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【発明の名称】 光フィルタ
【発明者】 【氏名】才田 隆志

【氏名】瀧口 浩一

【氏名】日比野 善典

【氏名】岡本 勝就
【要約】 【課題】環境の変化や時間経過に対しても安定で、フィルタ特性を精密に設計できる光フィルタを提供することを課題とする。

【解決手段】基板２上に形成された入力用光導波路３と、モード結合手段４と、モード変換手段５と、出力用光導波路６とがこの順に結合された光フィルタ１であって、前記モード結合手段は、光導波路を一箇所以上で、光の伝搬方向に対して直交する方向にずらして構成した。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 基板上に形成された入力用光導波路と、モード結合手段と、モード変換手段と、出力用光導波路とがこの順に結合された光フィルタであって、前記モード結合手段は、光導波路を一箇所以上で、光の伝搬方向に対して直交する方向にずらして構成することを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】 基板上に形成された入力用光導波路と、第１のモード変換手段と、モード結合手段と、第２のモード変換手段と、出力用光導波路がこの順に結合された光フィルタであって、前記モード結合手段は、光導波路を一箇所以上で、光の伝搬方向に対して直交する方向にずらして構成することを特徴とする光フィルタ。
【請求項３】 前記モード変換手段が曲がり光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光フィルタ。
【請求項４】 前記モード変換手段が多モード干渉光カプラであることを特徴とする請求項１または２に記載の光フィルタ。
【請求項５】 前記モード結合手段におけるモード結合率が、そのモード結合手段の端部では低く、かつ、中央部では高く設定されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光フィルタ。
【請求項６】 前記入力用光導波路から出力用光導波路まで光を伝搬する光導波路が石英系光導波路であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光フィルタ。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信あるいは光情報処理用の光部品に関するものであり、特に、光通信の分野において光信号スペクトルを整形あるいは制御するための光フィルタに関するものである。
【従来の技術】
【０００２】従来、光通信などで使用される光フィルタは、光信号のスペクトルを整形あるいは制御するために使用され、光波長多重通信ネットワークにおいて重要な役割を果たしている。光フィルタは、様々な構成のものがあり、例えば、光ファイバブラッググレーティング型フィルタ、マッハチェンダ干渉計型フィルタ、光ファイバブラッググレーティング型フィルタ、光ファイバ長周期グレーティング型フィルタなどが知られている。
【０００３】このうち、図１０に従来の光ファイバ長周期グレーティングを利用する光ファイバ長周期グレーティング型フィルタ１００を示す。この光ファイバ長周期グレーティング型フィルタ１００は、光ファイバクラッド１０１の中央位置に設けた光ファイバコア１０２に、伝搬する光の周期的な屈折率変調を行うための屈折率変調部１０３を所定位置に一定間隔で備えている。
【０００４】そして、その屈折変調部１０３は、光照射などにより形成されており、入力部から入射された光信号をクラッドモードと周期的に結合させている。したがって、光ファイバ長周期グレーティング型フィルタ１００は、伝搬モードとクラッドモードとの伝搬定数差が、ちょうど屈折率変調の周期と一致する波長成分だけを共鳴的にクラッドモードに変換して放射することができ、複数の波長成分のうちある特定波長の成分だけを除去するのに適している。屈折率変調部１０３の典型的な周期は、数百μｍ程度である。
【０００５】なお、光ファイバ長周期グレーティングを利用するフィルタは、誘電体多層膜フィルタや、アレイ導波路格子フィルタ、あるいは、マッハチェンダ干渉型フィルタに比べて、所望の波長成分だけを除去するノッチ型のフィルタが簡易にできるという特徴があり、また、光ファイバブラッググレーティングと異なり、透過型の構成であるために、サーキュレータなどの付加的な光部品を必要としない利点がある。
【０００６】そのため、この光ファイバ長周期グレーティングを利用するフィルタは、光ファイバアンプシステムの利得等化などに向けた実用化が始まっている（例えば、A.Vengsarkar, J. Pedrazzani, J. Judkins, P. Lemaire, N. Bergano, and C.Dabidson, "Long-period fiber-grating-based gain equalizers," OSA OpticsLetters, vol.21, pp. 336-382, 1996. を参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光ファイバ長周期グレーティングを利用するフィルタでは、以下に示すような問題点が存在していた。
（１）光ファイバ長周期グレーティングは、伝搬モードとクラッドモードとの結合を利用しているために、ジャケットなどクラッド外周の材料の変化に敏感であり、環境変化によりフィルタ特性が変化してしまう問題があった。
【０００８】（２）光ファイバ長周期グレーティングでは、伝搬モードとクラッドモードとの結合を利用するために、フィルタ特性がクラッド外径およびクラッドモードの分散特性などに敏感であり、精密なフィルタの実現が困難であった。
【０００９】（３）光ファイバ長周期グレーティングでは、光照射などにより屈折率変調を実現するために、その屈折率変調の変化が時間と共に減衰してしまいフィルタ特性の長期安定性に欠ける問題があった。
【００１０】本発明は、前記の問題点に鑑み創案されたものであり、環境の変化や時間経過に対しても安定で、フィルタ特性を精密に設計できる光フィルタを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の問題点に鑑み創案されたものであり、基板上に形成された入力用光導波路と、モード結合手段と、モード変換手段と、出力用光導波路とがこの順に結合された光フィルタであって、前記モード結合手段は、光導波路を一箇所以上で、光の伝搬方向に対して直交する方向にずらして構成した。
【００１２】このように構成することにより、モード結合手段は、光の伝搬方向に対して直交する方向にずらして光導波路を形成した位置にモード入れ換え部を形成することになる。そして、基底モードと一次モードを例えば扱う場合、光導波路中心に対して左右対称な基底モードは、モード結合手段のモード入れ換え部に入射すると、そのモード入れ換え部から後の光導波路では、光導波路中心に対して左右非対称となり、その基底モードの一部が、光導波路中心に対して非対称な一次モードに切り換えることができる。
【００１３】また、基板上に形成された入力用光導波路と、第１のモード変換手段と、モード結合手段と、第２のモード変換手段と、出力用光導波路がこの順に結合された光フィルタであって、前記モード結合手段は、光導波路を一箇所以上で、光の伝搬方向に対して直交する方向にずらしてモード入れ換え部を有する構成とした。
【００１４】このように構成することにより、複数の光信号は、第１のモード変換手段でそれぞれ基底モードあるいは一次モードに変換される。そして、モード結合手段は、光導波路を伝搬方向に対して直交する方向にずらして形成することで、そのずらした光導波路の位置にモード入れ換え部を備えることになる。そのため、基底モードは、そのモード入れ換え部に入射すると、モード入れ換え部から後の光導波路では、光導波路中心に対して左右非対称となり、その基底モードの一部が一次モードに入れ換えられる。また、一次モードはその一部が基底モードに入れ換えられる。
【００１５】そして、前記各構成の光フィルタは、前記モード結合手段におけるモード結合率が、そのモード結合手段の端部では低く、かつ、中央部では高く設定されている構成としても良い。このように構成することで、モード結合係数の空間的な分布を、モード結合手段の端部ではモード結合率を低く、そのモード結合手段の中央部ではモード結合率を高く設定できる。そのため、このモード結合係数の空間的な分布のフーリエ変換で与えられる光フィルタ特性のサイドローブの低減化を行うことができる。
【００１６】さらに、前記モード変換手段は、曲がり光導波路で構成しても良く、また、多モード干渉光カプラで構成しても良い。曲がり光導波路を用いることで、一次モードを含む高次のモードは放射により散逸しやすく、基底モードは散逸し難い構成をとることができる。また、多モード干渉光カプラを用いることで、入力用光導波路または出力用光導波路に接続する光導波路の本数を複数として扱うことが可能となる。加えて、前記入力用光導波路から出力用光導波路まで光を伝搬する光導波路が石英係光導波路であっても良い。石英系光導波路を用いることで、安定的で高精度な光導波路を実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は第１の実施の形態を示す光フィルタを表す模式図、図２は第２の実施の形態を示す光フィルタを表す模式図、図３はモード結合手段の構成を示す要部の模式図、図４（ａ）はモード結合手段の他の構成を表す模式図，図４（ｂ）はモード結合手段の他の構成を表す模式図、図５は曲がり光導波路によるモード変換手段を示す模式図、図６は多モード干渉光カプラによるモード変換手段を示す模式図、図７は第２の実施の形態を示す光フィルタの動作を示す原理図である。
【００１８】図１に示すように、光フィルタ１は、シリコン基板などの基板２と、この基板２の所定位置に形成した入力用光導波路３と、この入力用光導波路３に連続して形成したモード結合手段４と、このモード結合手段４に連続して形成したモード変換手段５と、このモード変換手段5に連続して形成した出力用光導波路６とを備えている。なお、ここでは一例として出力用光導波路６が３本（第１ないし第３出力用光導波路６ａ，６ｂ，６ｃ）の場合について説明する。出力用光導波路６は、その本数が１本、２本あるいは４本以上であっても良い。
【００１９】入力用光導波路３は、送られてくる光信号をモード結合手段４に送るように構成されている。モード結合手段４は、基底モードおよび一次モードを安定に導波する光導波路幅を備えている。そして、図１および図３に示すように、モード結合手段４のモード入れ換え部（光導波路をずらして接合している接続点）４ａは、一定間隔Λの光導波路の間で、光の伝搬方向に対して直交する方向に交互にずらして（図面では５箇所）形成されている。モード結合手段４のモード入れ換え部４ａは、光信号が伝搬できる光導波路幅のずれ量Ｄを、一定な（あるいはある関数に従うような）状態に構成することで、送られて来る基底モードおよび一次モードとの間の結合を生じさせている。
【００２０】モード結合手段４における位相整合条件は、モード入れ換え部４ａが一定間隔Λであるとすると、入力信号の光波長におけるモード結合手段４の基底モードおよび一次モードとの間のビート長をLbとしたときに、Λ＝Lb／２で決められる。そのため、この位相整合条件が満たされる光波長成分だけが共鳴的に一次モードに変換される。
【００２１】したがって、光フィルタ１は、モード結合手段４により基底モードだけを取り出せば、所定の波長成分だけを除去することができる構成にでき、あるいは、モード変換手段５により一次モードだけを取り出せば、所定の波長成分だけを抜き出すように構成することができる。
【００２２】なお、モード結合手段４のモード入れ換え部４ａは、図４（ａ），（ｂ）に示すように構成しても良い。すなわち、図４（ａ）に示すように、入力用光導波路３側および出力用光導波路６側の光導波路をモード結合量を小さく形成し、かつ、中央部のモード結合量を大きく形成するように構成している。このように図４（ａ）のようにモード結合手段４を構成することで、光ファイバグレーティングで行われるアポタイジング処理を行うことができる。
【００２３】また、図４（ｂ）に示すように、モード結合手段４のモード入れ換え部４ａは、同じ方向にずらすように構成しても良い。なお、図４（ｂ）の構成では、基底モードと一次モードが共鳴するための位相整合条件は、Λ＝Lbで与えられる。
【００２４】一方、モード変換手段５は、モード結合手段４から送られて来る基底モードおよび一次モードを弁別して出力用光導波路６に案内している。
【００２５】モード変換手段５の構成は、その一例として図５および図６に示す構成としても構わない。すなわち、モード変換手段５A（５）は、図５に示すように入力ポート５ａから連続して曲がり導波路５ｂ1を形成し、その曲がり導波路５ｂ1の後端に出力ポート５ｃを有するように構成されている。曲がり導波路５ｂ1の曲率は、基底モードをほとんど損失無く伝搬させ、一次モードは放射させて損失となるように設定されている。なお、図５の曲がり導波路５ｂ1を使用する場合には、入力ポート５ａおよび出力ポート５ｂは、光導波路が一対一で対応することから、図１のモード変換手段に対応させる場合は、その一つである中央の光導波路６ｂに接続する構成としている。
【００２６】したがって、モード変換手段５Aは、入力された光信号を基底モードへと変換するモードの変換手段、あるいは、入力された光信号のうち基底モードのみを出力へと導くモードの変換手段として用いることができる。なお、図５で示す曲がり導波路５ｂ1のレイアウトは、その一例であり特に限定されるものではない。
【００２７】また、図６に示すように、他の構成であるモード変換手段５B（５）を使用しても良い。すなわち、モード変換手段５Bは、多モード干渉光カプラを用いている。このモード変換手段５Bは、一端に形成した入力ポート５ａと、この入力ポート５ａに連続して形成した多モード干渉光導波路５ｂ2と、この多モード光導波路５ｂ2の他端に連続して形成した出力ポート５ｃとを備えている。なお、出力ポート５ｃは、図面では出力用光導波路６（図１参照）に対応させて、第１出力ポート５ｃ1、第２出力ポート５ｃ2、第３出力ポート５ｃ3を有している。
【００２８】そして、入力ポート５ａの実効光導波路幅は、第２出力ポート５ｃ2の実効光導波路幅と同等に設定されている。さらに、第１出力ポート５ｃ1と第３出力ポート５ｃ3は、その実効光導波路幅が、入力ポート５ａおよび第２出力ポート５ｃ2の実効光導波路幅の１／２となるように設定されている。また、多モード干渉光導波路５ｂ2の長さＬは、その多モード干渉光導波路５ｂ2における基底モードと一次モードとの間のビート長Ｌcとしたときに、ほぼＬ＝３Ｌc／４となるように設定されている。
【００２９】このモード変換手段５Bは、多モード干渉光導波路５ｂ2におけるモード分散により入力ポート５ａから入力された基底モードを、出力用光導波路６の第２出力用光導波路６ｂへと導き、さらに、入力ポート５ａに入力された一次モードを第１および第３出力用光導波路６ａ，６ｃに導くモードの変換手段が実現できる（例えば、J. Leuthold, J. E. Gamper, P. A. Besse, and H. Melchoir, "Multimode interference couplers for the conversion and combining of zero-and first-order modes," IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, vol. 16, no. 7, pp. 1228-1239, 1998.を参照）。
【００３０】なお、モード変換手段５Ｂの入力ポート５ａと出力ポート５ｃを反転して使用すると、第２出力ポート５ｃ2に入力された光を基底モードとして入力ポート５ａへと導き、さらに、第１および第３出力ポート５ｃ1，５ｃ3に入力した光を一次モードとして入力ポート５ａへと導くモードの変換手段を実現することができる。
【００３１】つぎに、図２を参照して、光フィルタを示す他の実施の形態を説明する。なお、図１に示した構成と同じ部材は、同じ符号を付して説明を省略する。光フィルタ１０は、シリコン基板などの基板２と、この基板２の所定位置に形成した入力用光導波路１３と、この入力用光導波路１３に連続して形成した第１のモード変換手段１７と、この第１のモード変換手段１７に連続して形成したモード結合手段４と、このモード結合手段４に連続して形成した第２のモード変換手段５と、この第２のモード変換手段５に連続して形成した出力用光導波路６とを備えている。
【００３２】なお、第１および第２のモード変換手段１７，５は、すでに図１、図５および図６で説明したモード変換手段５と同等な構成である。また、入力用光導波路１３は、第１ないし第３入力用光導波路１３ａ，１３ｂ，１３ｃを備えている。この、入力用光導波路１３の本数は、１本、２本あるいは４本以上であっても良く、ここでは一例として３本の設定にしている。
【００３３】この光フィルタ１０は、入力側にモード変換手段１７を設けているので、モード結合手段４に光導波路の基底モードが入力されるように設定したり、あるいは、モード結合手段４に光導波路の一次モードが入力されるように設定したり、さらに、モード結合手段４に基底モードおよび一次モードが入力されるように設定することが可能となる。
【００３４】図７は、光フィルタ１０の動作例を示すものである。なお、ここでは説明のためにつぎのような光信号の入力から出力までの動作を行うものとする。すなわち、入力用光導波路１３の第１入力用光導波路１３ａ（あるいは第２入力用光導波路１３ｂ）に入力された光信号は、モード変換手段１７により光導波路の一次モードとしてモード結合手段４に到ることとする。また、入力用光導波路１３の第２入力用光導波路１３ｂに入力された光信号は、モード変換手段１７により光導波路の基底モードとしてモード係合手段４に到るとする。そして、モード結合手段４を出力した光導波路の一次モードの光信号は、モード変換手段５により出力用光導波路６の第１および第３出力用光導波路６ａ，６ｃに導かれるものとする。また、モード結合手段４を出力した光導波路の基底モードの光信号は、出力用光導波路６の第２出力用光導波路６ｂに導かれるものとする。
【００３５】いま、図２および図７に示すように、第１入力用光導波路１３ａおよび第２入力用光導波路１３ｂより、複数の波長成分を有する光信号１および光信号２をそれぞれ入力すると、モード変換手段１７で光信号１および光信号２はそれぞれ光導波路の一次モードおよび基底モードに変換されてモード結合手段４へと導かれる。ここで、モード結合手段４では、周期的に基底モードと一次モードの結合が生じるように設定されているので、特定の波長成分だけが共鳴的にモード結合して、光信号１と光信号２の間で交換される。そして、特定の波長成分だけが交換された光信号１および光信号２は、モード変換手段５により変換されて、光信号１は第１出力用光導波路６ａ（および第３出力用光導波路６ｃ）より、また、光信号２は第２出力用光導波路６ｂより取り出される。したがって、このような光フィルタ１０の構成により、例えば、波長多重された光信号の波長チャネルを入れ替えることなども可能となる。
【００３６】
【実施例】つぎに、第２の実施の形態で示した光フィルタを、石英系光導波路を用いて実際に形成した場合について説明する。まず、シリコン基板上に火炎堆積法によりＳｉＯ2下部クラッド層を堆積し、つづいてＧｅＯ2をドーパントとして添加したＳｉＯ2ガラスのコア層を堆積した後に、電気炉で透明ガラス化した。つぎに、コア層をエッチングしてコア部を作成した。最後にＳｉＯ2上部クラッド層を堆積し、再度電気炉で透明ガラス化した。ここで、光導波路の比屈折率は、１．５％、コア厚は４．６μｍとした。
【００３７】なお、作成した回路ではモード変換手段として、図６に示した多モード干渉光カプラを用いた。ここで、モード変換特性を得るために多モード干渉光導波路の幅を３４μｍ、長さを１２４７．２μｍとした。さらに、モード結合手段は、光導波路を光の伝搬方向に対して垂直に交互にずらしてモード入れ換え部を形成した。このモード入れ換え部のずれ量は、０．１μｍとし、隣り合うモード入れ換え部（接続点）の間隔Ｗ（図３（ａ）参照）は、１３６．９μｍとした。また、モード入れ換え部の数は、６０箇所とした。
【００３８】図８は、前記の手順で形成した光フィルタの入力用光導波路１３ｂ（図２参照）に光を入力したとき、第１および第３出力用光導波路６ａ，６ｃおよび第２出力用光導波路６ｂ（図２参照）での透過率の光波長依存性を示している。図８に示すように、第２入力用光導波路１３ｂに入力した光信号のうち、波長１５５０ｎｍ付近の波長成分が選択的に出力用光導波路６ａ，６ｃより取り出されており、その他の波長成分は第２出力用光導波路６ｂより取り出されていることが分かる。
【００３９】また、図９は、前記の光フィルタの構成で、モード結合手段のモード入れ換え部のずれ量Ｄ（図３（ａ）参照）を、中央部では大きくなるように設定した（例えば図３（ｂ）の構成）ときのフィルタ特性である。図９に示すように、その曲線は、入力用光導波路１３ｂに光を入力したとき、第１および第３出力用光導波路６ａ，６ｃおよび第２出力用光導波路６ｂ（図２参照）での透過率を示す光波長依存性である。
【００４０】なお、モード結合手段のモード入れ換え部のずれ量を示すプロファイルは、結合率がいわゆるハニング窓関数となるように設定した。そして、ここでの最大ずれ量Ｄ（図３（ａ）参照）は、０．２μｍとなるように設定している。図９より、出力用光導波路６ａ，６ｃより取り出される波長成分は、スペクトルのサイドローブが抑制されていることが分かる。
【００４１】
【発明の効果】本発明は、以上のように構成しているため以下の優れた効果を奏する。
（１）光フィルタは、光導波路の基底モードと一次モードの周期的結合を用いて、所望の波長性分を選択的に取捨する安定性のあるフィルタ特性を実現することができる。また、光フィルタは、光導波路の基底モードと一次モードの周期的結合を行う場合に、光導波路の光の伝搬方向に対して垂直なずれを用いているために、精密なフィルタ特性を設計することができる。そして、光フィルタは、時間経過および環境変化に対して安定したモード変換手段を備える構成を実現できる。
【００４２】（２）光フィルタは、入力側にモード変換手段１７を設けているので、モード結合手段に、光導波路の基底モードが入力されるように、あるいは、光導波路の一次モードが入力されるように、さらに、基底モードおよび一次モードの両者が入力されるように設定することが可能となる。そのため、光フィルタは、波長多重された光信号の波長チャネルを入れ替えることなどができる。
【００４３】（３）光フィルタは、モード結合手段の中央部と端部でそのモード結合率を変える構成とすることで、サイドローブの低減できる構成とすることが可能となる。
【００４４】（４）光フィルタは、そのモード変換手段を、曲がり光導波路を用いることで、簡単な構成により光信号のモードを選択する構成を実現することができる。また、そのモード変換手段を、多モード干渉光カプラを用いることで、波長多重された光信号の波長チャネルを入れ換えることなども可能となる。さらに、光フィルタの光導波路を、石英系光導波路を用いることで、安定で高精度な光導波路を実現することが可能となる。
【出願人】 【識別番号】０００００４２２６
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
【出願日】 平成１２年１月１２日（２０００．１．１２）
【代理人】 【識別番号】１０００６４４１４
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造
【公開番号】 特開２００１−１９４５４２（Ｐ２００１−１９４５４２Ａ）
【公開日】 平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】 特願２０００−３１０４（Ｐ２０００−３１０４）