(57)【要約】【課題】  透過率を高速に変更可能な光フィルタを実現する。【解決手段】  光導波路（１８）は、サブバンド間遷移によりＴＭ波を吸収しＴＥ波に相互位相変調を起こす量子井戸サブバンド間遷移光導波路構造からなる。光導波路（１８）の入射側と出射側に反射膜（２０，２２）を設け、ファブリペロー共振器を構成する。偏光合波器（２４）は、ＴＥ波の信号光（２８）とＴＭ波の制御光（３０）を合波し、合波光を反射手段（２０）を介して光導波路（１８）に入射する。出射側の偏光ビームスプリッタ（２６）は、光導波路（１８）の出射光から、信号光（３２）と制御光（３４）を分離する。【選択図】  図１
2010211099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間遷移によりＴＭ波を吸収しＴＥ波に相互位相変調を起こす光導波路と、
当該光導波路にＴＥ波の信号光とＴＭ波の制御光を入射する手段と、
当該光導波路の入射端と出射端にそれぞれ配置され、ファブリペロー共振器を構成する２つの反射手段
とを具備し、当該信号光に対する光透過率を当該制御光により制御可能であることを特徴とする光フィルタ。
【請求項２】
更に、当該光導波路の出力光から、当該信号光の成分を抽出する手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。
【請求項３】
更に、当該光導波路の出力光から、当該制御光の成分を除去する手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。
【請求項４】
当該制御光の波長が、当該２つの反射手段の内の、当該信号光が入射する側に位置する反射手段の反射帯域の外に位置することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光フィルタに関し、より具体的には、透過特性を光制御可能な光フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバの両端に高反射率の誘電体多層膜をコーティングした光ファブリーペロー型光フィルタが実現されている。ファブリペローを利用するので、この光フィルタの透過特性は波長に関して周期的となり、温度又は機械的変形による屈折率変化を通して、透過特性を波長方向にシフトさせることが可能である。波長特性をチューニングする方法として、温度制御法や、ピエゾ素子を用いた機械的方法が提案されているが、これらの波長可変速度はｋＨｚのオーダーである（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】"Pigtailed high-finesse tunable fiber Fabry-Perot interferrometers with large, medium and small free spectral ranges," J. Stone and L.W. Stulz, Electron. Lett. vol. 23, no. 15, page 781-783, (1987).
【非特許文献２】"Cross-phase-modulation-based wavelength conversion using intersubband transition in InGaAs / AlAs / AlAsSb coupled quantum wells," H. Tsuchida, T. Simoyama, H. Ishikawa, T. Mozume, and M. Nagase," Opt. Lett. vol. 32, no. 7, Page. 751-753, (2007).
【非特許文献３】"High-speed all-optical modulation using an InGaAs/AlAsSb quantum well waveguide," K. S. Abedin, G.-W. Lu, T. Miyazaki, R. Akimoto, and H. Ishikawa, Opt. Exp. vol. 16. No. 13, Page 9684-9690 (2008).
【非特許文献４】"Ultrafast all-optical signal processing devices," Ishikawa Hiroshi Editor, publisher, Jone Wiley, UK, 2008.
【非特許文献５】"Mechanism of ultrafast modulation of refractive index of photoexcited InGaAs/AlAs/AlAsSb quantum wells", G.W. Cong et al., Phy. Rev. B.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光通信、光計測及びイメージングなどの多くの分野で、ＧＨｚオーダーのように高速に光透過特性を変更可能な光フィルタが望まれている。
【０００５】
ファブリペロ共振器自体は、光ファイバや、シリコン又はＬＮ（リチウムニオブ酸ナトリウム）の結晶等からなる平面光導波路の端面に反射膜をつけることによって製造でき、この共振特性を外部制御することで、光透過特性を変更可能な光フィルタをできる。
【０００６】
しかし、従来のものは、高速応答性を得られなかった。例えば、光ファイバを用いるものの場合、ピエゾまたは熱によって共振波長をシフトさせることができるが、応答速度が極めて遅い。また、光ファイバ材料の光非線形性を用いて光学（ａｌｌ-ｏｐｔｉｃａｌ）的に共振波長を変更する場合、十分におおきなｇＬＰが必要になり、そのため、光ファイバ長が大きくなり、ＦＳＲが小さくなってしまう。
【０００７】
ＬＮ（リチウムニオブ酸ナトリウム）の単結晶を用いる場合、電気光学効果を用いて、共振波長をチューニングできる。しかし、光導波路長が数ミリである場合には、大きな電圧が（〜１００Ｖ）が必要になり、使いにくく、かつ、高速応答が得られなかった。
【０００８】
シリコンの場合、ｐ−ｎジャンクション構造による電流によって屈折率が変化するので、これにより共振波長をチューニングできる。高速応答を得ることができない。
【０００９】
一方、アクティブな光導波路例えば、半導体光増幅器（ＳＯＡ）の入射端面と出射端面の反射膜を付加して反射率を高める構成では、信号光の吸収があるので、電流注入が不可避である。しかるに、端面反射率を高めていることから、レーザ発振しやすくなり、電流を微細に調整する必要がある。入射光強度によっては、光入射によりレーザ発振してしまう可能性もある。光制御の場合には、パターン効果や利得回復時間なども考慮しないと、満足のいく結果を得るのは難しく、この点でも数ＧＨｚオーダー以上の高速動作は困難である。
【００１０】
本発明は、従来よりも格段に高速に光透過特性を光制御可能な光フィルタを提示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る光フィルタは、サブバンド間遷移によりＴＭ波を吸収しＴＥ波に相互位相変調を起こす光導波路と、当該光導波路にＴＥ波の信号光とＴＭ波の制御光を入射する手段と、当該光導波路の入射端と出射端にそれぞれ配置され、ファブリペロー共振器を構成する２つの反射手段とを具備し、当該信号光に対する光透過率を当該制御光により制御可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、全光学的な手法で透過率又は透過特性を波長方向に高速に変更可能な光フィルタを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例の斜視図を示す。
【図２】本実施例の平面図を示す。
【図３】図１に示す実施例の厚み方向（ｘ軸方向）の屈折率分布を示す。
【図４】本実施例の透過特性の制御光による変化例を示す。
【図５】本実施例の透過特性の制御光による変化例を示す。
【図６】本実施例の透過特性の制御光による変化例を示す。
【図７】本実施例の透過特性の制御光による変化例を示す。
【図８】反射膜の反射率に対する最大光透過率の変化を示す。
【図９】反射率（Ｒ）×光導波路の透過率（Ａ）に対する消光比Ｔｍａｘ／Ｔｍｉｎの変化例を示す。
【図１０】信号光波長λｓ、制御光波長λｃ、反射膜の反射帯域の関係例を示す。
【図１１】信号光波長λｓ、制御光波長λｃ、反射膜の反射帯域の関係例を示す。
【図１２】信号光波長λｓ、制御光波長λｃ、反射膜の反射帯域の関係例を示す。
【図１３】信号光波長λｓ、制御光波長λｃ、反射膜の反射帯域の関係例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の一実施例の斜視図を示し、図２は平面図を示す。図３は、図１に示す実施例の厚み方向（ｘ軸方向）の屈折率分布を示す。図１乃至図３では、厚み方向をｘ軸とし、信号光の伝播方向をｚ軸としている。
【００１６】
本実施例の光フィルタ１０は、基板１１上に、光導波路１８を構成する下部クラッディング層１２、コア層１４及び上部クラッディング層１６を積層する。そして、面方向に平行な横幅方向で両側を基板１１に至るまで切除した直線状のリッジ(ridge)あるいはメサ(messa)型光導波路１８を形成する。リッジ(ridge)あるいはメサ(messa)型光導波路１８は特に、量子井戸サブバンド間遷移光導波路構造からなる。
【００１７】
例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸構造の場合で、基板１１はＩｎP結晶からなり、下部クラッディング層１２は主にＩｎＰからなり、コア層１４は、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＡｌＡｓＳｂの結合量子井戸構造からなり、上部クラッディング層１６はＩｎＡｌＡｓからなる。他には、ＩｎＰと同様の格子を持ち、屈折率が自由に制御できるＩｎＧａＡｓＰをＩｎＰ基板上に成長させ、下部クラッディング層１２を作ることが可能である。同様に上部クラッディング層１６もＩｎＧａＡｓＰで生成することができる。
【００１８】
本実施例では、光導波路１８の入射端面及び出射端面の反射率Ｒ１，Ｒ２を上げたい場合又は互いに異ならせたい場合に、光導波路１８の入射側に反射膜２０を設け、出射側にも反射膜２２を設ける。信号光（ＴＥ波）に対する反射膜２０、２２による反射率Ｒ１，Ｒ２は同じである必要は無い。反射膜２０、２２で光導波路１８の端面の反射率Ｒ１，Ｒ２を上げるほど、本実施例の光フィルタ１０は、共振特性の顕著なファブリペロー共振器となるが、入射効率及び出射効率が低下する。ファブリペロー共振により、波長に対して周期的な伝達特性又は光透過特性が得られる。その周期及び透過率の最大値・最小値は、ファブリペロー共振器で周知なように、光導波路１８の入射端面及び出射端面の反射率Ｒ１，Ｒ２、並びに、光導波路１８の伝播距離、実効屈折率（又は伝播定数）及び損失（α）に依存する。
【００１９】
量子井戸サブバンド間遷移導菠路は、ＴＥ波はそのまま透過するが、ＴＭ波を吸収することが知られている（非特許文献６）。また、ＴＥ偏波を持つ光（ＴＥ波）とそれと直交する偏波を持つＴＭ波を同時に入射すると、ＴＭ波の光強度によってＴＥ波の位相が変調されることが知られている（非特許文献２〜５）。しかも、通常のバンド間遷移による相互位相変調（ＸＰＭ：Ｃｒｏｓｓ  Ｐｈａｓｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）に比べ、サブバンド間遷移（ＩＳＢＴ：InterSubBand Transition）に基づく相互位相変調は極めて高速であり、キャリア緩和時間はピコ秒以下である。信号光をＴＥ波とし、ＴＭ波を制御光とすることで、信号光を減衰させることなしに、サブバンド間遷移に基づき信号光の位相を制御できる。また、制御光の吸収によりコア層の屈折率が変化し、これも、ファブリペロー共振器の共振特性を波長方向でシフトさせる。
【００２０】
本実施例では、これらの作用を利用し、制御光により信号光に対するファブリペロー共振器の共振特性を高速にチューニングすることを可能にする。すなわち、制御光の光強度により信号光の透過率を数ＧＨｚオーダーの高速で制御することを実現する。
【００２１】
本実施例では、信号光（波長λｓ）は、ＴＥ波で光導波路１８に入射され、光フィルタ１０の伝播特性を制御する制御光（波長λｃ）が、ＴＭ波で光導波路１８に入射される。信号光の波長λｓと制御光の波長λｃは等しくても、異なっても良い。光フィルタ１０の入射側には、信号光と制御光を合波する偏光合波器２４を配置し、光フィルタ１０の出射側には、信号光と制御光を分離する偏光ビームスプリッタ２６を配置する。すなわち、偏光合波器２４は、信号光（ＴＥ波）２８と制御光（ＴＭ波）３０を合波し、その合波光を反射膜２０を介して光導波路１８（のコア層１４）に入射する。偏光ビームスプリッタ２６は、光導波路１８（のコア層１４）から出射される光を、信号光（ＴＥ波）３２と制御光（ＴＭ波）３４に分離する。制御光３４を分離する必要が無ければ、偏光ビームスプリッタ２６は不要になる。
【００２２】
信号光（ＴＥ波）２８の波長λｓと制御光（ＴＭ波）３０の波長λｃが異なる場合には、偏光ビームスプリッタ２６の代わりに、信号光波長λｓとを透過し、制御光波長λｃを減衰する光減衰器を使うことが出来る。また、光導波路１８の伝播により制御光が十分に減衰する場合には、偏光ビームスプリッタ２６又は光減衰器のような、信号光３２を抽出する、又は制御光を除去する光学素子は不要になる。
【００２３】
図２に明瞭に図示されるように、本実施例では、光導波路１８の入射側及び出射側での光結合効率を改善するために、横幅をテーパ部１８ａ，１８ｂを設けている。勿論、このようなテーパ部１８ａ，１８ｂを設けなくても、即ち、光導波路を入射側から出射側まで一定横幅のものとしても、ＴＭ波によるチューニングの可能な後述する光フィルタ特性を実現することは可能である。
【００２４】
光導波路１８の入射端面及び出射端面の反射率をそれぞれＲ１，Ｒ２をした場合、光フィルタ１０の透過率Ｔは、出射信号光の光強度ＩＯＵＴと入射信号光の光強度ＩＩＮの比で定義され、
【数１】
2010211099.tif 000003
となる。ここで、光導波路１８のコア層１４の屈折率、αは光導波路１８の減衰率、Ａは光導波路１８の透過率ｅｘｐ（−αL）である。また、δは、往復の位相シフト量であり、４πｎＬ／λで与えられる。
【００２５】
また、光導菠路１８のフィネス（finesse）は、
【数２】
2010211099.tif 000004
で与えられる。光フィルタ１０の最大透過率Ｔｍａｘは、
【数３】
2010211099.tif 000005
で与えられ、最大透過率Ｔｍａｘと最小透過率Ｔｍｉｎの比は、
【数４】
2010211099.tif 000006
で与えられる。
【００２６】
例えば、光導波路１８の長さＬを３０μｍ、反射膜２０，２２の反射率Ｒ１，Ｒ２を共に０．９９、屈折率ｎを３．５、光導波路の損失Ａを０．９とした場合、光フィルタ１０のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ）は１．４ＴＨｚ（＝１１ｎｍ）、消光率は２５ｄＢが得られる。
【００２７】
図４乃至図７は、光フィルタ１０の透過特性の制御光による変化例を示す。横軸は、波長を示し、縦軸は透過率を示す。実線で示す特性と破線で示す特性との間では、制御光（ＴＭ波）の光強度が異なり、制御光の光強度を変更することで、透過特性を長波長方向にシフトすることができる。破線で示す特性は、実線で示す特性に対して一往復の位相シフト量（δ）をπ／２に設定したときの特性を示す。
【００２８】
図４は、光導波路１８の入射端面及び出射端面の反射率Ｒ１，Ｒ２を３０％、光導波路１８の透過率Ａ（＝ｅｘｐ（−αＬ））を０．８、コア層１４の屈折率ｎを３．３７８、光導波路１８の伝播距離Ｌを２５０μｍとした場合の例を示す。コア層１４の屈折率ｎを３．３７８の場合で、光導波路１８の入射端面および出射端面にことさらに反射膜を付加せずに、フレネル反射のみとしたときには、光導波路１８の端面の反射率３０％程度になる。すなわち、図４に示す例は、反射膜２０，２２で反射率を上げない場合の透過特性を示す。
【００２９】
図５は、反射膜２０，２２の反射率を８５％、光導波路１８の透過率Ａ（＝ｅｘｐ（−αＬ））を０．９５、コア層１４の屈折率を３．３７８、光導波路１８の伝播距離Ｌを２５０μｍとした場合の例を示す。図４に示す例に対して、反射膜２０，２２の反射率を上げつつ、光導波路１８の透過率Ａも上げている。
【００３０】
図６は、反射膜２０，２２の反射率を８５％、光導波路１８の透過率Ａ（＝ｅｘｐ（−αＬ））を０．９５、コア層１４の屈折率を３．３７８、光導波路１８の伝播距離Ｌを５０μｍとした場合の例を示す。図５に示す例に対して、伝播距離Ｌを短くしている。
【００３１】
図７は、反射膜２０，２２の反射率を６０％、光導波路１８の透過率Ａ（＝ｅｘｐ（−αＬ））を０．９５、コア層１４の屈折率を３．３７８、光導波路１８の伝播距離Ｌを５０μｍとした場合の例を示す。図６に示す例に対して、反射膜２０，２２の反射率を下げている。図６に比べて、光透過率のピーク値とボトム値があがり、谷部の湾曲が緩やかになる。
【００３２】
図８は、反射膜２０，２２の反射率に対する最大光透過率の変化を示す。横軸は、片面当たりの反射率を示し、縦軸は最大透過率Ｔｍａｘを示す。片道の損失が０．０５ｄＢ（Ａ＝０．９８８）、０．１ｄＢ（Ａ＝０．９７７）、０．２ｄＢ（Ａ＝０．９５５）及び０．５ｄＢ（Ａ＝０．８９）について、図示した。損失が少ないほど、光フィルタ１０の最大透過率が高くなることが分かる。また、反射率が高くなるほど、最大透過率が小さくなるが、これは、反射膜２０，２２の反射率が高くなると、共振器内で信号光が往復する回数が多くなり、総合吸収が高くなるからである。制御光がゼロの状態で、信号光の波長に対して、ファブリペローフィルタの透過中心波長を合わせるか、または仕様に応じて特定のデチューニングを持たせることは、光導波路１８の温度を制御することによって容易に実現できる。
【００３３】
図９は、数４において、反射率Ｒ１，Ｒ２を互いに等しいとしたときの、反射率（Ｒ）×透過率（Ａ）に対する消光比Ｔｍａｘ／Ｔｍｉｎの変化を示す。横軸は、Ｒ×Ａを示し、縦軸は消光比Ｔｍａｘ／Ｔｍｉｎを示す。Ｒ１とＲ２が等しくない場合、横軸は（Ｒ１Ｒ２）１／２×Aを示す。
【００３４】
先に説明したように、ＴＥ波の信号光とＴＭ波の制御光を光フィルタ１０の光導波路１８に同時に入射すると、制御光のサブバンド間遷移による相互位相変調により、ファブリペロー共振器の共振特性が変化する。ファブリーペロー共振器内を信号光が往復した場合の、制御光による相互位相変調量をφとすると、透過率τは、
【数５】
2010211099.tif 000007
で与えられる。相互位相変調量φ自体は、光導菠路１８の変調効率、制御光の光強度、および制御光がパルスの場合の光パルス幅等によって決定される。
【００３５】
光フィルタ１０の透過波長を制御するには、制御光（波長λｃ）の光導波路１８への入射端面の反射率が小さいことが望ましい。また、高フィネスを得るには、信号光に対して反射率を高くする必要である。
【００３６】
光導波路１８の透過率Ａは零ではないので、図８に示すように、反射率が大きくなればなるほど、最大透過率Ｔｍａｘの値は、小さくなっていく。そこで、信号波長λｓにおける反射率が必要に応じて最適になるように設計すればよい。
【００３７】
図１０〜図１３は、信号光波長λｓ、制御光波長λｃ、反射膜２０の反射帯域との関係を示す。何れの図も、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示す。図１０は、信号光波長λｓが反射膜２０，２２の反射帯域内にあり、制御光は長λｃが、反射膜２０，２２の反射帯域の外の長波長側に位置する場合である。図１１は、信号光波長λｓが反射膜２０，２２の反射帯域内にあり、制御光は長λｃが、反射膜２０，２２の反射帯域の外の短波長側に位置する場合である。図１０及び図１１に示す例では、制御光を効率よく光り導波路１８に入れることが可能になり、比較的小さいパワーの制御光で光フィルタ１０の透過特性を効率的にチューニングできる。
【００３８】
図１２は、信号光波長λｓと制御光波長λｃのいずれも反射膜２０の反射帯域内にあるが、信号光波長λｓと制御光波長λｃがわずかに異なる場合である。この場合には、制御光が光導波路１８に入りやすくなるように、少なくとも入射側の反射膜２０の反射率を、図１２に示すように５０〜６０％と低くする。
【００３９】
図１３は、信号光波長λｓと制御光波長λｃのいずれも反射膜２０，２２の反射帯域内にあるが、信号光波長λｓと制御光波長λｃが等しい場合である。この例では、信号光と制御光を同じ光源の出力光から生成でき、用途によってはコストを低減できる。図１２に示す例と同様に、制御光が光導波路１８に入りやすくなるように、少なくとも入射側の反射膜２０の反射率を５０〜６０％と低くする。
【００４０】
ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合量子井戸構造を有する光導波路を使ってファブリペロー共振器を構成したが、相互位相変調が可能な他の量子井戸構造の光導波路を使ってファブリペロー共振器を構成しても、同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
本実施例では、信号光（ＴＥ波）に対する光導波路１８の損失が少なく、電流供給が必要とされない。また、制御光（ＴＭ波）の吸収によるＸＰＭは、短い長さ（数十ミクロン程度）で可能であることから、非常に短い素子（すなわち高いＦＳＲ）でも透過特性をチューニング可能である。非常に広い波長帯域（３００ｎｍ以上）（文献３）でもＸＰＭが可能であることもおおきなメリットである。
【００４２】
サブバンド間遷移では、ＸＰＭはピコ秒オーダーの極めて早い速度で生じるので、数百ＧＨｚオーダーでのチューニングを実現できる。ＩＳＢＴ導波路では、ＸＰＭ量Δは、
Δ＝ηＰ（ｔ）
で表される。Ｐ（ｔ）は制御光のパワー瞬時値であり、ηは変調効率である（非特許文献３）。これから分かるように、波長チューニング量は、制御光の強度に線形的に比例するので、制御上便利である。
【００４３】
光フィルタ１０を使うことで、波長変換器、光スイッチ及び光演算装置等を実現できる。例えば、信号光を連続光（ＣＷ）とし、制御光をパルス光とした場合、制御光の搬送するパルスを信号光波長に変換する波長変換器として機能させることができる。また、信号光と制御光とが共にパルス光の場合、両パルスを光演算する光演算装置、又は、制御光により信号光をゲートする光スイッチを実現できる。なお、制御光がパルス光であるときには、チューニングの効果をあげるため、制御光のパルス幅をファブリペロー共振器の一往復時間に比べ、十分大きくする必要がある。
【００４４】
光導波路１８中の制御光による信号光の位相変調はピコ秒の極めて速い応答時間を持つことと、光導波路１８の長さがわずか数百μｍであることから、得られるファブリペローフィルタはＧＨｚオーダー以上の繰り返し速度で制御が可能となる。
【００４５】
特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１０：光フィルタ
１１：基板
１２：下部クラッディング層
１４：コア層
１６：上部クラッディング層
１８：光導波路
１８ａ，１８ｂ：テーパー部
２０，２２：反射膜
２４：偏光合波器
２６：偏光ビームスプリッタ
２８：入力信号光（ＴＥ波）
３０：制御光（ＴＭ波）
３２：出力信号光（ＴＥ波）
３４：制御光（ＴＭ波）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010211099.tif 000018
【図１２】
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【図１３】
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