WO2026003908A1 - Wavelength filter, wavelength division multiplexing light source, wavelength division multiplexing optical receiver, and wavelength filter production method - Google Patents
Wavelength filter, wavelength division multiplexing light source, wavelength division multiplexing optical receiver, and wavelength filter production methodInfo
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Abstract
Description
本発明は、波長フィルター、波長多重光源、波長多重光受信器および波長フィルターの製造方法に関する。 The present invention relates to a wavelength filter, a wavelength multiplexing light source, a wavelength multiplexing optical receiver, and a method for manufacturing a wavelength filter.
通信トラフィックの爆発的な増大に伴い、光送受信器の高速・大容量化および低電力化、小型、低コスト化が求められている。通信容量の拡大に向けて、波長多重化(Wavelength Division Multiplexing)、偏波多重化、多チャンネル化、多値変調化のための光送受信器が実用化されている。 With the explosive growth in communications traffic, there is a demand for optical transceivers that are faster, have larger capacities, consume less power, are smaller, and are less costly. To expand communications capacity, optical transceivers that support wavelength division multiplexing, polarization multiplexing, multi-channelization, and multi-level modulation are now in practical use.
WDM通信用光送受信器の構成要素として、波長の異なる光源およびそれら多波長の光を単一の光導波路に導波させるための波長合波器が必要となる。 The components of an optical transceiver for WDM communications require light sources with different wavelengths and a wavelength multiplexer to guide these multiple wavelengths of light into a single optical waveguide.
従来は、半導体レーザおよび波長合波器が個別に作製され、レーザの発振波長や波長合波器の透過波長は集積前にそれぞれ検査され、良品選別されたのち、良品同士がハイブリッド集積されていた。 In the past, semiconductor lasers and wavelength multiplexers were manufactured separately, and the laser's oscillation wavelength and the wavelength multiplexer's transmission wavelength were inspected before integration. Good products were selected, and then the good products were hybrid-integrated.
近年では、光送受信器の小型・低コスト化に向けて、半導体レーザおよび波長合波器をSi基板上に一体集積することが試みられている。この場合、半導体レーザと波長合波器を集積する前に良品選別ができない。特に、半導体レーザ(例えば分布帰還型レーザ)の発振波長あるいは波長合波器の透過波長が加工誤差によって設計波長からずれるので、波長合波のときに光損失あるいはクロストークが増加する。また、半導体レーザの発振波長および波長合波器の透過波長それぞれで、基板温度に伴う波長変化の割合(温度に対する波長の変化量)が異なるため、基板温度が変化するときに光損失あるいはクロストークが増加する。 In recent years, efforts have been made to integrate semiconductor lasers and wavelength multiplexers on a silicon substrate in order to reduce the size and cost of optical transmitters and receivers. In this case, it is not possible to select non-defective products before integrating the semiconductor lasers and wavelength multiplexers. In particular, because the oscillation wavelength of the semiconductor laser (e.g., a distributed feedback laser) or the transmission wavelength of the wavelength multiplexer deviates from the design wavelength due to processing errors, optical loss or crosstalk increases during wavelength multiplexing. Furthermore, because the rate of wavelength change due to substrate temperature (the amount of wavelength change relative to temperature) differs for the oscillation wavelength of the semiconductor laser and the transmission wavelength of the wavelength multiplexer, optical loss or crosstalk increases when the substrate temperature changes.
そこで、非特許文献1に示されるように、半導体レーザの光共振器内にAWG(Arrayed waveguide grating)フィルタが挿入された構成が報告されている。この構成では、半導体レーザの発振波長は、AWGの透過波長によって決まる。そのため、半導体レーザの発振波長と波長合波器の透過波長を合わせる必要がなく、これらの波長のずれによる光損失の増加は生じない。 As a result, as shown in Non-Patent Document 1, a configuration has been reported in which an AWG (Arrayed Waveguide Grating) filter is inserted into the optical resonator of a semiconductor laser. In this configuration, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is determined by the transmission wavelength of the AWG. Therefore, there is no need to match the oscillation wavelength of the semiconductor laser with the transmission wavelength of the wavelength multiplexer, and there is no increase in optical loss due to a mismatch between these wavelengths.
しかしながら、上述の半導体レーザの光共振器内にAWGフィルタが挿入された構成において、AWGフィルタのサイズが数百μm角程度と大きいため、素子の小型化が困難である。 However, in the configuration in which an AWG filter is inserted into the optical resonator of the above-mentioned semiconductor laser, the size of the AWG filter is large, at several hundred micrometers square, making it difficult to miniaturize the device.
また、共振器全体の光路長の増加により、光子寿命τpが増加し、活性層の光閉じ込め率Γzが減少するため、緩和振動周波数frが数GHz程度と低下し、高速な直接変調が困難であることが問題であった。そこで、高速変調するために外部変調器を用いて光変調する場合には、変調器の最適な動作波長とレーザの発振波長との間にずれが生じ、変調効率が劣化することが問題であった。 Furthermore, as the optical path length of the entire resonator increases, the photon lifetime τp increases and the optical confinement factor Γz of the active layer decreases, causing the relaxation oscillation frequency fr to drop to around a few GHz, making high-speed direct modulation difficult. Therefore, when optical modulation is performed using an external modulator to achieve high-speed modulation, a discrepancy occurs between the modulator's optimal operating wavelength and the laser's oscillation wavelength, resulting in a problem of degraded modulation efficiency.
上述したような課題を解決するために、本発明に係る波長フィルターは、一方の端面に単一の導波路が接続され、他方の端面に複数の導波路が接続され、複数の波長の光が前記波長ごとに前記複数の導波路で入力し、前記複数の波長の光が合波される光が前記単一の導波路で出力する波長フィルターであって、第1の物質と、前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資とを備え、前記第1の物質が、前記第2の物質内に不規則な形状で連なる、複数の集合体を備え、前記複数の集合体のうち一部の集合体は、前記単一の導波路と前記複数の導波路それぞれとの間で連なって配置され、前記複数の集合体のうち他の一部の集合体は、前記一部の集合体に連なることなく、前記一部の集合体の周囲に配置され、前記入力する光が前記複数の集合体によって多重散乱し、干渉し、出力する。 In order to solve the above-mentioned problems, the wavelength filter of the present invention has a single waveguide connected to one end face and multiple waveguides connected to the other end face, light of multiple wavelengths input through the multiple waveguides for each wavelength, and light obtained by combining the light of the multiple wavelengths is output through the single waveguide. The wavelength filter comprises a first material and a second material having a lower refractive index than the first material, and the first material comprises multiple aggregates that are connected in an irregular shape within the second material, some of the multiple aggregates are connected between the single waveguide and each of the multiple waveguides, and other aggregates of the multiple aggregates are arranged around the some of the aggregates without being connected to them, and the input light is multiplexed by the multiple aggregates, interferes, and is output.
また、本発明に係る波長フィルターは、一方の端面に単一の導波路が接続され、他方の端面に複数の導波路が接続され、複数の波長の光が合波される光が前記単一の導波路で入力し、前記複数の波長の光が前記波長ごとに前記複数の導波路で出力する、波長フィルターであって、第1の物質と、前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資とを備え、前記第1の物質が、前記第2の物質内に不規則な形状で連なる、複数の集合体を備え、前記複数の集合体のうち一部の集合体は、前記単一の導波路と前記複数の導波路それぞれとの間で連なって配置され、前記複数の集合体のうち他の一部の集合体は、前記一部の集合体に連なることなく、前記一部の集合体の周囲に配置され、前記入力する光が前記複数の集合体によって多重散乱し、干渉し、出力する。 Furthermore, the wavelength filter according to the present invention has a single waveguide connected to one end face and multiple waveguides connected to the other end face, and light composed of multiple wavelengths is input through the single waveguide, and light of the multiple wavelengths is output from the multiple waveguides for each wavelength. The wavelength filter comprises a first material and a second material having a lower refractive index than the first material, and the first material comprises multiple aggregates that are connected in an irregular shape within the second material, some of the multiple aggregates are connected between the single waveguide and each of the multiple waveguides, and other aggregates of the multiple aggregates are arranged around the some of the aggregates without being connected to the some of the aggregates, and the input light is multiplexed by the multiple aggregates, interferes, and is output.
また、本発明に係る波長フィルターの製造方法は、第1の物質と、前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資とから構成されるトポロジーを有する波長フィルターの製造方法であって、前記第1の物質と、前記第2の物質と、前記トポロジーのサイズと、前記波長フィルターの入力光および出力光のスペクトルとを設定する工程と、前記第1の物質と前記第2の物質とからなる、前記サイズを有する、前記トポロジーの構成に対して、前記設定されたブロード光が入力するときの出力光のスペクトルを計算する工程と、前記計算により得られた出力光のスペクトルを、前記設定された出力光のスペクトルと比較する工程と、前記計算により得られた出力光のスペクトルと、前記設定された出力光のスペクトルとが略一致するときの前記トポロジーに基づき、前記波長フィルターのトポロジーを形成する工程とを備える。 Furthermore, the method for manufacturing a wavelength filter according to the present invention is a method for manufacturing a wavelength filter having a topology composed of a first material and a second material having a lower refractive index than the first material, and includes the steps of: setting the first material, the second material, the size of the topology, and the spectra of input light and output light of the wavelength filter; calculating the spectrum of output light when the set broad light is input to the topology configuration composed of the first material and the second material and having the set size; comparing the spectrum of output light obtained by the calculation with the spectrum of output light set; and forming the topology of the wavelength filter based on the topology when the spectrum of output light obtained by the calculation and the spectrum of output light set approximately match.
本発明によれば、変調特性に優れる小型の、波長フィルター、波長多重光源、波長多重光受信器および波長フィルターの製造方法を提供できる。 The present invention provides a compact wavelength filter, wavelength multiplexing light source, wavelength multiplexing optical receiver, and method for manufacturing a wavelength filter that has excellent modulation characteristics.
<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係る波長フィルター、波長多重光源および波長フィルターの製造方法について、図1~図7を参照して説明する。
First Embodiment
A wavelength filter, a wavelength multiplexing light source, and a method for manufacturing a wavelength filter according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<波長多重光源の構成>
本実施の形態に係る波長多重光源10は、図1に示すように、順に、複数の高反射率ミラー11と、複数の利得導波路12と、波長フィルター13と、低反射率ミラー14と、スポットサイズ変換器15とを備える。複数の高反射率ミラー11と、複数の利得導波路12とそれぞれが、光導波路16を介して光接続されている。複数の利得導波路12と、波長フィルター13と、低反射率ミラー14とそれぞれが、光導波路16を介して光接続されている。
<Configuration of wavelength multiplexed light source>
1, the wavelength multiplexed light source 10 according to this embodiment includes, in order, a plurality of high-reflectivity mirrors 11, a plurality of gain waveguides 12, a wavelength filter 13, a low-reflectivity mirror 14, and a spot size converter 15. The plurality of high-reflectivity mirrors 11 and the plurality of gain waveguides 12 are optically connected to each other via optical waveguides 16. The plurality of gain waveguides 12, the wavelength filters 13, and the low-reflectivity mirrors 14 are optically connected to each other via optical waveguides 16.
本実施の形態に係る波長フィルター13の基本構成は、一方の端面から複数の波長の光が合波された光が入力し、分波され、複数の導波路それぞれに所望の波長の光が出力するように、矩形の構造のトポロジーが変化している構成である(S.Molesky et al., “Outlook for inverse design in nanophotonics”, Nature Photonics, January 2018, DOI:10.1038/s41566-018-0246-9.)。 The basic configuration of the wavelength filter 13 according to this embodiment is such that multiplexed light of multiple wavelengths enters from one end face, is demultiplexed, and the topology of the rectangular structure changes so that light of the desired wavelength is output to each of the multiple waveguides (S. Molesky et al., "Outlook for inverse design in nanophotonics", Nature Photonics, January 2018, DOI:10.1038/s41566-018-0246-9).
ここで、トポロジーは、第1の物質(例えばSi)131と第1の物質より屈折率が低い第2の物質(例えばSiO2)132の組み合わせにおける高い物資の形状(構成)である。トポロジーのサイズは、1μm~10μm角程度であり、小型である。 Here, the topology is a shape (configuration) of a material that is a combination of a first material (e.g., Si) 131 and a second material (e.g., SiO 2 ) 132 that has a lower refractive index than the first material. The size of the topology is small, about 1 μm to 10 μm square.
波長フィルター13のトポロジーにおいて、屈折率の高い物質131の微細なセル(例えば、1nm2、層厚220nm)が屈折率の低い物質132内に、異なる波長の複数の光が合波されるように2次元的に不規則に配置されている。 In the topology of the wavelength filter 13, minute cells (e.g., 1 nm2 , layer thickness 220 nm) of a high refractive index material 131 are irregularly arranged two-dimensionally within a low refractive index material 132 so that multiple light beams of different wavelengths are multiplexed.
図2A、Bに、波長フィルター13のトポロジーの一例を示す。6μm角の矩形構造(材料はSi、周りはSiO2)の一方の端(図中、左側)に単一の導波路、他方の端(図中、右側)に4本の導波路が接続されている。一方の端の導波路から光を入力したときに、他方の端の各導波路からそれぞれ指定した波長の光が透過するようにインバースデザインされる。各ポートから出力される透過波長は、FSR=20nmとしている。 2A and 2B show an example of the topology of the wavelength filter 13. A single waveguide is connected to one end (left side in the figure) of a 6 μm square rectangular structure (made of Si surrounded by SiO 2 ), and four waveguides are connected to the other end (right side in the figure). The inverse design is such that when light is input from the waveguide at one end, light of a specified wavelength is transmitted from each waveguide at the other end. The transmitted wavelength output from each port has an FSR of 20 nm.
図2Aに、計算により得られたインバースデザインされたトポロジーを示す。淡色領域が屈折率の高い物質(以下、「第1の物質」ともいう。)131の領域、濃色領域が屈折率の低い物質(以下、「第2の物質」ともいう。)132の領域を示す。ここでは、一例として、第1の物質131にSi、第2の物質132にSiO2を用いる。屈折率の高い物質131の微細なSiが屈折率の低い物質132のSiO2内に2次元的に不規則な形状で連なり、複数の集合体を形成する。複数の集合体のうち一部のSiの集合体(入出力集合体)は、光の入力位置からそれぞれの出力位置まで連なって形成される。複数の集合体のうち他の一部のSiの集合体(周辺集合体)は、入出力集合体と連なることなく、入出力集合体の周囲に配置される。上記のトポロジーにおいて、伝搬する光は、複数の第1の物質(Si)131の集合体で多重散乱して干渉して、それぞれの波長λ1~λ4に分波され出力する。 FIG. 2A shows the inverse designed topology obtained by calculation. The light-colored areas indicate regions of a high-refractive-index material (hereinafter also referred to as the "first material") 131, and the dark-colored areas indicate regions of a low-refractive-index material (hereinafter also referred to as the "second material") 132. Here, as an example, Si is used as the first material 131, and SiO 2 is used as the second material 132. Fine Si particles of the high-refractive-index material 131 are connected in two-dimensional irregular shapes within the SiO 2 of the low-refractive-index material 132, forming multiple aggregates. Some of the multiple aggregates (input/output aggregates) are connected from the light input position to the respective output positions. Other Si aggregates (peripheral aggregates) of the multiple aggregates are arranged around the input/output aggregates without being connected to them. In the above topology, the propagating light is multiple-scattered and interferes in the aggregate of the plurality of first materials (Si) 131, and is split into the respective wavelengths λ 1 to λ 4 and output.
図2Bは、図2Aに示すトポロジーの透過スペクトルである。ポート1(P1)の導波路から波長1.27μmの光(図中、実線)、ポート2(P2)の導波路から波長1.29μmの光(図中、点線)、ポート3(P3)の導波路から波長1.31μmの光(図中、破線)、ポート4(P4)の導波路からは波長1.33umの光(図中、一点鎖線)が透過する。 Figure 2B shows the transmission spectrum of the topology shown in Figure 2A. Light with a wavelength of 1.27 μm (solid line) is transmitted through the waveguide at port 1 (P1), light with a wavelength of 1.29 μm (dotted line) is transmitted through the waveguide at port 2 (P2), light with a wavelength of 1.31 μm (dashed line) is transmitted through the waveguide at port 3 (P3), and light with a wavelength of 1.33 μm (dashed line) is transmitted through the waveguide at port 4 (P4).
波長多重光源10において、波長フィルター13は、上述のトポロジー(図2)の入力と出力とを逆とする構成を有する。すなわち、波長フィルター13は、波長合波器であり、矩形の構造の一端に複数の導波路が接続され、他端に単一の導波路が接続されている。複数の導波路それぞれから入射する異なる波長の光が、波長合波器13において合波するように矩形の構造のトポロジーが変化している。 In the wavelength multiplexed light source 10, the wavelength filter 13 has a configuration in which the input and output of the above-mentioned topology (Figure 2) are reversed. In other words, the wavelength filter 13 is a wavelength multiplexer, with multiple waveguides connected to one end of its rectangular structure and a single waveguide connected to the other end. The topology of the rectangular structure is changed so that light of different wavelengths incident from each of the multiple waveguides is multiplexed in the wavelength multiplexer 13.
波長合波器13は、SiO2層上に、SiとSiO2からなるトポロジー(厚さ:220nm)を有する導波層を備える。 The wavelength multiplexer 13 includes a waveguide layer having a topology (thickness: 220 nm) made of Si and SiO 2 on a SiO 2 layer.
このように、波長多重光源10において、従来のAWGフィルタ(例えば、500μm2程度)に比べて小型化できる波長合波器13(5μm~10μm四方程度)を用いることにより、共振器の光路長を低減でき、光子寿命τpの増加および活性層の光閉じ込め率Γzの低下を抑制できるので、緩和振動周波数frが数十GHz程度に向上できる。これにより、高速な変調が可能となる。 In this way, by using the wavelength multiplexer 13 (approximately 5 μm to 10 μm square) which can be made smaller than a conventional AWG filter (for example, approximately 500 μm square) in the wavelength multiplexing light source 10, the optical path length of the resonator can be reduced, and an increase in the photon lifetime τp and a decrease in the optical confinement factor Γz of the active layer can be suppressed, so that the relaxation oscillation frequency fr can be improved to approximately several tens of GHz. This enables high-speed modulation.
利得導波路12は、図3に示すように、基板(例えば、Si)1201上に、順に、第2のコア(例えば、Si)1203と第2のクラッド(例えば、SiO2)1202からなる第2の光導波路と、第1のコア(例えば、1.55μm波長組成InP系多重量子井戸、MQW)1205と第1のクラッド(例えば、InP)1204、1206からなる第1の光導波路とを備える(例えば、T.Aihara et al., “Membrane III-V/Si DFB Laser Using Uniform Grating and Width-Modulated Si Waveguide”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 38, NO. 11 (2020).)。 As shown in FIG. 3, the gain waveguide 12 includes, on a substrate (e.g., Si) 1201, a second optical waveguide consisting of a second core (e.g., Si) 1203 and a second cladding (e.g., SiO 2 ) 1202, and a first optical waveguide consisting of a first core (e.g., 1.55 μm wavelength composition InP-based multiple quantum well, MQW) 1205 and first cladding (e.g., InP) 1204, 1206 (see, for example, T. Aihara et al., “Membrane III-V/Si DFB Laser Using Uniform Grating and Width-Modulated Si Waveguide”, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 38, NO. 11 (2020)).
利得導波路12において、第1の光導波路の側面のうち一方の側面にp型半導体層1207を備え、他方の側面にn型半導体層1208を備える。ここで、「光導波路の側面」は、第1の光導波路において光の伝搬方向と平行であって基板の表面に垂直な端面をいう。また、p型半導体層1207の表面にp型変調器電極1209、n型半導体層1208の表面にn型変調器電極1210を備える。これにより、第1の光導波路に横方向に電流が注入される。また、利得導波路12の表面(電極部分を除く)に誘電体膜(例えば、SiO2)1211が配置される。 In the gain waveguide 12, a p-type semiconductor layer 1207 is provided on one of the side surfaces of the first optical waveguide, and an n-type semiconductor layer 1208 is provided on the other side surface. Here, the "side surface of the optical waveguide" refers to the end face of the first optical waveguide that is parallel to the propagation direction of light and perpendicular to the surface of the substrate. Also, a p-type modulator electrode 1209 is provided on the surface of the p-type semiconductor layer 1207, and an n-type modulator electrode 1210 is provided on the surface of the n-type semiconductor layer 1208. This allows current to be injected laterally into the first optical waveguide. Also, a dielectric film (e.g., SiO 2 ) 1211 is disposed on the surface of the gain waveguide 12 (excluding the electrode portion).
複数の利得導波路12はそれぞれ、異なる波長λ1~λ4に対応する組成の第1のコア(例えば、MQW)を備え、利得導波路12それぞれが、異なる波長λ1~λ4の光を発光する。 The plurality of gain waveguides 12 each have a first core (eg, MQW) with a composition corresponding to a different wavelength λ 1 to λ 4 , and each gain waveguide 12 emits light of a different wavelength λ 1 to λ 4 .
第2の光導波路において、第2のコア(Si)1203が第2のクラッド(SiO2)に1202埋め込まれ、第1のコア1205と第2のコア1203との間にスーパーモードが形成される。 In the second optical waveguide, a second core (Si) 1203 is embedded in a second cladding (SiO 2 ) 1202 , and a supermode is formed between the first core 1205 and the second core 1203 .
上記の構造により、低損失かつ小型にシリコン導波路16と利得導波路12とを短い長さ(数um程度)で光学的に接続できる。利得導波路12と波長合波器13をシリコン導波路16を介して光学的に接続する。 The above structure allows for a low-loss, compact optical connection between the silicon waveguide 16 and the gain waveguide 12 over a short length (approximately a few micrometers). The gain waveguide 12 and wavelength multiplexer 13 are optically connected via the silicon waveguide 16.
高反射率ミラー11は、例えば、図4Aに示すように、シリコン導波路112に周期的な屈折率変化を有するDBR111が形成されるDBRミラーである。この構成では、DBRミラー11のストップバンドの波長の光が強い反射率で反射する。 The high-reflectivity mirror 11 is, for example, a DBR mirror in which a DBR 111 with periodic refractive index changes is formed in a silicon waveguide 112, as shown in Figure 4A. In this configuration, light with wavelengths in the stop band of the DBR mirror 11 is reflected with high reflectivity.
または、高反射率ミラー11には、例えば、図4Bに示すように、1×2多モード干渉計113とリング共振器114を組み合わせた構成を用いてもよい。この構成では、リング共振器114の共振波長の光が強い反射率で反射する。 Alternatively, the high-reflectivity mirror 11 may be configured to combine a 1x2 multimode interferometer 113 and a ring resonator 114, as shown in Figure 4B. In this configuration, light at the resonant wavelength of the ring resonator 114 is reflected with a high reflectivity.
低反射率ミラー14は、例えば、図5に示すように、2×2多モード干渉計または方向性結合器の2出力が接続された構成を有する。例えば、入力光(図中、実線矢印)が一方の導波路141を伝搬してループ導波路143を介して2つ導波路(一方の導波路と他方の導波路)141、142に結合し、一方の導波路141より反射光(図中、点線矢印)として出力する。この構成における反射率は、2つ導波路(一方の導波路と他方の導波路)141、142の分岐比により制御できる。 As shown in Figure 5, the low-reflectivity mirror 14 has a configuration in which the two outputs of a 2x2 multimode interferometer or directional coupler are connected. For example, input light (solid arrow in the figure) propagates through one waveguide 141 and couples to two waveguides (one waveguide and the other waveguide) 141, 142 via loop waveguide 143, and is output as reflected light (dotted arrow in the figure) from one waveguide 141. The reflectivity in this configuration can be controlled by the branching ratio of the two waveguides (one waveguide and the other waveguide) 141, 142.
スポットサイズ変換器15は、先端に向かって狭くなるSiOx導波路構造である(例えば、非特許文献4)。SiOx導波路とSi導波路は光学的に結合している。このSiOx導波路により、低損失かつ低反射なファイバー結合が可能となる。 The spot size converter 15 has a SiOx waveguide structure that narrows toward the tip (see, for example, Non-Patent Document 4). The SiOx waveguide and Si waveguide are optically coupled. This SiOx waveguide enables low-loss and low-reflection fiber coupling.
<波長フィルターの製造方法>
本実施の形態に係る波長フィルター13の製造方法の一例を以下に説明する。図6に、波長フィルター13の製造方法を説明するためのフローチャート図を示す。
<Wavelength filter manufacturing method>
An example of a method for manufacturing the wavelength filter 13 according to this embodiment will be described below. A flow chart for explaining the method for manufacturing the wavelength filter 13 is shown in FIG.
波長フィルター13のトポロジーは、時間領域差分法による電磁界解析を用いたインバースデザインにより設計される。 The topology of the wavelength filter 13 is designed by inverse design using electromagnetic field analysis based on the time-domain finite difference method.
初めに、トポロジーを構成する第1の物質131と第2の物質132を選択し、その屈折率を設定する。ここでは、第1の物質131としてSi(屈折率:3.48)と第2の物質132としてSiO2(屈折率:1.44)を設定した。 First, the first material 131 and the second material 132 that make up the topology are selected, and their refractive indices are set. Here, Si (refractive index: 3.48) is set as the first material 131, and SiO 2 (refractive index: 1.44) is set as the second material 132.
また、トポロジーのサイズを設定する。トポロジーは小さすぎると光を合分波できず、大きすぎると光損失が増加する。ここでは、トポロジーのサイズを6μm×6μmとした。トポロジーのサイズは5μm×5μm~10μm×10μmでもよい。トポロジーのサイズは、トポロジーを構成する材料に依存する。Siの代わりにSiNを用いる場合には、サイズは2~3倍である。 The size of the topology is also set. If the topology is too small, it will not be possible to multiplex or demultiplex light, and if it is too large, optical loss will increase. Here, the topology size was set to 6 μm x 6 μm. The topology size can also be 5 μm x 5 μm to 10 μm x 10 μm. The size of the topology depends on the material that makes up the topology. If SiN is used instead of Si, the size will be 2 to 3 times larger.
また、入力光と出力光のスペクトルを設定する(工程S1)。例えば、入力光は、複数の波長λ1~λ4の光が合波された光であり、波長1.3μmにピークを有し、1.2μm~1.3μmに広がるブロード光とする。出力光は、図2Bに示すように、異なる波長λ1~λ4の4つのスペクトルとする。λ1=1.27μm、λ2=1.29μm、λ3=1.31μm、λ4=1.33μmとする。 The spectra of the input light and the output light are set (step S1). For example, the input light is a multiplexed light of multiple wavelengths λ1 to λ4 , and is a broad light having a peak at a wavelength of 1.3 μm and extending from 1.2 μm to 1.3 μm. The output light has four spectra of different wavelengths λ1 to λ4 , as shown in FIG. 2B. Let λ1 = 1.27 μm, λ2 = 1.29 μm, λ3 = 1.31 μm, and λ4 = 1.33 μm.
次に、上記設定に基づく所定のトポロジー(SiとSiO2との屈折率の分布)に対して、設定されたブロード光が入力する場合を想定して、出力光のスペクトルを計算する(工程S2)。 Next, assuming that a set broad light is input to a predetermined topology (distribution of refractive indexes of Si and SiO2 ) based on the above settings, the spectrum of the output light is calculated (step S2).
次に、計算により得られた出力光のスペクトルを、設定された出力光のスペクトルと比較する(工程S3)。 Next, the calculated output light spectrum is compared with the set output light spectrum (step S3).
計算により得られた出力光のスペクトルと、設定された出力光のスペクトルとが略一致する場合、計算を終了する。このときのトポロジーを波長フィルター13のトポロジーに決定する。 If the calculated spectrum of the output light substantially matches the set spectrum of the output light, the calculation ends. The topology at this point is determined as the topology of the wavelength filter 13.
計算により得られた出力光のスペクトルと、設定された出力光のスペクトルとが略一致しない場合には、計算を繰り返す。 If the calculated output light spectrum does not substantially match the set output light spectrum, the calculation is repeated.
ここで、「略一致」とは完全一致を含み、計算により得られた出力光のスペクトルと、設定された出力光のスペクトルとの差が所定の範囲である場合を含む。所定の範囲は、スペクトルにおける各ピークの波長の誤差が0.001μm以内としてもよい。または、各ピーク全体で波長の誤差が0.005μm以内としてもよい。 Here, "substantially match" includes perfect match, and also includes the case where the difference between the calculated output light spectrum and the set output light spectrum is within a specified range. The specified range may be within 0.001 μm of the wavelength error for each peak in the spectrum. Alternatively, the wavelength error for all peaks may be within 0.005 μm.
上述の決定されたトポロジーに基づき、通常のフォトリソグラフィ技術、エッチング技術などの半導体加工プロセルにより、トポロジーを形成する(工程S4)。これにより、波長フィルター13を製造する。 Based on the topology determined above, the topology is formed using semiconductor processing processes such as standard photolithography and etching techniques (step S4). This produces the wavelength filter 13.
<効果>
本実施の形態に係る波長多重光源10の効果について、図7を参照して説明する。
<Effects>
The effects of the wavelength multiplexed light source 10 according to this embodiment will be described with reference to FIG.
波長多重光源10では、高反射率ミラー11と低反射率ミラー14との間で共振器が形成される。その結果、複数の利得導波路12それぞれが、異なる波長の光を発光し、異なる波長の光が高反射率ミラー11と低反射率ミラー14との間で共振し、レーザ発振する。 In the wavelength-multiplexed light source 10, a resonator is formed between the high-reflectivity mirror 11 and the low-reflectivity mirror 14. As a result, each of the multiple gain waveguides 12 emits light of a different wavelength, and the light of the different wavelengths resonates between the high-reflectivity mirror 11 and the low-reflectivity mirror 14, resulting in laser oscillation.
換言すれば、図6に示すように、共振器の複数のファブリペローモード171のうち1つが波長合波器13の各ポートの透過波長(例えばλ1)172により選択され、単一波長でのレーザ発振173が得られる。したがって、この発振波長は、波長合波器13の透過波長により決まる。その結果、加工誤差や温度変動に起因して波長合波器13の透過波長の変化が生じてもこの透過波長でレーザ発振するため、従来の構成のようにレーザの発振波長と波長合波器13の透過波長を合わせる必要がない。 6, one of the multiple Fabry-Perot modes 171 of the resonator is selected by the transmission wavelength (e.g., λ 1 ) 172 of each port of the wavelength multiplexer 13, and laser oscillation 173 at a single wavelength is obtained. Therefore, this oscillation wavelength is determined by the transmission wavelength of the wavelength multiplexer 13. As a result, even if the transmission wavelength of the wavelength multiplexer 13 changes due to processing errors or temperature fluctuations, laser oscillation occurs at this transmission wavelength, so there is no need to match the laser oscillation wavelength with the transmission wavelength of the wavelength multiplexer 13 as in the conventional configuration.
波長合波器13のそれぞれのポートを導波する光は透過波長が異なるため、波長多重光源10はそれぞれの透過波長に対応した波長でレーザ発振する。波長多重光源10の多波長のレーザ光は、単一の導波路に合波されて出力される。 Since the light guided through each port of the wavelength multiplexer 13 has a different transmission wavelength, the wavelength multiplexed light source 10 oscillates as a laser at a wavelength corresponding to each transmission wavelength. The multi-wavelength laser light from the wavelength multiplexed light source 10 is multiplexed into a single waveguide and output.
波長多重光源10において、利得導波路12の注入電流量を変調するとき、出力光の強度が変調される。このとき、変調速度は、緩和振動周波数frに律速される。 In the wavelength-multiplexed light source 10, when the amount of injection current into the gain waveguide 12 is modulated, the intensity of the output light is modulated. At this time, the modulation speed is determined by the relaxation oscillation frequency fr.
従来の波長多重光源では、AWGフィルタが大きく、利得導波路12とシリコン導波路との光学結合長が長いため、共振器全体が長い。その結果、光子寿命が増加し、活性層光閉じ込め率Γzが低下するので、緩和振動周波数frが数GHz程度に低下し、高速な直接変調が困難である。 In conventional wavelength-multiplexed light sources, the AWG filter is large and the optical coupling length between the gain waveguide 12 and the silicon waveguide is long, resulting in a long overall cavity. As a result, the photon lifetime increases and the active layer optical confinement ratio Γz decreases, causing the relaxation oscillation frequency fr to drop to around several GHz, making high-speed direct modulation difficult.
一方、波長多重光源10では、共振器長を低減できるため、緩和振動周波数frを数10GHz程度と向上でき、高速な直接光変調が可能となる。この波長多重光源10の緩和振動周波数は、SOAの両端にミラーを備える構成(すなわちファブリペローレーザ)と同等である。これは、フィルターが小さく、波長多重光源10の共振器長が短いためである。 On the other hand, with the wavelength-multiplexed light source 10, the resonator length can be reduced, so the relaxation oscillation frequency fr can be increased to around several tens of GHz, enabling high-speed direct optical modulation. The relaxation oscillation frequency of this wavelength-multiplexed light source 10 is equivalent to that of a configuration with mirrors on both ends of the SOA (i.e., a Fabry-Perot laser). This is because the filter is small and the resonator length of the wavelength-multiplexed light source 10 is short.
また、上述のように従来の波長多重光源では高速な直接変調が困難であるので、高速変調のために外部変調器を必要とする。その結果、変調器の最適な動作波長とレーザの発振波長との間に加工誤差や基板温度の変動に起因してずれが生じるため、変調効率が劣化する。 Furthermore, as mentioned above, high-speed direct modulation is difficult with conventional wavelength-multiplexed light sources, so an external modulator is required for high-speed modulation. As a result, a discrepancy occurs between the modulator's optimal operating wavelength and the laser's oscillation wavelength due to processing errors and fluctuations in substrate temperature, resulting in a deterioration in modulation efficiency.
一方、波長多重光源10では、高速な直接変調が可能であるため、高速変調のために外部変調器を必要としない。その結果、従来の波長多重光源における波長ずれに起因する変調効率の劣化が生じない。 On the other hand, the wavelength-multiplexed light source 10 is capable of high-speed direct modulation, so no external modulator is required for high-speed modulation. As a result, there is no degradation in modulation efficiency caused by wavelength shifts in conventional wavelength-multiplexed light sources.
このように、波長多重光源10では、半導体レーザの発振波長、波長合波器13の透過波長、変調器の最適な動作波長を合わせる必要がなく、加工誤差や温度変化による影響が抑制された小型波長多重光源が実現する。 In this way, with the wavelength multiplexed light source 10, there is no need to match the oscillation wavelength of the semiconductor laser, the transmission wavelength of the wavelength multiplexer 13, or the optimal operating wavelength of the modulator, resulting in a compact wavelength multiplexed light source that is less susceptible to the effects of processing errors and temperature changes.
本実施の形態によれば、高速変調可能な小型波長多重光源を提供できる。 This embodiment provides a compact wavelength multiplexed light source capable of high-speed modulation.
<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態に係る波長多重光源について、図8~図11を参照して説明する。
Second Embodiment
A multiple wavelength light source according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
<波長多重光源の構成>
本実施の形態に係る波長多重光源20は、図8に示すように、利得導波路12と波長合波器13との間に電界吸収変調器21を備える点で、第1の実施の形態と異なる。その他の構成は、第1の実施の形態と同様である。
<Configuration of wavelength multiplexed light source>
8, the wavelength multiplexed light source 20 according to this embodiment differs from the first embodiment in that it includes an electroabsorption modulator 21 between the gain waveguide 12 and the wavelength multiplexer 13. The other configurations are the same as those of the first embodiment.
電界吸収変調器21は、図9に示すように、基板(例えば、Si)2101上に、順に、誘電体膜(例えば、SiO2)2102と、第3のコア(例えば、1.55μm波長組成InP系多重量子井戸、MQW)2105と第3のクラッド(例えば、InP)2104、2106からなる第3の光導波路とを備える。 As shown in FIG. 9 , the electroabsorption modulator 21 includes, on a substrate (e.g., Si) 2101, a dielectric film (e.g., SiO 2 ) 2102, a third optical waveguide consisting of a third core (e.g., 1.55 μm wavelength composition InP-based multiple quantum well, MQW) 2105, and third claddings (e.g., InP) 2104 and 2106, in that order.
電界吸収変調器21において、第3の光導波路の側面のうち一方の側面にp型半導体層2107を備え、他方の側面にn型半導体層2108を備える。また、p型半導体層2107の表面にp型変調器電極2109、n型半導体層2108の表面にn型変調器電極2110を備える。これにより、第3の光導波路に横方向に電圧が印加される。また、電界吸収変調器21の表面(電極部分を除く)に誘電体膜(例えば、SiO2)2111が配置される。 In the electroabsorption modulator 21, a p-type semiconductor layer 2107 is provided on one of the side surfaces of the third optical waveguide, and an n-type semiconductor layer 2108 is provided on the other side surface. A p-type modulator electrode 2109 is provided on the surface of the p-type semiconductor layer 2107, and an n-type modulator electrode 2110 is provided on the surface of the n-type semiconductor layer 2108. This allows a voltage to be applied laterally to the third optical waveguide. A dielectric film (e.g., SiO2 ) 2111 is also disposed on the surface of the electroabsorption modulator 21 (excluding the electrode portion).
電界吸収変調器21において、活性層への光閉じ込めを高め変調効率を高めるために、第2の導波路コア(Siコア)は配置されていない。 In the electroabsorption modulator 21, a second waveguide core (Si core) is not provided in order to increase light confinement in the active layer and improve modulation efficiency.
利得導波路12と電界吸収変調器21は、Si導波路を介して光学的に接続される。 The gain waveguide 12 and the electroabsorption modulator 21 are optically connected via a Si waveguide.
この構成では、電界吸収変調器21への印加電圧を変調し、共振器内の損失を変調することにより、出力光の強度を変調する。第1の実施の形態のように利得導波路12の注入電流量を変調する構成と比べて、緩和振動周波数より高い周波数での応答の劣化が抑制される(S. Mieda et al.,“Ultra-Wide-Bandwidth Optically Controlled DFB Laser With External Cavity”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.52, Issue 6, 2200107, (2016).)。その結果、高い変調帯域が得られる。 In this configuration, the intensity of the output light is modulated by modulating the voltage applied to the electroabsorption modulator 21, thereby modulating the loss within the resonator. Compared to the configuration in which the amount of injected current into the gain waveguide 12 is modulated, as in the first embodiment, degradation of response at frequencies higher than the relaxation oscillation frequency is suppressed (S. Mieda et al., "Ultra-Wide-Bandwidth Optically Controlled DFB Laser With External Cavity", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 52, Issue 6, 2200107, (2016).). As a result, a wide modulation bandwidth is obtained.
波長多重光源20において、半導体レーザの発振波長、波長合波器13の透過波長、変調器の最適な動作波長を合わせる必要がなく、加工誤差や温度変調による影響が抑制された小型波長多重光源が実現できる。 In the wavelength multiplexed light source 20, there is no need to match the oscillation wavelength of the semiconductor laser, the transmission wavelength of the wavelength multiplexer 13, or the optimal operating wavelength of the modulator, making it possible to realize a compact wavelength multiplexed light source that is less susceptible to the effects of processing errors and temperature modulation.
<効果>
本実施の形態に係る波長多重光源20の効果について、図10A、Bを参照して説明する。
<Effects>
The effects of the multiple wavelength light source 20 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 10A and 10B.
波長多重光源20において、利得導波路12の注入電流量を変調するとき、出力光の強度が変調される。このとき、変調速度は、緩和振動周波数に律速される。 In the wavelength-multiplexed light source 20, when the amount of injection current into the gain waveguide 12 is modulated, the intensity of the output light is modulated. At this time, the modulation speed is determined by the relaxation oscillation frequency.
図10A、Bに、波長多重光源20の緩和振動周波数の計算結果(図中、実線)を示す。比較のために、SOAのみで構成される素子の緩和振動周波数の計算結果(図中、破線)も示す。計算は、レート方程式に基づいて行った。計算に用いたパラメータを以下に示す。 Figures 10A and 10B show the calculation results (solid line in the figure) of the relaxation oscillation frequency of the wavelength-multiplexed light source 20. For comparison, the calculation results (dashed line in the figure) of the relaxation oscillation frequency of an element composed only of an SOA are also shown. The calculation was performed based on the rate equation. The parameters used in the calculation are as follows:
・利得導波路12(SOA)の長さLSOA=100μm
・EA変調器の長さLEA=50μm
・多モード干渉導波路(MMI)の長さLMMI=10μm
・SOAの吸収係数αi_SOA=10cm-1
・EAの吸収係数αi_EA=20cmcm-1(EA変調器の印加電圧VEA=0Vとする)
・MMIの吸収係数αi_MMI=20cm-1
・光閉じ込め率Γxy=20%
・線形利得g=dN×(N-Ntr)とするときのdN=1145e-22m-2、Ntr=1.45e24m-3
・高反射ミラーの反射率R1=99%
・低反射ミラーの反射率R2=1%
・内部量子効率ηi=0.5
・電子寿命τe=1ns
・ng=4.2
・w=0.6μm
・量子井戸の厚さdQW=6.2nm
・量子井戸数NQW=6
Length L SOA of gain waveguide 12 (SOA) = 100 μm
Length of EA modulator L EA =50 μm
Length of multimode interference waveguide (MMI) L MMI =10 μm
Absorption coefficient of SOA α i_SOA =10 cm −1
Absorption coefficient of EA α i — EA =20 cmcm −1 (applied voltage V EA of the EA modulator =0 V)
Absorption coefficient of MMI α i_MMI = 20 cm −1
Optical confinement ratio Γxy = 20%
When linear gain g=dN×(N−Ntr), dN=1145e−22m −2 , Ntr=1.45e24m −3
- High reflectivity mirror R1 = 99%
- Reflectance of low-reflection mirror R2 = 1%
Internal quantum efficiency η i =0.5
・Electron lifetime τ e = 1ns
・ng = 4.2
w = 0.6 μm
Quantum well thickness d QW = 6.2 nm
Number of quantum wells N QW = 6
計算結果より、波長多重光源20の緩和振動周波数は、注入電流Ibが30mAで25GHz程度であり、SOAのみの構成と比べて大きな差はない。このように、波長多重光源20では、SOAにEA変調器と波長合波器13を接続した構成であっても、SOAのみの構成と同等の緩和振動周波数を有する。 The calculation results show that the relaxation oscillation frequency of the wavelength-multiplexed light source 20 is approximately 25 GHz at an injection current Ib of 30 mA, which is not significantly different from a configuration with only an SOA. Thus, even with a configuration in which an EA modulator and wavelength multiplexer 13 are connected to an SOA, the wavelength-multiplexed light source 20 has a relaxation oscillation frequency equivalent to that of a configuration with only an SOA.
上述の計算結果は、第2の実施の形態においてSOAとEA変調器と波長合波器13とを備える構成に対するものである。第1の実施の形態に係る波長多重光源は、SOAと波長合波器13とを備え、第2の実施の形態の構成と比べて全体の共振器長を同等又は短くできるので、第2の実施の形態と同様の結果を得られる。 The above calculation results are for the configuration of the second embodiment, which includes an SOA, an EA modulator, and a wavelength multiplexer 13. The wavelength-multiplexed light source of the first embodiment includes an SOA and a wavelength multiplexer 13, and can achieve the same or shorter overall resonator length compared to the configuration of the second embodiment, thereby achieving results similar to those of the second embodiment.
従来の波長多重光源では、上述のように、共振器全体が長いため、光子寿命が増加し、活性層光閉じ込め率Γzが低下するので、緩和振動周波数frが低下し、高速な直接変調が困難である。 In conventional wavelength-multiplexed light sources, as mentioned above, the entire resonator is long, which increases the photon lifetime and reduces the optical confinement ratio Γz of the active layer, thereby lowering the relaxation oscillation frequency fr and making high-speed direct modulation difficult.
一方、波長多重光源20では、共振器長を低減できるため、緩和振動周波数を数10GHz程度と高くでき、高速な直接光変調が可能となる。この波長多重光源20の緩和振動周波数は、上記の計算結果に示すように、SOAの両端にミラーを備える構成(すなわちファブリペローレーザ)と同等である。これは、フィルターが小さく、波長多重光源20の共振器長が短いためである。 On the other hand, with the wavelength-multiplexed light source 20, the cavity length can be reduced, allowing the relaxation oscillation frequency to be increased to around several tens of GHz, making high-speed direct optical modulation possible. As shown in the calculation results above, the relaxation oscillation frequency of this wavelength-multiplexed light source 20 is equivalent to that of a configuration with mirrors on both ends of the SOA (i.e., a Fabry-Perot laser). This is because the filter is small and the cavity length of the wavelength-multiplexed light source 20 is short.
また、上述のように従来の波長多重光源では高速な直接変調が困難であるので、高速変調のために外部変調器を必要とする。その結果、変調器の最適な動作波長とレーザの発振波長との間に加工誤差や基板温度の変動に起因してずれが生じるため、変調効率が劣化する。 Furthermore, as mentioned above, high-speed direct modulation is difficult with conventional wavelength-multiplexed light sources, so an external modulator is required for high-speed modulation. As a result, a discrepancy occurs between the modulator's optimal operating wavelength and the laser's oscillation wavelength due to processing errors and fluctuations in substrate temperature, resulting in a deterioration in modulation efficiency.
一方、波長多重光源20では、高速な直接変調が可能であるため、高速変調のために外部変調器を必要としない。その結果、従来の波長多重光源における波長ずれに起因する変調効率の劣化が生じない。 On the other hand, the wavelength-multiplexed light source 20 is capable of high-speed direct modulation, so no external modulator is required for high-speed modulation. As a result, there is no degradation in modulation efficiency caused by wavelength shifts in conventional wavelength-multiplexed light sources.
このように、波長多重光源20では、半導体レーザの発振波長、波長合波器13の透過波長、変調器の最適な動作波長を合わせる必要がなく、加工誤差や温度変化による影響が抑制された小型波長多重光源が実現する。 In this way, with the wavelength multiplexed light source 20, there is no need to match the oscillation wavelength of the semiconductor laser, the transmission wavelength of the wavelength multiplexer 13, or the optimal operating wavelength of the modulator, resulting in a compact wavelength multiplexed light source that is less susceptible to the effects of processing errors and temperature changes.
本実施の形態によれば、高速変調可能な小型波長多重光源を提供できる。 This embodiment provides a compact wavelength multiplexed light source capable of high-speed modulation.
本実施の形態に係る波長多重光源において、図11に示すように、利得導波路12に分布帰還型の回折格子を設け、DFBレーザとしてもよい。また、波長合波器13の前段に低反射率ミラー14を設けており、波長合波器13を含まない共振器構造としてもよい。 In the wavelength multiplexed light source according to this embodiment, as shown in FIG. 11, a distributed feedback diffraction grating may be provided in the gain waveguide 12 to form a DFB laser. Also, a low-reflectivity mirror 14 may be provided in front of the wavelength multiplexer 13, resulting in a resonator structure that does not include the wavelength multiplexer 13.
この構成では、レーザの発振波長は、波長合波器13の特性に依存せず、回折格子のブラッグ波長により決まり、DFBレーザ12の発振波長と波長合波器13の透過波長を合わせる必要がある。その反面、光子-光子共鳴現象を用いることができ、より広帯域な直接変調動作が可能となる。 In this configuration, the laser's oscillation wavelength is determined by the Bragg wavelength of the diffraction grating, and does not depend on the characteristics of the wavelength combiner 13. Therefore, it is necessary to match the oscillation wavelength of the DFB laser 12 with the transmission wavelength of the wavelength combiner 13. On the other hand, the photon-photon resonance phenomenon can be used, enabling wider bandwidth direct modulation operation.
<第3の実施の形態>
本発明の第3の実施の形態に係る波長多重光受信器について、図12を参照して説明する。
Third Embodiment
A wavelength division multiplexing optical receiver according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
<波長多重光受信器の構成>
本発明の第3の実施の形態に係る波長多重光受信器30は、図12に示すように、波長フィルター32と複数の光検出器33とを備える。波長フィルター32の入射端にスポットサイズ変換器31を備える。また、マイクロヒータ35とフィードバック機構とを備える。
<Configuration of wavelength division multiplexing optical receiver>
12, a wavelength multiplexed optical receiver 30 according to the third embodiment of the present invention includes a wavelength filter 32 and a plurality of photodetectors 33. A spot size converter 31 is provided at the incident end of the wavelength filter 32. The receiver also includes a microheater 35 and a feedback mechanism.
多波長合波された光(光変調信号)は、スポットサイズ変換器31を介して波長フィルター32に入力される。 The multi-wavelength multiplexed light (optical modulation signal) is input to the wavelength filter 32 via the spot size converter 31.
波長フィルター32は、波長分波器であり、上述のトポロジーの基本構成と同様の構成を有する。波長分波器32は、各導波路に所望の波長の光が出力するように矩形の構造のトポロジーが変化している構成を有する。波長分波器32のトポロジーは、第1の実施の形態における波長合波器のトポロジーと同様に設計される。 The wavelength filter 32 is a wavelength demultiplexer and has a configuration similar to the basic topology described above. The wavelength demultiplexer 32 has a configuration in which the topology of a rectangular structure is changed so that light of the desired wavelength is output to each waveguide. The topology of the wavelength demultiplexer 32 is designed similarly to the topology of the wavelength multiplexer in the first embodiment.
波長分波器32は、SiO2層上に、SiとSiO2からなるトポロジー(厚さ:220nm)を有する導波層を備える。 The wavelength demultiplexer 32 includes a waveguide layer having a topology (thickness: 220 nm) made of Si and SiO 2 on a SiO 2 layer.
このように、波長分波器32は、入力光を複数の波長の光に分波して、複数の光検出器33それぞれに出力する。 In this way, the wavelength demultiplexer 32 demultiplexes the input light into light of multiple wavelengths and outputs them to each of the multiple photodetectors 33.
波長多重光受信器30において、波長分波器32の透過波長と入力される多波長合波された光変調信号の波長は、温度変化や加工誤差に起因して、必ずしも一致しない。そこで、マイクロヒータ35とフィードバック機構を用いる。 In the wavelength multiplexing optical receiver 30, the transmission wavelength of the wavelength demultiplexer 32 and the wavelength of the input multi-wavelength multiplexed optical modulated signal do not necessarily match due to temperature changes and processing errors. Therefore, a microheater 35 and a feedback mechanism are used.
フィードバック機構は、モニタ用光検出器(PD)37と、小型波長分波器への入力光の1部(例えば、入力光の1%程度)をモニタ用光検出器に入力するためのモニタ用導波路36とを備える。ここで、波長分波器32のトポロジーは、入力光の1部(1%程度)をモニタ用導波路36に出力されるようにインバースデザインされる。 The feedback mechanism includes a monitor photodetector (PD) 37 and a monitor waveguide 36 for inputting a portion of the input light to the compact wavelength demultiplexer (for example, approximately 1% of the input light) to the monitor photodetector. Here, the topology of the wavelength demultiplexer 32 is inversely designed so that a portion (approximately 1%) of the input light is output to the monitor waveguide 36.
多波長合波された光(光変調信号)が波長分波器32に入力されるとき、モニタ用光検出器37に入力する光強度が最大になるように、波長分波器32をマイクロヒータ35により加熱して、波長分波器32のトポロジーの屈折率を変化させ、波長分波器32の透過光の波長を調整する。波長分波器32の透過特性は、マイクロヒータ35の電力を減少させると短波側、マイクロヒータ35の電力を増加させると長波側に全体的にシフトする。これにより、波長分波器32の透過波長と入力される多波長合波された光変調信号の波長を略一致させることができ、各光検出器33に入力する光強度を増加できる。 When multi-wavelength multiplexed light (optically modulated signal) is input to the wavelength demultiplexer 32, the wavelength demultiplexer 32 is heated by the microheater 35 to change the refractive index of the wavelength demultiplexer 32 topology and adjust the wavelength of the light transmitted through the wavelength demultiplexer 32 so that the light intensity input to the monitor photodetector 37 is maximized. The transmission characteristics of the wavelength demultiplexer 32 shift overall to the short wavelength side when the power to the microheater 35 is reduced, and to the long wavelength side when the power to the microheater 35 is increased. This allows the transmission wavelength of the wavelength demultiplexer 32 to roughly match the wavelength of the input multi-wavelength multiplexed optically modulated signal, and increases the light intensity input to each photodetector 33.
これにより、光検出器33への透過強度が最大になるようにマイクロヒータ35の電力を調整できる。このように、波長多重光受信器30は、高速変調信号を高効率で受信できる。 This allows the power to the microheater 35 to be adjusted so that the transmission intensity to the photodetector 33 is maximized. In this way, the wavelength multiplexed optical receiver 30 can receive high-speed modulated signals with high efficiency.
本実施の形態によれば、高速変調に対応可能な小型波長多重光受信器を提供できる。 This embodiment makes it possible to provide a compact wavelength division multiplexing optical receiver that is capable of high-speed modulation.
本発明の実施の形態に係る波長フィルターは、波長分波器又は波長合波器として用いることができる。波長分波器として用いる場合には、一方の端面から複数の波長の光が合波された光が入力し、他方の端面から波長が異なる複数の光が出力する。波長合波器として用いる場合には、他方の端面から波長が異なる複数の光が入力し、一方の端面から複数の波長の光が合波された光が出力する。 A wavelength filter according to an embodiment of the present invention can be used as a wavelength demultiplexer or a wavelength multiplexer. When used as a wavelength demultiplexer, multiple wavelengths of light combined together are input from one end face, and multiple wavelengths of light are output from the other end face. When used as a wavelength multiplexer, multiple wavelengths of light are input from the other end face, and multiple wavelengths of light are output from one end face.
本発明の実施では、4つの波長が入出力する波長フィルターを例として示したが、4つの波長に限らず、複数の波長が入出力する波長フィルターでもよい。 In the implementation of the present invention, a wavelength filter that inputs and outputs four wavelengths has been shown as an example, but this is not limited to four wavelengths, and wavelength filters that input and output multiple wavelengths are also acceptable.
本発明の実施の形態では、波長フィルター、波長多重光源および波長多重光受信器の構成、波長フィルターの製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。長フィルター、波長多重光源および波長多重光受信器の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。 In the embodiments of the present invention, examples of the structure, dimensions, materials, etc. of each component in the configuration of the wavelength filter, wavelength multiplexed light source, and wavelength multiplexed optical receiver, as well as the manufacturing method of the wavelength filter, are shown, but this is not limiting. Anything that can fulfill the functions and effects of the wavelength filter, wavelength multiplexed light source, and wavelength multiplexed optical receiver will suffice.
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is clear that many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention.
上述の実施の形態又はその一例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。 The above-described embodiment or example thereof, in whole or in part, may also be described as, but is not limited to, the following notes.
(付記1)一方の端面に単一の導波路が接続され、他方の端面に複数の導波路が接続され、複数の波長の光が前記波長ごとに前記複数の導波路で入力し、前記複数の波長の光が合波される光が前記単一の導波路で出力する波長フィルターであって、第1の物質と、前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資とを備え、前記第1の物質が、前記第2の物質内に不規則な形状で連なる、複数の集合体を備え、前記複数の集合体のうち一部の集合体は、前記単一の導波路と前記複数の導波路それぞれとの間で連なって配置され、前記複数の集合体のうち他の一部の集合体は、前記一部の集合体に連なることなく、前記一部の集合体の周囲に配置され、前記入力する光が前記複数の集合体によって多重散乱し、干渉し、出力する、波長フィルター。 (Appendix 1) A wavelength filter having a single waveguide connected to one end face and multiple waveguides connected to the other end face, in which light of multiple wavelengths is input through the multiple waveguides for each wavelength, and light resulting from the multiple wavelengths being combined is output through the single waveguide, the wavelength filter comprising a first material and a second material having a lower refractive index than the first material, the first material comprising multiple aggregates that are connected in an irregular shape within the second material, some of the multiple aggregates being connected between the single waveguide and each of the multiple waveguides, and other aggregates of the multiple aggregates being arranged around the some of the aggregates without being connected to the some of the aggregates, the input light undergoing multiple scattering and interference by the multiple aggregates and output.
(付記2)一方の端面に単一の導波路が接続され、他方の端面に複数の導波路が接続され、複数の波長の光が合波される光が前記単一の導波路で入力し、前記複数の波長の光が前記波長ごとに前記複数の導波路で出力する、波長フィルターであって、第1の物質と、前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資とを備え、前記第1の物質が、前記第2の物質内に不規則な形状で連なる、複数の集合体を備え、前記複数の集合体のうち一部の集合体は、前記単一の導波路と前記複数の導波路それぞれとの間で連なって配置され、前記複数の集合体のうち他の一部の集合体は、前記一部の集合体に連なることなく、前記一部の集合体の周囲に配置され、前記入力する光が前記複数の集合体によって多重散乱し、干渉し、出力する、波長フィルター。 (Appendix 2) A wavelength filter having a single waveguide connected to one end face and multiple waveguides connected to the other end face, where light composed of multiple wavelengths is input through the single waveguide and light of the multiple wavelengths is output through the multiple waveguides for each wavelength, the wavelength filter comprising a first material and a second material having a lower refractive index than the first material, the first material comprising multiple aggregates arranged in an irregular pattern within the second material, some of the multiple aggregates being arranged in a continuous pattern between the single waveguide and each of the multiple waveguides, and other of the multiple aggregates being arranged around the some of the aggregates without being connected to the some of the aggregates, whereby the input light is multiplexed by the multiple aggregates, interferes, and is output.
(付記3)順に、複数の高反射ミラーと、前記複数の高反射ミラーそれぞれと光接続する複数の利得導波路と、前記複数の利得導波路と光接続する、付記1又は付記9に記載の波長フィルターと、前記波長フィルターと光接続する、複数の低反射ミラーとを備え、前記複数の利得導波路それぞれが、異なる波長の光を発光し、前記発光する光が前記高反射ミラーと前記低反射ミラーとの間で共振し、前記波長フィルターが、波長合波器であって、前記共振する異なる波長の光を合波して出力する、波長多重光源。 (Appendix 3) A wavelength multiplexed light source comprising, in order, a plurality of high-reflection mirrors, a plurality of gain waveguides optically connected to each of the plurality of high-reflection mirrors, a wavelength filter according to appendix 1 or appendix 9 optically connected to the plurality of gain waveguides, and a plurality of low-reflection mirrors optically connected to the wavelength filter, wherein each of the plurality of gain waveguides emits light of a different wavelength, the emitted light resonates between the high-reflection mirror and the low-reflection mirror, and the wavelength filter is a wavelength multiplexer that multiplexes and outputs the resonating light of different wavelengths.
(付記4)前記利得導波路と、前記波長フィルターとの間に、光変調器を備える、付記3に記載の波長多重光源。 (Appendix 4) The wavelength-multiplexed light source described in Appendix 3, further comprising an optical modulator between the gain waveguide and the wavelength filter.
(付記5)順に、複数の高反射ミラーと、前記複数の高反射ミラーそれぞれと光接続する複数の利得導波路と、前記複数の利得導波路それぞれと光接続する複数の光変調器と、前記複数の光変調器それぞれと光接続する、複数の低反射ミラーと前記複数の低反射ミラーと光接続する、付記1又は付記9に記載の波長フィルターとを備え、前記複数の利得導波路それぞれが、異なる波長の光を発光し、前記発光する光が前記高反射ミラーと前記低反射ミラーとの間で共振し、前記波長フィルターが、波長合波器であって、前記共振する異なる波長の光を合波して出力する、波長多重光源。 (Appendix 5) A wavelength multiplexed light source comprising, in order, a plurality of high-reflection mirrors, a plurality of gain waveguides optically connected to each of the plurality of high-reflection mirrors, a plurality of optical modulators optically connected to each of the plurality of gain waveguides, a plurality of low-reflection mirrors optically connected to each of the plurality of optical modulators, and a wavelength filter according to appendix 1 or appendix 9 optically connected to the plurality of low-reflection mirrors, wherein each of the plurality of gain waveguides emits light of a different wavelength, the emitted light resonates between the high-reflection mirrors and the low-reflection mirrors, and the wavelength filter is a wavelength multiplexer that multiplexes and outputs the resonating light of different wavelengths.
(付記6)前記複数の波長の光が合波される光が入力される波長多重光受信器であって、付記1に記載の波長フィルターと、前記波長フィルターと光接続する、複数の光検出器とを備え、前記波長フィルターが、波長分波器であって、前記複数の波長の光に分波して、前記複数の光検出器それぞれに出力する、波長多重光受信器。 (Appendix 6) A wavelength-multiplexed optical receiver to which light obtained by multiplexing light of the plurality of wavelengths is input, the wavelength-multiplexed optical receiver comprising the wavelength filter described in Appendix 1 and a plurality of photodetectors optically connected to the wavelength filter, wherein the wavelength filter is a wavelength demultiplexer that demultiplexes the light into the plurality of wavelengths and outputs the demultiplexed light to each of the plurality of photodetectors.
(付記7)前記波長フィルターを加熱するマイクロヒーターと、前記波長フィルターに接続するモニタ用光導波路と、前記モニタ用光導波路に接続するモニタ用光検出器とを備え、前記複数の波長の光が合波される光の一部が、前記モニタ用光導波路を介して、前記モニタ用光検出器に入力し、前記モニタ用光検出器に入力する光の強度が最大になるように、前記マイクロヒーターにより前記波長フィルターを加熱して、前記波長フィルターの前記第1の物質と前記第2の物質の屈折率を変化させ、フィードバックする、付記6又は付記9に記載の波長多重光受信器。 (Appendix 7) A wavelength-multiplexed optical receiver as described in Appendix 6 or Appendix 9, comprising a microheater that heats the wavelength filter, a monitor optical waveguide connected to the wavelength filter, and a monitor photodetector connected to the monitor optical waveguide, wherein a portion of the light obtained by combining light of the plurality of wavelengths enters the monitor photodetector via the monitor optical waveguide, and the wavelength filter is heated by the microheater to change the refractive index of the first material and the second material of the wavelength filter so that the intensity of the light entering the monitor photodetector is maximized, and feedback is performed.
(付記8)第1の物質と、前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資とから構成されるトポロジーを有する波長フィルターの製造方法であって、前記第1の物質と、前記第2の物質と、前記トポロジーのサイズと、前記波長フィルターの入力光および出力光のスペクトルとを設定する工程と、前記第1の物質と前記第2の物質とからなる、前記サイズを有する、前記トポロジーの構成に対して、前記設定されたブロード光が入力するときの出力光のスペクトルを計算する工程と、前記計算により得られた出力光のスペクトルを、前記設定された出力光のスペクトルと比較する工程と、前記計算により得られた出力光のスペクトルと、前記設定された出力光のスペクトルとが略一致するときの前記トポロジーに基づき、前記波長フィルターのトポロジーを形成する工程とを備える、波長フィルターの製造方法。 (Appendix 8) A method for manufacturing a wavelength filter having a topology composed of a first material and a second material having a lower refractive index than the first material, comprising the steps of: setting the first material, the second material, the size of the topology, and the spectra of input light and output light of the wavelength filter; calculating the spectrum of output light when the set broad light is input to the topology configuration composed of the first material and the second material and having the set size; comparing the spectrum of output light obtained by the calculation with the spectrum of output light set; and forming the topology of the wavelength filter based on the topology when the spectrum of output light obtained by the calculation and the spectrum of output light set approximately match.
(付記9)前記第1の物質がSiであり、前記第2の物質がSiO2であり、前記波長フィルターの面積が、5~10μm×5~10μmである、付記1又は付記2に記載の波長フィルター。 (Appendix 9) The wavelength filter according to appendix 1 or appendix 2, wherein the first substance is Si, the second substance is SiO 2 , and the area of the wavelength filter is 5 to 10 μm × 5 to 10 μm.
本発明は、波長フィルター、波長多重光源、波長多重光受信器および波長フィルターの製造方法に関するものであり、光通信システムに用いる光送受信装置に適用することができる。 The present invention relates to a wavelength filter, a wavelength multiplexing light source, a wavelength multiplexing optical receiver, and a method for manufacturing a wavelength filter, and can be applied to optical transmitters and receivers used in optical communication systems.
13 波長フィルター
131 第1の物質
132 第2の物資
13 Wavelength filter 131 First substance 132 Second substance
Claims (8)
第1の物質と、
前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資と
を備え、
前記第1の物質が、前記第2の物質内に不規則な形状で連なる、複数の集合体を備え、
前記複数の集合体のうち一部の集合体は、前記単一の導波路と前記複数の導波路それぞれとの間で連なって配置され、
前記複数の集合体のうち他の一部の集合体は、前記一部の集合体に連なることなく、前記一部の集合体の周囲に配置され、
前記入力する光が前記複数の集合体によって多重散乱し、干渉し、出力する、波長フィルター。 A wavelength filter having a single waveguide connected to one end face and a plurality of waveguides connected to the other end face, in which light of a plurality of wavelengths is input to the plurality of waveguides for each wavelength, and light obtained by combining the light of the plurality of wavelengths is output from the single waveguide,
a first substance; and
a second material having a lower refractive index than the first material;
the first material comprises a plurality of irregularly shaped clusters interconnected within the second material;
some of the plurality of assemblies are arranged in series between the single waveguide and each of the plurality of waveguides;
another part of the plurality of assemblies is not connected to the part of the assemblies but is arranged around the part of the assemblies,
A wavelength filter in which the input light is multiply scattered by the plurality of aggregates, interferes, and is output.
第1の物質と、
前記第1の物質より屈折率が低い第2の物資と
を備え、
前記第1の物質が、前記第2の物質内に不規則な形状で連なる、複数の集合体を備え、
前記複数の集合体のうち一部の集合体は、前記単一の導波路と前記複数の導波路それぞれとの間で連なって配置され、
前記複数の集合体のうち他の一部の集合体は、前記一部の集合体に連なることなく、前記一部の集合体の周囲に配置され、
前記入力する光が前記複数の集合体によって多重散乱し、干渉し、出力する、波長フィルター。 A wavelength filter having a single waveguide connected to one end face and a plurality of waveguides connected to the other end face, wherein light obtained by combining light of a plurality of wavelengths is input to the single waveguide and light of the plurality of wavelengths is output from the plurality of waveguides for each wavelength,
a first substance; and
a second material having a lower refractive index than the first material;
the first material comprises a plurality of irregularly shaped clusters interconnected within the second material;
some of the plurality of assemblies are arranged in series between the single waveguide and each of the plurality of waveguides;
another part of the plurality of assemblies is not connected to the part of the assemblies but is arranged around the part of the assemblies,
A wavelength filter in which the input light is multiply scattered by the plurality of aggregates, interferes, and is output.
前記複数の高反射ミラーそれぞれと光接続する複数の利得導波路と、
前記複数の利得導波路と光接続する、請求項1に記載の波長フィルターと、
前記波長フィルターと光接続する、複数の低反射ミラーとを
備え、
前記複数の利得導波路それぞれが、異なる波長の光を発光し、
前記発光する光が前記高反射ミラーと前記低反射ミラーとの間で共振し、
前記波長フィルターが、波長合波器であって、前記共振する異なる波長の光を合波して出力する、波長多重光源。 In turn, a plurality of highly reflective mirrors;
a plurality of gain waveguides optically connected to the plurality of high-reflection mirrors, respectively;
a wavelength filter according to claim 1 optically connected to the plurality of gain waveguides;
a plurality of low-reflection mirrors optically connected to the wavelength filter;
each of the plurality of gain waveguides emitting light of a different wavelength;
the emitted light resonates between the high-reflection mirror and the low-reflection mirror,
A wavelength multiplexing light source, wherein the wavelength filter is a wavelength multiplexer that multiplexes and outputs the resonating light of different wavelengths.
に記載の波長多重光源。 4. The optical modulator according to claim 3, further comprising: an optical modulator between the gain waveguide and the wavelength filter.
The wavelength multiplexed light source according to claim 1.
前記複数の高反射ミラーそれぞれと光接続する複数の利得導波路と、
前記複数の利得導波路それぞれと光接続する複数の光変調器と、
前記複数の光変調器それぞれと光接続する、複数の低反射ミラーと
前記複数の低反射ミラーと光接続する、請求項1に記載の波長フィルターと
を備え、
前記複数の利得導波路それぞれが、異なる波長の光を発光し、
前記発光する光が前記高反射ミラーと前記低反射ミラーとの間で共振し、
前記波長フィルターが、波長合波器であって、前記共振する異なる波長の光を合波して出力する、波長多重光源。 In turn, a plurality of highly reflective mirrors;
a plurality of gain waveguides optically connected to the plurality of high-reflection mirrors, respectively;
a plurality of optical modulators optically connected to the plurality of gain waveguides, respectively;
a plurality of low-reflection mirrors optically connected to the plurality of optical modulators, respectively; and the wavelength filter according to claim 1 optically connected to the plurality of low-reflection mirrors,
each of the plurality of gain waveguides emitting light of a different wavelength;
the emitted light resonates between the high-reflection mirror and the low-reflection mirror,
A wavelength multiplexing light source, wherein the wavelength filter is a wavelength multiplexer that multiplexes and outputs the resonating light of different wavelengths.
請求項2に記載の波長フィルターと、
前記波長フィルターと光接続する、複数の光検出器と
を備え、
前記波長フィルターが、波長分波器であって、前記複数の波長の光に分波して、前記複数の光検出器それぞれに出力する、波長多重光受信器。 a wavelength division multiplexing optical receiver to which light obtained by multiplexing light of the plurality of wavelengths is input,
The wavelength filter according to claim 2;
a plurality of photodetectors in optical communication with the wavelength filters;
The wavelength multiplexing optical receiver, wherein the wavelength filter is a wavelength demultiplexer that demultiplexes the light into the plurality of wavelengths and outputs the demultiplexed light to each of the plurality of photodetectors.
前記波長フィルターに接続するモニタ用光導波路と、
前記モニタ用光導波路に接続するモニタ用光検出器と
を備え、
前記複数の波長の光が合波される光の一部が、前記モニタ用光導波路を介して、前記モニタ用光検出器に入力し、
前記モニタ用光検出器に入力する光の強度が最大になるように、前記マイクロヒーターにより前記波長フィルターを加熱して、前記波長フィルターの前記第1の物質と前記第2の物質の屈折率を変化させ、フィードバックする、請求項6に記載の波長多重光受信器。 a microheater that heats the wavelength filter;
a monitor optical waveguide connected to the wavelength filter;
a monitor photodetector connected to the monitor optical waveguide,
a part of the light obtained by combining the light beams of the plurality of wavelengths is input to the monitor photodetector via the monitor optical waveguide;
7. The wavelength division multiplexing optical receiver according to claim 6, wherein the wavelength filter is heated by the microheater to change the refractive indexes of the first material and the second material of the wavelength filter so that the intensity of the light input to the monitor photodetector is maximized, and the change is fed back.
前記第1の物質と、前記第2の物質と、前記トポロジーのサイズと、前記波長フィルターの入力光および出力光のスペクトルとを設定する工程と、
前記第1の物質と前記第2の物質とからなる、前記サイズを有する、前記トポロジーの構成に対して、前記設定されたブロード光が入力するときの出力光のスペクトルを計算する工程と、
前記計算により得られた出力光のスペクトルを、前記設定された出力光のスペクトルと比較する工程と、
前記計算により得られた出力光のスペクトルと、前記設定された出力光のスペクトルとが略一致するときの前記トポロジーに基づき、前記波長フィルターのトポロジーを形成する工程と
を備える、波長フィルターの製造方法。 A method for manufacturing a wavelength filter having a topology made of a first material and a second material having a refractive index lower than that of the first material, comprising:
setting the first material, the second material, the size of the topology, and the spectra of input light and output light of the wavelength filter;
calculating a spectrum of output light when the set broad light is input to the topology configuration that is made of the first material and the second material and has the size;
a step of comparing the spectrum of the output light obtained by the calculation with the spectrum of the set output light;
forming a topology of the wavelength filter based on the topology when the spectrum of the output light obtained by the calculation and the spectrum of the set output light approximately match.
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