる波長可変フィルタ６３を波長可変光源に設けることで特定の縦モードを選ぶことができる。波長可変フィルタ６３の調整は、種類によって様々だが、縦モードの調整は（式６）からわかる様に位相調整器６２（ｋ＝１）、光利得導波路６１（ｋ＝２）および波長可変フィルタ６３（ｋ＝３）の三つの構成要素すべてを合わせた長さを調整すればよい。この長さを調整するのが図１１における位相調整器６２である。すなわち、波長可変光源は、波長可変フィルタ６３と位相調整器６２の調整によって必要な波長のレーザを得る。
　ここで、ある縦モード次数ｍにて発振しているレーザについて、例えばｍ＋１の縦モード次数を選ぶ様に、波長可変フィルタ６３を調整すれば、大きな波長変化が得られる。ただし、縦モード次数ｍの変化はモードホップと呼ばれ、モードホップの前後において光の強度不安定化や、スペクトル純度の悪化が生じる。例えば、波長を掃引した波長可変光源からの光をガスに透過させて、その透過スペクトルからガス種を同定するガスセンシングでは、波長掃引時にモードホップが起きると、透過スペクトルの連続性が失われて、解析を困難にする。
　また、波長可変光源を無温調レーザとして用いることで、温度変化によるレーザ発振波長変化を波長可変光源への電気信号によって補償する手法があるが、この手法においても、波長可変光源においてモードホップを生じない波長制御が重要である。レーザの無温調化はレーザモジュールのサイズや消費電力を低減させるために非常に有用であるが、運用時にモードホップが生じると、通信品質を著しく損なう。したがって、モードホップを生じない波長制御、すなわち同一の縦モード次数における波長制御（連続チューニングと呼ばれる）は、上記の理由から応用上重要である。しかし、後述の通り、従来までにおける連続チューニングでは、そのチューニング量の小ささが問題である。
　例えば、図１１の波長可変光源において、波長λ、縦モード次数ｍにてレーザ発振している場合を考える。このとき、位相調整器６２の屈折率をｎからｎ＋Δｎへと変化させ、レーザ波長をλからλ＋Δλへと制御しようとすると、レーザ波長の変化量Δλと波長λの比は、（式６）から（式７）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　上述の通り、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、はすべて４００μｍである。また、想定している波長可変光源は半導体としているため、熱や電流による半導体の屈折率変化の割合（Δｎ／ｎ）は０.５％程度である。したがって、（式７）からΔλ／λは０.２％未満となり、考えている波長が１．５５ μｍであれば、連続チューニングの波長変化量Δλは、僅か３ｎｍ程度と、ほとんど変化していないことになる。すなわち、従来の連続チューニングでは、例えば光通信で用いられる代表的な波長帯の光に対し、効率よくチューニングすることが困難である。
　そこで、本実施形態では、図１１に示した波長可変光源における位相調整器６２を、第１および第２の実施形態で述べた、光遅延回路に置き換える。
　図１３は、本実施形態による光遅延回路を適用した波長可変光源を模式的に示す図である。本実施形態では、波長可変光源は、図１１に示した位相調整器６２が、第１および第２の実施形態で述べた光遅延回路に置き換わった構造を有する。光利得導波路６１に２×２光スイッチ３０の第一の入射ポート３０７が接続され、図８に示されるように、長さの異なる第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２が２×２光スイッチ３０の出射側に接続される。さらに、第一の遅延線３１１および第二の遅延線３１２には、光の位相変化量を制御する第一の遅延線電極３２１および第二の遅延線電極３２２が接続され、終端には光を反射し、往復させるための反射ミラー２１が設置されている。加えて、２×２光スイッチ３０の第二の入射ポート３０８には、戻ってきた光の強度をモニタするパワーモニタ４１が接続されている。このような構成の波長可変光源では、同一の縦モード次数ｍにおける波長変化量が、実効長の変化量によって決まることになる。このとき、（式７）に対応する波長変化量Δλは、（式８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、Ｌ１′は、置き換った光遅延回路の往復の実効長である。
　例えば、Ｌ１′が５００μｍから５１０μｍまで変化させられることを考える。なお、対比のため、光利得導波路６１と波長可変フィルタのそれぞれの長さ、Ｌ２およびＬ３は上述の通り、４００μｍで同一とする。すると、（式８）から、Δλ／λは約０．７５％となる。想定している光の波長が１．５５μｍであれば、波長変化量は１２ｎｍ程度となり、上述した従来技術と比較して、約４倍の連続チューニング量が得られることが分かる。このように、本発明の一実施形態による光遅延回路は、比較的広い範囲の波長帯に対して、実効長を連続的かつ高精度で制御できるため、波長可変光源の連続チューニングの高効率化にも寄与する。
　リング共振器を用いた導波路型の光遅延回路のような従来の光遅延回路と比べ、遅延量を高精度かつ連続的に制御できる技術として、光通信における光回路やレーザ発振器等への適用が見込まれる。

Claims (5)

  1. 　Ｍ個のポートとＮ個のポートを備えたＭ×Ｎ光スイッチであって、Ｍが１以上の整数であり、Ｎが２以上の整数である、Ｍ×Ｎ光スイッチと、
    　前記Ｍ×Ｎ光スイッチの前記Ｎ個のポートに接続された、互いに長さの異なる複数の光遅延線と、
    　前記複数の光遅延線の終端に設置された反射ミラーと
    を備えた、光遅延回路であって、
    　前記Ｍ×Ｎ光スイッチが、
    　　複数のアーム導波路と、
    　　前記アーム導波路を伝搬する光の位相を制御する、前記複数のアーム導波路に形成された複数のスイッチ電極と
    を備え、
    前記Ｍ×Ｎ光スイッチにおける前記Ｍ個のポートから前記Ｎ個のポートへ伝搬する光の分光特性および前記Ｎ個のポートから前記Ｍ個のポートへ伝搬する光の合波特性が、前記複数のスイッチ電極へ印加する信号に応じて変化する、光遅延回路。
  2. 　前記光遅延線を往復する前記光の位相が、特定の入射光の波長において等しくなるように、前記複数の光遅延線のそれぞれの長さが調整されている、請求項１に記載の光遅延回路。
  3. 　前記複数の光遅延線の少なくとも一つに、前記光遅延線を伝搬する前記光の位相を制御する遅延線電極をさらに備えた、請求項１または２に記載の光遅延回路。
  4. 　前記Ｍ個のポートの少なくとも一つに、前記光の強度をモニタするパワーモニタをさらに備えた、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光遅延回路。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光遅延回路と、
    　光を発生および増幅する光利得導波路であって、前記光が前記Ｍ個のポートの少なくとも一つを介して前記光遅延回路に入力される、光利得導波路と、
    　前記光利得導波路の前記Ｍ個のポートの反対側に配置され、前記光利得導波路からの光に対して特定の波長の光を選択的に帰還させる波長可変フィルタと、
    　前記波長可変フィルタの前記利得導波路の反対側に設置された第２の反射ミラーと、
    　を備えた、波長可変光源。
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