WO2022259431A1 - 可変波長フィルタおよびその制御方法 - Google Patents

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arm waveguide
phase shift
waveguide
wavelength filter
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慶太 山口
雅 太田
祥江 森本
賢哉 鈴木
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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 invention relates to a wavelength tunable filter composed of waveguides, and more particularly to a wavelength tunable filter using a lattice type optical circuit capable of reducing power consumption, and a control method thereof.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • PLC planar lightwave circuit
  • Waveguide-type optical circuits using silica use the same material as optical fibers used in optical communication networks, so they have the characteristic of being able to realize low-loss waveguides. Moreover, since the waveguide is formed on the planar substrate, it is easy to combine various functional elements, and complex optical circuits can be produced with good reproducibility. Therefore, it is widely used in wavelength multiplexing/demultiplexing devices and optical switches, and is indispensable in constructing current optical communication networks.
  • a lattice optical circuit is an optical circuit in which directional couplers and a plurality of asymmetric Mach-Zehnder interferometers (hereinafter referred to as MZIs) are connected in multiple stages in a lattice.
  • MZIs Mach-Zehnder interferometers
  • a phase shifter is connected to the waveguide in each MZI, and this phase shifter adjusts the interference state in each MZI by controlling the phase of light propagating in the waveguide.
  • a method of controlling the phase of light by the phase shifter includes, for example, a change in refractive index based on a thermo-optical effect due to heating.
  • Lattice optical circuits having such a configuration have been proposed for application to devices such as variable wavelength filters that control the transmission spectrum of signal light having a specific wavelength, and gain equalizers for optical amplifiers (for example, , Non-Patent Document 2).
  • variable wavelength filter using the lattice type optical circuit described in the prior art document has the problem of high power consumption.
  • each MZI requires control of the phase shifter, but in a tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit in which a plurality of MZIs are connected in multiple stages, driving power for controlling this phase shifter is high.
  • the power consumption for driving the variable wavelength filter by the lattice type optical circuit is the sum of the power consumption generated by each phase shifter installed in each MZI. For example, when the phase control method of the signal light by the phase shifters is heating as described above, a plurality of heating mechanisms are required to properly heat each phase shifter, and power consumption increases accordingly.
  • the maximum power consumption during use is important. It is determined by the transmission spectrum shape of the maximum power consumption and the power consumption at that time. Therefore, in a tunable filter using a lattice type optical circuit, it is important to design each MZI or control the phase shifter so as to minimize the power consumption in the transmission spectrum shape with the maximum power consumption.
  • the control method has not been established, and the reduction of the power consumption in the tunable wavelength filter by the lattice type optical circuit has not been realized.
  • the present disclosure has been made in view of such problems, and the purpose thereof is to reduce the amount of power consumption in phase control of signal light as compared with conventional lattice type optical circuits. It is to provide a wavelength filter and its control method.
  • the present disclosure has a transmission spectrum shape such that the transmission intensity of signal light varies linearly with wavelength, and controls the slope of the linear relationship.
  • MZI lattice type optical circuit with an interferometer
  • a method for controlling a variable wavelength filter in which the amount of phase shift of a phase shifter is controlled such that the transmission intensity of signal light has a transmission spectrum shape that varies linearly with wavelength. and controlling the amount of phase shift includes not controlling the amount of phase shift in at least one of the plurality of MIZs.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of a tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit in one embodiment of the present invention
  • FIG. It is a figure which shows the transmission spectrum shape which changed the inclination of linear relationship.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of phase shift adjusted by each phase shifter in order to obtain a desired slope in the linear relationship of transmission spectrum shapes;
  • FIG. 10 is a diagram showing the phase shift amount in each phase shifter when a variable wavelength filter with a lattice type optical circuit is used in one embodiment of the present invention;
  • 1 is a plan view showing the configuration of a tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit in one embodiment of the present invention;
  • 7 is a graph illustrating the amount of phase shift in each phase shifter with respect to the slope of the transmission spectrum shape; 7 is a graph showing the relationship between the inclination of the transmission spectrum shape and the phase shift amount when the phase shift amount in each of the phase shifters shown in FIG. 6 is individually controlled;
  • the waveguide length difference between two arm waveguides in the MIZ is adjusted so as to reduce the value of the phase shift amount itself while maintaining the fluctuation width of the phase shift amount in the phase shifter.
  • This is different from the conventional tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit.
  • the variation width used in this specification corresponds to the difference between the maximum value and the minimum value of the phase shift amount in each phase shifter with respect to the inclination of the transmission spectrum shape, which will be described later.
  • a tunable wavelength filter using a lattice-type optical circuit in which a waveguide chip having 1-input, 1-output (hereinafter referred to as 1 ⁇ 1) ports including five MZIs is formed on a substrate.
  • the variable wavelength filter according to this embodiment is a PLC using quartz.
  • FIG. 1 is a plan view showing the configuration of a tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit according to one embodiment of the present invention.
  • a tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit in this embodiment is a device in which a waveguide chip 12 is formed on a substrate 11.
  • the waveguide chip 12 five MZI units 13a to 13e are repeatedly connected, and further , an input port 14 is connected to the input end of the MZI unit 13a, and an output port 15 is connected to the output end of the MZI unit 13e.
  • Each of the MZI units 13a-13e also has a first arm waveguide 131 and a second arm waveguide 132, and the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 are on the input side.
  • the first arm waveguide 131 is connected to phase shifters 133a to 133e for controlling the phase of signal light. Then, the phase shifters 133a to 133e adjust the phase of propagating signal light so that only the signal light in the desired wavelength band has a high transmission intensity. In this embodiment, the phase shifters 133a to 133e adjust the phase of the signal light by changing the refractive index using the thermo-optical effect caused by heating using a heater. Further, in this embodiment, the branching ratio of the signal light branched to each of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is 50:50.
  • ⁇ is the wavelength of the signal light and nef is the effective refractive index of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 .
  • ⁇ is the difference between the minimum phase shift value and 0 in each of the phase shifters 133a to 133e, or the difference between the maximum value and the variation range of the phase shift amount, and should be changed to reduce power consumption. It corresponds to the reduction amount of the phase shift amount. That is, in the present embodiment, power consumption is reduced by reducing the value of the phase shift amount itself while maintaining the fluctuation range of the phase shift amount in each of the phase shifters 133a to 133e.
  • the reduction amount of the phase shift amount is set so that the minimum value of the phase shift amount in each of the phase shifters 133a to 133e is 0. This is done by adjusting the waveguide length of the second arm waveguide 132 .
  • the power consumption of the phase shifters 133a to 133e increases as the amount of phase shift of the signal light increases.
  • the phase of the signal light is controlled by changing the refractive index of the waveguide in the variable wavelength filter by heating with a heater.
  • variable wavelength filter which has a transmission spectrum shape such that the transmission intensity of signal light varies linearly with respect to the wavelength, and whose inclination is continuously controlled. .
  • the inclination of the transmission spectrum shape is controlled by adjusting the phase shift amount in each of the phase shifters 133a to 133e.
  • FIG. 2 shows the transmission spectrum shape with the slope of the linear relationship changed
  • FIG. 3 shows the phase shift amount adjusted by the phase shifters 133a to 133e to obtain the desired slope in the linear relationship of the transmission spectrum shape. , respectively.
  • the shape of the transmission spectrum has a linear relationship in a specific wavelength region, and it can be seen that the slope can be controlled.
  • the phase shift amount adjusted by the phase shifters 133a to 133e to obtain the desired slope changes continuously.
  • the phase shift amount in each of the phase shifters 133a to 133e is the variation width of the phase shift, that is, the phase shift amount in each phase shifter in the correlation between the slope and the phase shift amount shown in FIG. If the value of the phase shift amount is reduced while the width between the minimum value and the maximum value is maintained, the power consumption in each of the phase shifters 133a to 133e can be reduced.
  • the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 are designed so that the waveguide length difference satisfies (Equation 1).
  • the phase difference generated by the waveguide length difference between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 becomes the lower limit or condition of the fluctuation width of the phase shift amount.
  • the value of the phase shift amount changes. That is, the value of the phase shift amount is reduced as a whole while maintaining the fluctuation width of the phase shift.
  • the maximum phase shift amount from when the phase shift amount is 0 is the above-mentioned phase shift fluctuation range. values are preferably the same.
  • FIG. 4 is a diagram showing the amount of phase shift in each of the phase shifters 133a to 133e when using a variable wavelength filter based on the lattice type optical circuit according to this embodiment.
  • the amount of phase shift is reduced as a whole while maintaining the fluctuation range in FIG. It can be seen that the value is almost 0.
  • the power consumption increases as the phase shift amount increases. Therefore, it can be seen that the tunable wavelength filter using the lattice type optical circuit in this embodiment has the effect of reducing power consumption more than the tunable wavelength filter using the conventional lattice type optical circuit.
  • a lattice type optical circuit in which five MZIs 13a to 13e are connected is used, but if two or more are connected, the same effect can be obtained.
  • the branching ratio of the signal light branched to each of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 was set to 50:50, but any branching ratio may be used. has the same effect.
  • heating by a general heater is used as a method of controlling the phase of signal light, but this method also has the drawback that the direction of phase shift of signal light is limited to one direction.
  • a method that can control the phase in both directions may be used.
  • the maximum power consumption can be further reduced by using a method that has both heating and cooling functions, such as a Peltier device.
  • the reduction amount ⁇ in (Equation 1) is set to the phase shift amount up to the intermediate value of the fluctuation width of the phase shift amount generated in the phase shifters 133a to 133e, thereby achieving the same effect.
  • phase shifter is also connected to the second arm waveguide 132 in the tunable wavelength filter by the lattice type optical circuit in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a plan view showing the configuration of a variable wavelength filter using a lattice type optical circuit in one embodiment of the present invention.
  • the tunable wavelength filter by the lattice type optical circuit in this embodiment also has phase shifters 501a to 501e connected to the second arm waveguide. has a structured structure.
  • the phase control method of the signal light in the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e is heating by heaters as in the first embodiment.
  • the branching ratio of the signal light branched to each of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is 50:50, as in the first embodiment.
  • the difference in waveguide length between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is given by (Equation 1). Designed to satisfy. However, the amount of reduction ⁇ in (Equation 1) uses an intermediate value of the fluctuation width of the phase shifts of the phase shifters 133a to 133e, as in the case where the Peltier element is also included as described in the first embodiment.
  • the phase shifters 133a to 133e are driven when the phase shift amount is changed to the positive side, and the phase shifters 501a to 501e are driven when the phase is shifted to the negative side. Therefore, the tunable wavelength filter using the lattice type optical circuit in this embodiment can perform phase control in both directions even if a phase control method such as a heater that can control the phase of signal light in only one direction is adopted. It becomes possible. That is, the phase control using the Peltier element described in the first embodiment can be realized even when the heater is used.
  • a lattice type optical circuit in which five MZIs 13a to 13e are connected is used.
  • the branching ratio of the signal light branched to each of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is set to 50:50. , the same effect can be obtained at any branching ratio.
  • the tunable filter by the lattice type optical circuit in this embodiment is a device having the configuration shown in FIG. 5, as in the second embodiment.
  • the waveguide length difference between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is not designed so that the minimum value of the phase shift amount is zero.
  • the minimum value of the phase shift amount is 0 or the maximum value is the same as the fluctuation range based on the fluctuation range of the phase shift amount in the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e.
  • the waveguide length difference between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is uniquely determined so that However, depending on the desired transmission spectrum shape, the value of the phase shift amount for properly reducing power consumption does not necessarily have a minimum value of 0 for all phase shifters 133a-133e and phase shifters 501a-501e.
  • the present embodiment is a form for efficiently reducing the power consumption of the tunable wavelength filter by the lattice type optical circuit in such a situation.
  • a tunable wavelength filter using a lattice type optical circuit in this embodiment has a circuit configuration as shown in FIG. 5, as in the second embodiment.
  • the design of the waveguide length difference between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 in each of the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e is different from that in the first and second embodiments. different. That is, in the present embodiment, as described above, the waveguide length difference between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is the phase shift amount in each of the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e. It is not designed to have a minimum value of 0.
  • the phase control method of the signal light in the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e is heating by heaters, as in the first and second embodiments. Further, in this embodiment, the branching ratio of the signal light branched to each of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is, like the first and second embodiments, It is 50:50.
  • FIG. 6 is a graph illustrating the phase shift amount of each phase shifter 133a to 133e with respect to the inclination of the transmission spectrum shape.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the inclination of the transmission spectrum shape and the phase shift amount when the phase shift amount of each of the phase shifters 133a to 133e shown in FIG. 6 is individually controlled.
  • the phase shift amounts of the phase shifters 133a to 133e do not always have a minimum value of zero. Also, it can be seen that the phase shifter 133d hardly changes between FIG. 5 and FIG.
  • the amount of change in the phase shift amount is individually adjusted for each of the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e.
  • the variation width of the phase shifts of phase shifters 133a-133e and phase shifters 501a-501e is maintained.
  • the difference in waveguide length between the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 in each of the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e is designed by applying (Equation 1) so that the total power consumption is minimized.
  • Equation 1 the amount of power consumption is proportional to the amount of phase shift, and the amount of power consumption required to generate the same amount of phase shift is It is assumed that the phase shifters are the same.
  • the reduction amount ⁇ of the phase shift amount may be selected such that the sum of the maximum values of the phase shift amounts generated in all the phase shifters is minimized so as to obtain the desired transmission spectrum shape slope.
  • the lattice type optical circuit in which five MZIs 13a to 13e are connected is used. Play.
  • the branching ratio of the signal light branched to each of the first arm waveguide 131 and the second arm waveguide 132 is Although the ratio is 50:50, the same effect can be obtained with any branching ratio.
  • phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e are individually controlled in this embodiment, it is not necessary to control all the installed phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e. That is, if at least one phase shifter among the phase shifters 133a to 133e and the phase shifters 501a to 501e controls the amount of phase shift, the effect of reducing power consumption is similarly obtained.
  • optical communication networks such as WDM as a tunable wavelength filter that can reduce power consumption more than before.

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Abstract

従来までのラティス型光回路による可変波長フィルタは、複数のＭＺＩが多段接続された光回路であるため、位相シフタにおける消費電力量が高くなるという課題があり、本開示では、信号光の位相制御における消費電力量を、従来よりも低減することを可能にするラティス型光回路による波長フィルタ、およびその制御方法を提供するため、ＭＩＺ内の２つのアーム導波路（１３１、１３２）の導波路長差（ΔＬ）が、位相シフタ（１３３ａ～１３３ｅ）における位相シフト量を、変動幅を維持しながら低減するように調整されているラティス型光回路による可変波長フィルタ、およびそのラティス型光回路による可変波長フィルタを用いた信号光の制御方法を提案する。

Description

可変波長フィルタおよびその制御方法
　本発明は、導波路により構成される可変波長フィルタに関し、より詳細には、消費電力量を低減できるラティス型光回路による可変波長フィルタ、およびその制御方法に関する。
　インターネットを代表とするデータ通信の爆発的な増加を背景に、光通信ネットワークが急速に発展している。中でも、一つの光ファイバーで波長の異なる複数の信号光を伝送できる波長多重通信技術（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：以下、ＷＤＭと記す）が、光通信の大容量化において、極めて大きな原動力となっている。このような光通信ネットワークを支えるため、近年では、波長合分波素子や可変波長フィルタなどの高機能な光回路に対する需要が高まっている。
　このような、光通信ネットワークで必要とされる高機能な光回路の代表例として、平面光波回路（Ｐｌａｎａｒ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ：以下、ＰＬＣと記す）が挙げられる。ＰＬＣは、平面基板上に石英を用いた導波路型の光回路であり、機能性、量産性、価格性といった観点で優位性が高いことから、現在の光通信ネットワークにおいて、広く実用化されている。
　ＰＬＣのような石英を用いた導波路型の光回路は、光通信ネットワークで利用される光ファイバーと同じ材料を用いているため、低損失な導波路を実現できるという特徴を有している。また、平面基板上に導波路を形成するため、さまざまな機能要素を組み合わせることが容易であり、複雑な光回路を再現性良く作製することもできる。したがって、波長合分波する素子や光スイッチなど、幅広く応用されており、現在の光通信ネットワークを構築する上では、不可欠なものとなっている。
　一方、近年では光通信ネットワークの高度化に伴い、より複雑な光回路に対する要望が高まっている。そして、一つに、ラティス型光回路が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。ラティス型光回路は、方向性結合器および複数の非対称なマッハツェンダ干渉計（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ：以下、ＭＺＩと記す）が、格子状に多段接続された光回路である。そして、各ＭＺＩ内の導波路には位相シフタが接続されており、この位相シフタが、導波路内を伝搬する光の位相を制御することによって、各ＭＺＩでの干渉状態を調整している。尚、位相シフタが光の位相を制御する方法としては、例えば、加熱による熱光学効果に基づいた、屈折率の変化などが挙げられる。このような構成を有するラティス型光回路は、特定の波長を有する信号光に対して透過スペクトルを制御する可変波長フィルタや、光増幅器の利得等価器といったデバイスへの応用が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
　しかし、先行技術文献に記載されるラティス型光回路による可変波長フィルタでは、消費電力量が高くなるという課題がある。前述の通り、各ＭＺＩでは、位相シフタの制御が必要であるが、複数のＭＺＩが多段接続されたラティス型光回路による可変波長フィルタでは、この位相シフタを制御するための駆動電力が高くなる。通常、ラティス型光回路による可変波長フィルタを駆動させるための消費電力量は、各ＭＺＩ内に設置されたそれぞれの位相シフタで発生する消費電力量の合計となる。例えば、位相シフタによる信号光の位相制御方法が、前述した加熱である場合、各位相シフタを適正に加熱するため、複数の加熱機構が必要であり、それに伴って消費電力量も増加する。
　また、可変波長フィルタとしてラティス型光回路を運用する際、使用時の最大消費電力量が重要であるが、これは想定される可変波長フィルタのフィルタ形状（透過スペクトル形状）を変形することで、最大消費電力量の透過スペクトル形状とその時の消費電力量で決定される。そのため、ラティス型光回路による可変波長フィルタでは、最大消費電力量の透過スペクトル形状における消費電力量が最小化されるように各ＭＺＩを設計、または位相シフタを制御することが重要である。しかし、現状ではその制御方法が確立されておらず、ラティス型光回路による可変波長フィルタにおける消費電力量の低減が実現できていない。
M. Oguma et al., "Compact and low-loss interleave filter employing lattice-form structure and silica-based waveguide," Journal of Lightwave Technology, vol. 22, no. 3, pp. 895-902, March 2004, doi 10.1109/JLT.2004.824544. K. Suzuki, T. Kitoh, S. Suzuki, Y. Inoue, Y. Hbbino, T. Shibata, A. Mori, and M. Shimizu, "Ultra wide range dynamic gain equalizer with high contrast silica planar lightwave circuit," Integrated Photonics Research, Vol. 78 of OSA Trends in Optics and Photonics, paper IThG2, 2002, doi 10.1364/IPR.2002.ITHG2
　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、信号光の位相制御における消費電力量を、従来よりも低減することを可能にするラティス型光回路による波長フィルタ、およびその制御方法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、信号光の透過強度が波長に対して線形的に変化するような透過スペクトル形状を有し、その線形関係の傾きを制御する、複数のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を備えたラティス型光回路による可変波長フィルタであって、ＭＺＩは、第一のアーム導波路および第二のアーム導波路と、第一のアーム導波路に接続され、透過スペクトル形状における傾きを制御するために信号光の位相を制御する位相シフタとを備え、第一のアーム導波路と第二のアーム導波路の導波路長差が、位相シフタの各々において発生する位相シフト量を、位相シフト量の変動幅を維持しながら、低減させるように設計されている可変波長フィルタを提供する。
　さらに、本開示では、可変波長フィルタの制御方法であって、信号光の透過強度が、波長に対して線形的に変化するような透過スペクトル形状となるよう、位相シフタの位相シフト量を制御することを含み、位相シフト量を制御することは、複数のＭＩＺのうちの少なくとも１つにおいて位相シフト量を制御しないことを含む、制御方法を提供する
本発明の一実施形態における、ラティス型光回路による可変波長フィルタの構成を示す平面図である。 線形関係の傾きを変化させた透過スペクトル形状を示す図である。 透過スペクトル形状の線形関係において、所望の傾きを得るために、各位相シフタで調整される位相シフト量を示す図である。 本発明の一実施形態における、ラティス型光回路による可変波長フィルタを用いた場合の、各位相シフタにおける位相シフト量を示す図である。 本発明の一実施形態における、ラティス型光回路による可変波長フィルタの構成を示す平面図である。 透過スペクトル形状の傾きに対する、各位相シフタにおける位相シフト量を例示するグラフである。 図６に示した位相シフタの各々における位相シフト量を、個別に制御した場合の、透過スペクトル形状の傾きと位相シフト量の関係を示すグラフである。
　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、位相シフタにおける位相シフト量の変動幅が維持されたまま、位相シフト量の値自体を低減するよう、ＭＩＺ内の２つのアーム導波路の導波路長差が調整されているという点で、従来のラティス型光回路による可変波長フィルタとは異なる。尚、本書で用いる変動幅とは、後述する透過スペクトル形状の傾きに対し、各位相シフタにおける位相シフト量の最大値と最小値の差分に相当する。
（第一の実施形態）
　以下に、本発明における第１の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、例として、５つのＭＺＩを含む、１入力１出力（以下、１×１と記す）ポートを有する導波路チップが基板上に形成されたラティス型光回路による可変波長フィルタに関する。なお、本実施形態による可変波長フィルタは、石英を用いたＰＬＣである。
　図１は、本発明の一実施形態による、ラティス型光回路による可変波長フィルタの構成を示す平面図である。本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタは、基板１１上に導波路チップ１２が形成されたデバイスであり、導波路チップ１２中では、ＭＺＩユニット１３ａ～１３ｅの５つが繰り返し接続され、さらに、ＭＺＩユニット１３ａの入力側の端部に入力ポート１４、ＭＺＩユニット１３ｅの出力側の端部に出力ポート１５が、それぞれ接続された１×１ポートの光回路となっている。また、ＭＺＩユニット１３ａ～１３ｅの各々は、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２を有し、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２が、入力側で信号光を２分岐する方向性結合器を構成し、出力側で伝搬した信号光を合波する方向性結合器を構成している。第一のアーム導波路１３１には、信号光の位相を制御する位相シフタ１３３ａ～１３３ｅが接続されている。そして、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅが、所望の波長帯の信号光のみに対して高い透過強度を有するよう、伝搬する信号光の位相を調整する。尚、本実施形態において、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅが信号光の位相を調整する方法は、ヒータを用いた加熱による熱光学効果を利用した屈折率の変化である。また、本実施形態において、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２のそれぞれに分岐された信号光の分岐比は５０：５０である。
　このように構成された、本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタでは、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長の差ΔＬは、（式１）を満足するように設計されている。
ΔＬ＝（λ・Δθ）／ｎｅｆ　　　（式１）
　ここで、λは信号光の波長、ｎｅｆは第一のアーム導波路１３１および第二のアーム導波路１３２の実効屈折率である。そして、Δθは、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける位相シフトの最小値と０との差、もしくは最大値と位相シフト量の変動幅との差であり、消費電力量を低減させるために変化させるべき位相シフト量の低減量に相当する。すなわち、本実施形態では、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける位相シフト量の変動幅を維持したまま、位相シフト量の値自体を低減させることにより、消費電力量を低減する。そして、その位相シフト量の低減量は、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅの各々における位相シフト量の最小値が０になるように設定され、その位相シフト量の低減は、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長の調整によってなされる。
　このように第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長の差を設計することにより、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅの各々における位相シフト量を低減することができ、それに伴って、消費電力量の低減が実現できる。詳細な原理を、以下に説明する。
　一般的に、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅでは、信号光の位相シフト量の増加に伴い、消費電力量が増加する。例えば、本実施形態で採用した熱光学効果を利用する位相シフタでは、ヒータによる加熱で可変波長フィルタ内の導波路の屈折率を変化させることにより、信号光の位相を制御する。この場合、信号光の位相シフト量を大きくするには、ヒータの設定温度を高くする必要があり、それに伴って消費電力量も増加する。
　ここで、本実施形態では、信号光の透過強度が波長に対して線形的に変化するような透過スペクトル形状を有しており、その傾きを連続的に制御するような可変波長フィルタを想定する。通常、このような可変波長フィルタでは、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅのそれぞれにおける位相シフト量を調整することにより、透過スペクトル形状の傾きを制御する。
　図２に、線形関係の傾きを変化させた透過スペクトル形状を、図３に、透過スペクトル形状の線形関係において、所望の傾きを得るために、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅで調整される位相シフト量を、それぞれ示す。図２に示される通り、位相シフタ１３３における位相シフト量を調整することで、特定の波長領域で透過スペクトル形状は線形関係となり、その傾きを制御できることが分かる。また、図３に示される通り、所望の傾きを得るために位相シフタ１３３ａ～１３３ｅで調整される位相シフト量は、連続的に変化していることが分かる。このような可変波長フィルタにおいて、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅでの位相シフト量が、位相シフトの変動幅、すなわち、図３に示した傾きと位相シフト量の相関において、各位相シフタにおける位相シフト量の最小値と最大値の幅が維持されたまま、位相シフト量の値が低減されれば、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける消費電力量が低減できる。これを実現するために、上述した通り、第一のアーム導波路１３１および第二のアーム導波路１３２の導波路長差が（式１）を満足するように設計する。このような構成とすることで、第一のアーム導波路１３１および第二のアーム導波路１３２の導波路長差によって発生する位相差が、位相シフト量の変動幅の下限または条件になるように位相シフト量の値が変化する。すなわち、位相シフトの変動幅を維持したまま、位相シフト量の値が全体的に低減される。
　特に、本実施形態で採用した、ヒータで発生する熱と熱光学効果を利用した位相制御方法を活用する場合、位相シフト量が０のときから最大位相シフト量が前述の位相シフトの変動幅の値と同一になることが好ましい。
　図４は、本実施形態によるラティス型光回路による可変波長フィルタを用いた場合の各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける位相シフト量を示す図である。位相シフタ１３３ａ～１３３ｅで発生する位相シフト量の挙動は、図３における変動幅を維持しながらも、全体的に位相シフト量が低減しており、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける位相シフト量の最小値はほぼ０となっていることが分かる。上述の通り、位相シフト量が大きくなるほど、消費電力量は増加する。したがって、本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタは、従来のラティス型光回路による可変波長フィルタよりも、消費電力量を低減する効果を奏していることが分かる。
　なお、本実施形態では、ＭＺＩ１３ａ～１３ｅの５つが接続されたラティス型光回路としたが、２つ以上であれば、同様の効果を奏する。
　さらに、本実施形態においては、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２のそれぞれに分岐された信号光の分岐比は５０：５０としたが、どのような分岐比であっても同様の効果を奏する。
　また、本実施形態では、信号光の位相制御方法として、一般的なヒータによる加熱を用いたが、この方法は、信号光の位相シフトの方向が、一方向に限定されるという欠点もある。これを補うため、位相を両方向に制御できる方法を使用しても構わない。例えば、同じ熱光学効果を使用している場合でも、ペルチェ素子のように加熱と冷却の両方の機能を有する方法を用いれば、より最大消費電力量を低減することが可能である。この場合、（式１）における低減量Δθは、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅで発生している位相シフト量の変動幅の中間値までの位相シフト量とすることで、同様の効果を奏する。
（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、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１の実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタにおいて、第二のアーム導波路１３２にも、位相シフタを接続した例である。
　図５は、本発明の一実施形態における、ラティス型光回路による可変波長フィルタの構成を示す平面図である。本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタは、第１の実施形態で述べたラティス型光回路による可変波長フィルタの構成に加え、第二のアーム導波路にも位相シフタ５０１ａ～５０１ｅが接続された構造を有する。なお、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおける信号光の位相制御方法は、第１の実施形態と同様に、ヒータによる加熱である。また、本実施形態において、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２のそれぞれに分岐された信号光の分岐比は、第１の実施形態と同様に、５０：５０である。
　このように構成された、本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタにおいて、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２は、その導波路長差が、（式１）を満足するように設計されている。ただし、（式１）における低減量Δθは、第１の実施形態で述べた、ペルチェ素子をも一いた場合と同様に、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける位相シフトの変動幅の中間値を用いる。
　本実施形態では、位相シフト量をプラス側に変化させる場合に、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅを駆動し、位相をマイナスにシフトさせる場合には位相シフタ５０１ａ～５０１ｅを駆動させる。したがって、本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタは、ヒータのように一方向にしか信号光の位相を制御することができない位相制御方法を採用しても、両方向に位相制御することが可能となる。すなわち、第１の実施形態で述べた、ペルチェ素子を用いたような位相制御を、ヒータを用いた場合でも実現することができる。
　なお、第１の実施形態と同様に、本実施形態では、ＭＺＩ１３ａ～１３ｅの５つが接続されたラティス型光回路としたが、２つ以上であれば、同様の効果を奏する。
　さらに、第１の実施形態と同様に、本実施形態においては、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２のそれぞれに分岐された信号光の分岐比は５０：５０としたが、どのような分岐比であっても同様の効果を奏する。
（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。本実施形態における、ラティス型光回路による可変波長フィルタは、第２の実施形態と同様に、図５に示す構成のデバイスである。ただし、本実施形態では、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長の導波路長差は、位相シフト量の最小値が０になるように設計されていない。
　第１および第２の実施形態では、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおける位相シフト量の変動幅に基づき、位相シフト量の最小値が０になる、または最大値が変動幅と同じになるよう、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長差を一義的に決めていた。しかし、所望の透過スペクトル形状に応じては、適正に消費電力量を低減させるための位相シフト量の値は、必ずしもすべての位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおいて、その最小値が０になるべきとは限らない。すなわち、効率的にラティス型光回路による可変波長フィルタにおける消費電力量を低減させるためには、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおける位相シフト量の低減量を個別に制御した方が良い場合がある。本実施形態は、このような状況において、効率的にラティス型光回路による可変波長フィルタの消費電力量を低減するための形態である。
　本実施形態における、ラティス型光回路による可変波長フィルタは、第２の実施形態と同様に、図５に示すような回路構成を有している。しかし、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおける、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長差の設計が、第１および第２の実施形態とは異なる。すなわち、本実施形態では、上述の通り、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長差は、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおける位相シフト量の最小値が０となるように設計されていない。
　なお、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおける信号光の位相制御方法は、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、ヒータによる加熱である。また、本実施形態において、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２のそれぞれに分岐された信号光の分岐比は、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、５０：５０である。
　図６は、透過スペクトル形状の傾きに対する、各位相シフタ１３３ａ～１３３ｅの位相シフト量を例示するグラフである。また、図７は、図６に示した位相シフタ１３３ａ～１３３ｅの各々の位相シフト量を、個別に制御した場合における、透過スペクトル形状の傾きと位相シフト量の関係を示すグラフである。図６および図７から分かるように、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅにおけるそれぞれの位相シフト量は、必ずしも、最小値が０となっていない。また、位相シフタ１３３ｄは、図５と図６でほとんど変化していないことが分かる。このように、本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタでは、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅ毎に、位相シフト量の変化量を個別で調整している。ただし、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅの位相シフトの変動幅は、維持される。
　さらに、本実施形態におけるラティス型光回路による可変波長フィルタでは、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅの各々における第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長差は、合計の消費電力量が最小になるように（式１）を応用して設計されている。例えば、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅの全てにおいて、位相シフト量に対する消費電力量が比例関係にあり、かつ同一の位相シフト量を発生させるのに必要な消費電力量が、すべての位相シフタで同一であるとする。この場合、所望の透過スペクトル形状の傾きとなるよう、すべての位相シフタで発生する位相シフト量の最大値の合計が、最小化されるような位相シフト量の低減量Δθを選べばよい。
　このように、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅにおいて、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２の導波路長差を、個別に調整することにより、効率的にラティス型光回路による可変波長フィルタの消費電力量を低減できる。
　なお、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、本実施形態では、ＭＺＩ１３ａ～１３ｅの５つが接続されたラティス型光回路としたが、２つ以上であれば、同様の効果を奏する。
　さらに、第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、本実施形態においては、第一のアーム導波路１３１と第二のアーム導波路１３２のそれぞれに分岐された信号光の分岐比は５０：５０としたが、どのような分岐比であっても同様の効果を奏する。
　加えて、本実施形態では、位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅを個別に制御するため、設置されているすべての位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅを制御しなくともよい。すなわち、の位相シフタ１３３ａ～１３３ｅおよび位相シフタ５０１ａ～５０１ｅのうち、少なくとも一つの位相シフタが位相シフト量を制御すれば、同様に消費電力量を低減する効果を奏する。
　従来よりも消費電力量を低減することができる可変波長フィルタとして、ＷＤＭ等の光通信ネットワークへの適用が見込まれる。

Claims (7)

  1. 　信号光の透過強度が波長に対して線形的に変化するような透過スペクトル形状を有し、その線形関係の傾きを制御する、複数のマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）を備えたラティス型光回路による可変波長フィルタであって、
    　前記ＭＺＩは、第一のアーム導波路および第二のアーム導波路と、
    　前記第一のアーム導波路に接続され、前記透過スペクトル形状における前記傾きを制御するために前記信号光の位相を制御する位相シフタと、
    　を備え、
    　前記第一のアーム導波路と前記第二のアーム導波路の導波路長差が、前記位相シフタの各々において発生する位相シフト量を、前記位相シフト量の変動幅を維持しながら、低減させるように設計されている可変波長フィルタ。
  2. 　前記ＭＺＩが、前記第二のアーム導波路に接続された前記位相シフタをさらに備えた、請求項１に記載の可変波長フィルタ。
  3. 　前記第一のアーム導波路と前記第二のアーム導波路の前記導波路長差が、前記位相シフタの各々において発生する前記位相シフト量の最小値が０となるように設計されている請求項１または２に記載の可変波長フィルタ。
  4. 　前記第一のアーム導波路と前記第二のアーム導波路の前記導波路長差が、前記位相シフタの各々において発生する前記位相シフト量の前記変動幅の中間値となるように設計される請求項１または２に記載の可変波長フィルタ。
  5. 　前記第一のアーム導波路および前記第二のアーム導波路が石英で構成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の可変波長フィルタ。
  6. 　前記位相シフタが、加熱用のヒータ、又は、加熱若しくは冷却用のペルチェ素子を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の可変波長フィルタ。
  7. 　請求項１から６のいずれか一項に記載の可変波長フィルタの制御方法であって、
    　前記信号光の前記透過強度が、前記波長に対して線形的に変化するような前記透過スペクトル形状となるよう、前記位相シフタの前記位相シフト量を制御すること、
    を含み、
    　前記位相シフト量を制御することは、前記複数のＭＩＺのうちの少なくとも１つにおいて前記位相シフト量を制御しないことを含む、制御方法。
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