JP3952944B2

JP3952944B2 - リング共振回路

Info

Publication number: JP3952944B2
Application number: JP2002360261A
Authority: JP
Inventors: 英憲高橋; 正士宇佐見; 公佐西村
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: US20040040646A1; US6907152B2; GB2392510A; GB2392510B; GB0312106D0; JP2004145238A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リング共振回路に関し、より具体的には、光導波路型のリング共振回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
入出力光導波路に隣接して光リング導波路を配置し、両者を方向性結合器で光結合することにより、光導波路型のリング共振回路を形成できる。
【０００３】
分散補償器として使用できるリング共振回路が、Ｆ．Ｈｏｒｓｔｅｔａｌ，”ＴｕｎａｂｌｅＲｉｎｇＲｅｓｏｎａｔｏｒＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｓＲｅａｌｉｚｅｄｉｎＨｉｇｈ−Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ−ＩｎｄｅｘＣｏｎｔｒａｓｔＳｉＯＮＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”，ｐｏｓｔｄｅａｄｌｉｎｅｐａｐｅｒ，ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ２０００に記載されている。群遅延が、波長と、入出力光導波路と光リング導波路との間の結合係数とに依存するので、光ファイバの波長分散とは逆符号の分散特性を有するように結合係数を調整することで、分散補償器として使用できる。
【０００４】
また、アド／ドロップ光フィルタとして使用するリング共振回路が、鈴木扇太他、「積層導波路型リング共振回路」、電子情報通信学会秋季大会、ｃ−２３４、１９９２に記載されている。この場合にも、結合係数を調整することで、フィルタ特性を調節できることを利用する。
【０００５】
単一モード光ファイバ（以下、ＳＭＦと略す。）のコアとクラッドの比屈折率差Δｎは０．３％であり、ＳＭＦと０．３ｄＢ以下の逓損失で光結合できる石英光導波路の比屈折率差Δｎは０．３〜０．７５％である。入出力光導波路及び光リング導波路の比屈折率差を０．３〜０．７５％の範囲に設定した場合、光リング導波路の自由スペクトル領域（以下、ＦＳＲという。）は、最大で６ＧＨｚ程度である。
【０００６】
前者の論文では、比屈折率差Δｎが３．３％、曲げ半径が５５０μｍの光リング導波路を形成して、ＦＳＲとして５０ＧＨｚを実現している。ここに記載された構成では、入出力導波路の比屈折率差を光リング導波路のそれと同じにしている。Δｎが３．３％の入出力導波路とΔｎが０．３％程度のＳＭＦとの間で良好な光結合を得るために、両者の間にモード変換光ファイバを配置することを提案している。このモード変換光ファイバにより、片端面当たりの結合損失が、１．２ｄＢだけ減少すると報告されている。
【０００７】
後者の論文では、光リング導波路のΔｎを高くし、入出力光導波路のΔｎを低くすることで、広いＦＳＲと、逓損失での光ファイバとの接続の両方を実現している。具体的には、入出力光導波路のΔｎを０．７５％、光リング導波路のΔｎを２％として、モード変換光ファイバ無しで、２１．６ＧＨｚのＦＳＲを実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前者の論文に記載される構成では、モード変換光ファイバが必要であり、部品点数が増加し、回路規模が大きくなる。また、結合効率が改善したとはいえ、未だ１．２ｄＢの結合損失がある。
【０００９】
後者の論文のように、単に、光リング導波路のΔｎを高くし、入出力光導波路のΔｎを低くした場合、ＳＭＦと入出力光導波路との間の光結合効率は向上するものの、入出力導波路と光リング導波路との間の光結合効率が劣化する。後者の論文には、入出力導波路と光リング導波路との間の光結合効率は小さくても良いと記載されているが、用途、例えば、前者の論文に記載されるような分散補償の用途では、入出力導波路と光リング導波路との間の光結合効率として７０％〜１００％程度を必要とすることがある。このような用途では、後者の論文に記載される構成は採用できない。
【００１０】
基本的には、光リング導波路のΔｎを大きくすることで、周回長を短くでき、その結果、ＦＳＲが大きくなる。しかし、光リング導波路のΔｎを大きくすると、入出力光導波路と光リング導波路との間の光結合効率、又は、外部のＳＭＦ等と入出力光導波路との間の光結合効率が悪化する。
【００１１】
そこで、本発明は、広いＦＳＲと高い光結合効率の両方を実現できる新規な構成のリング共振回路とその製造方法を提示することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリング共振回路は、第１の比屈折率差を具備するリング導波路であって、狭幅域を有するリング導波路と、当該第１の比屈折率差より小さい第２の比屈折率差を具備する光導波路であって、当該狭幅域に隣接して配置され、当該狭幅域との間で光学的に結合する光導波路とを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るリング共振回路はまた、第１の比屈折率差を具備するリング導波路であって、第１及び第２の狭幅域を有するリング導波路と、当該第１の比屈折率差より小さい第２の比屈折率差を具備する光導波路であって、当該第１の狭幅域に隣接して配置され、当該第１の狭幅域との間で光学的に結合する第１の光導波路と、当該第１の比屈折率差より小さい第３の比屈折率差を具備する光導波路であって、当該第２の狭幅域に隣接して配置され、当該第２の狭幅域との間で光学的に結合する第１の光導波路とを具備することを特徴とする。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例の斜視図を示し、図２は、その平面図を示す。図３は、図２のＡ−Ａ線から見た断面図を示し、図４は、図２のＢ−Ｂ線から見た断面図を示す。
【００１６】
石英基板１０内に、長円形状のリング導波路１２と直線状の光導波路１４が埋め込まれている。リング導波路１２の一辺に隣接して且つ平行に、光導波路１４が配置されている。光導波路１４に近接するリング導波路１２の辺では、部分的に導波路幅を細くして光導波路１４と光結合しやすくした狭幅域１２ａを形成してある。狭幅域１２ａの両側には、狭幅域１２ａに向かって導波路幅が漸減する長さ８００μｍのテーパー部１２ｂ，１２ｃを形成してある。狭幅域１２ａとこれに近接する光導波路１４の部分が、方向性結合器を形成し、狭幅域１２ａの光伝搬方向の長さは、方向性結合に適した長さに設定されている。
【００１７】
光導波路１４の一方端に、ＳＭＦ１６が配置され、光導波路１４の他方端にもＳＭＦ１８が配置される。ＳＭＦ１６，１８は、基本的に同じ屈折率分布及び屈折率の光ファイバからなる。
【００１８】
本実施例では、光導波路１４の比屈折率差Δｎは、０．７５％で、断面形状は６μｍ×６μｍである。ＳＭＦの比屈折率差Δｎ＝０．３％と光結合可能な石英導波路のΔｎは、上述の通り、０．３〜０．７５％であり、光導波路１４の比屈折率差Δｎをその範囲内の最大値０．７５％に設定してある。
【００１９】
光導波路１４の上方に、１μｍの間隔をおいてリング導波路１２が積み上げられている。リング導波路１２は、比屈折率差Δｎが２．３％、最小曲げ半径が８００μｍ、一周長が８５００μｍである。リング導波路１２高さは３μｍ、その幅は、ほとんどの部分で３μｍ、狭幅域１２ａで１μｍ、テーパー部１２ｂ，１２ｃでは８００μｍの範囲で３μｍから１μｍに変化する。
【００２０】
リング導波路１２のΔｎが２．３％であるのに対し、光導波路１４のΔｎが０．７５％であるので、そのままでは両者間の光結合が難しいが、本実施例では、リング導波路１２に狭幅域１２ａを設けることで、光導波路１４との光結合率を改善している。即ち、狭幅域１２ａでは、伝搬光の伝搬定数が低下して光導波路１４の伝搬定数に接近し、導波路パラメータによっては、両者を一致させることも可能である。これにより、リング導波路１２と光導波路１４との間で７０％以上の光結合効率の方向性結合を実現できる。
【００２１】
ＳＭＦ１６から光導波路１４に入射した光は、リング導波路１２の狭幅域１２ａでリング導波路１２に結合する。リング導波路１２を周回した光は、狭幅域１２ａで光導波路１４に結合し、ＳＭＦ１８に出力される。リング導波路１２上に各種の光素子、例えば、波長依存の透過率又は波長分散を有する光素子を配置することで、挿入損失の少ない種々の光機能素子を実現できる。
【００２２】
（第２実施例）
図５は、本発明の第２実施例の平面図を示す。図６は、図５のＣ−Ｃ線から見た断面図を示し、図６は、図５のＤ−Ｄ線から見た断面図を示す。第２実施例は、いわゆる、リング共振器型光フィルタ構成になっている。第１の実施例に対し、リング導波路の２箇所に狭幅域を設けると共に、各狭幅域に光結合する２つの光導波路を設けている。
【００２３】
図５〜図７に示す実施例では、石英基板１１０内に、長円形状のリング導波路１１２と直線状の光導波路１１４，１１６が埋め込まれている。リング導波路１１２の一辺に隣接して且つ平行に光導波路１１４が配置され、リング導波路１１２の他方の辺に隣接して且つ平行に、光導波路１１６が配置されている。
【００２４】
光導波路１１４に近接するリング導波路１１２の辺では、部分的に導波路幅を細くして光導波路１１４と光結合しやすくした狭幅域１１２ａを形成してある。狭幅域１１２ａの両側には、狭幅域１１２ａに向かって導波路幅が漸減する長さ８００μｍのテーパー部１１２ｂ，１１２ｃを形成してある。これは、第１実施例の場合と同じである。本実施例では更に、光導波路１１６に近接するリング導波路１１２の辺にも、狭幅域１１２ａ及びテーパー部１１２ｂ，１１２ｃと同様の構成の狭幅域１１２ｄ及びテーパー部１１２ｅ，１１２ｆを設けてある。狭幅域１１２ｄにおいて、リング導波路１１２は光導波路１１６と効率良く光結合する。
【００２５】
狭幅域１１２ａとこれに近接する光導波路１１４の部分が、方向性結合器を形成し、狭幅域１１２ａの光伝搬方向の長さは、その方向性結合に適した長さに設定されている。同様に、狭幅域１１２ｄとこれに近接する光導波路１１６の部分が、方向性結合器を形成し、狭幅域１１２ｄの光伝搬方向の長さは、その方向性結合に適した長さに設定されている。
【００２６】
光導波路１１４の一方端にＳＭＦ１１８が配置され、光導波路１１４の他方端にもＳＭＦ１２０が配置される。光導波路１１６の一方端にＳＭＦ１２２が配置され、光導波路１１６の他方端にＳＭＦ１２４が配置される。
【００２７】
リング導波路１１２の狭幅部１１２ａ，１１２ｄ及びテーパー部１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｅ，１１２ｆの導波路幅・高さ及び屈折率は、第１実施例の場合と同じである。光導波路（入出力導波路）１１４及び光導波路（出力導波路）１１６の導波路幅・高さ及び屈折率は、第１実施例の光導波路１４と同じである。リング導波路１１２の狭幅部１１２ａ，１１２ｄと光導波路１１４，１１６との間の距離は共に、第１実施例の場合と同様に、１μｍである。
【００２８】
例えば、本実施例では、ＳＭＦ１１８から光導波路１１４に入力する光は、リング導波路１１２の狭幅部１１２ａでリング導波路１１２に結合する。リング導波路１１２を周回する光の内、リング導波路１１２の共振周波数に合致する波長成分（ドロップ帯域成分）が、光導波路１１６を介してＳＭＦ１２２に出力され、残りの波長成分がＳＭＦ１２０に出力される。即ち、本実施例は、特定の波長成分を分離する波長分離機能を具備する。本実施例はまた、リング導波路上に種々の光素子を配置することで追加の機能を具備し得る。方向性結合器の結合効率とドロップ帯域との間には相関があり、結合効率が増加するとドロップ帯域も増加する。本実施例では、高い結合効率を容易に実現できるので、広いドロップ帯域を実現できる。
【００２９】
（第３実施例）
図１〜図４には、入出力光導波路１４上にリング導波路１２を積み上げた構成を図示したが、リング導波路１２の横に、即ちリング導波路１２と実質的に同一の面上に、入出力光導波路１４を配置しても良い。その場合、リング導波路１２と入出力光導波路１４との方向性結合の効率を改善するために、狭幅部１２ａの部分で、入出力導波路１４をリング導波路１２の外縁に沿って湾曲させれば良い。図８は、そのような変更実施例の平面図を示し、図９は、図８のＥ−Ｅ線の断面図を示す。
【００３０】
図８に示す変更例では、基板１０ａには、リング導波路１２の横に、入出力光導波路１４に対応する入出力光導波路１４ａを配置する。入出力光導波路１４ａは、リング導波路１２の狭幅部１２ａ及びテーパー部１２ｂ，１２ｃに沿って湾曲している。但し、入出力光導波路１４ａの高さ及び幅は共に６μｍであり、光伝搬方向（長さ方向）で一定である。
【００３１】
図５〜図７に示す第２実施例に対しても、リング導波路１１２の横に並べて光導波路１１４，１１６を配置してもよい。その場合、図８に示す導波路配置と同様に、リング導波路１１２と入出力光導波路１１４との方向性結合の効率を改善するために、狭幅部１１２ａの部分で、入出力導波路１１４をリング導波路１１２の外縁に沿って湾曲させれば良い。同様に、リング導波路１１２と入出力光導波路１１６との方向性結合の効率を改善するために、狭幅部１１２ｄの部分で、入出力導波路１１６をリング導波路１１２の外縁に沿って湾曲させれば良い。
【００３２】
石英基板に本発明に係るリング共振回路を形成する場合を説明したが、勿論、半導体で形成してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれば、高い光結合効率を持ち、且つ、部品点数が少なく、低損失のリング共振回路を実現できる。また、リング長を短くしやすいので、ＦＳＲの大きなリング共振回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の斜視図である。
【図２】第１実施例の平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線の断面図である。
【図４】図２のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図５】本発明の第２実施例の平面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線の断面図である。
【図７】図５のＤ−Ｄ線の断面図である。
【図８】本発明の第３実施例の平面図である。
【図９】図８のＥ−Ｅ線の断面図を示す。
【符号の説明】
１０，１０ａ：石英基板
１２：リング導波路
１４，１４ａ：光導波路
１２ａ：狭幅域
１２ｂ，１２ｃ：テーパー部
１４：光導波路
１６，１８：単一モードファイバ（ＳＭＦ）
１１０：石英基板
１１２：リング導波路
１１２ａ：狭幅域
１１２ｂ，１１２ｃ：テーパー部
１１２ｄ：狭幅域
１１２ｅ，１１２ｆ：テーパー部
１１４，１１６：光導波路
１１８，１２０，１２２，１２４：単一モードファイバ（ＳＭＦ）

Claims

第１の比屈折率差を具備するリング導波路であって、狭幅域（１２ａ）を有するリング導波路（１２）と、
当該第１の比屈折率差より小さい第２の比屈折率差を具備する光導波路であって、当該狭幅域に隣接して配置され、当該狭幅域との間で光学的に結合する光導波路（１４）
とを具備することを特徴とするリング共振回路。
当該第２の比屈折率差が０．３％乃至０．７５％の何れかである請求項１に記載のリング共振回路。
当該リング導波路（１２）は、当該狭幅域（１２ａ）の前後で導波路幅が漸減及び漸増するテーパー部（１２ｂ、１２ｃ）を具備する請求項１に記載のリング共振回路。
第１の比屈折率差を具備するリング導波路であって、第１及び第２の狭幅域（１１２ａ，１１２ｄ）を有するリング導波路（１１２）と、
当該第１の比屈折率差より小さい第２の比屈折率差を具備する光導波路であって、当該第１の狭幅域（１１２ａ）に隣接して配置され、当該第１の狭幅域（１１２ａ）との間で光学的に結合する第１の光導波路（１１４）と、
当該第１の比屈折率差より小さい第３の比屈折率差を具備する光導波路であって、当該第２の狭幅域（１１２ｄ）に隣接して配置され、当該第２の狭幅域（１１２ｄ）との間で光学的に結合する第１の光導波路（１１６）
とを具備することを特徴とするリング共振回路。
当該第２及び第３の比屈折率差が０．３％乃至０．７５％の何れかである請求項４に記載のリング共振回路。
当該第２の比屈折率差が当該第３の比屈折率差と実質的に等しい請求項４に記載のリング共振回路。
当該リング導波路（１１２）は、当該第１の狭幅域（１１２ａ）の前後で導波路幅が漸減及び漸増するテーパー部（１１２ｂ、１１２ｃ）を具備し、当該第２の狭幅域（１１２ｄ）の前後で導波路幅が漸減及び漸増するテーパー部（１１２ｅ、１１２ｆ）を具備する請求項４に記載のリング共振回路。