JP6434864B2

JP6434864B2 - 光波長可変フィルタ

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Publication number: JP6434864B2
Application number: JP2015129316A
Authority: JP
Inventors: 真地蔵堂; 亀井　新; 新亀井; 清史菊池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2018-12-05
Anticipated expiration: 2035-06-26
Also published as: JP2017015788A

Description

本発明は、光波長可変フィルタに関し、より詳細には、シリコン導波路で形成された平面型の光波長フィルタ回路であり、１つの入力と１つの出力を有し、特定の波長域の光波のみを透過し、またその波長および透過帯域を変化させることができる光波長可変フィルタに関する。

近年の大容量通信を支える光波長分割多重伝送システムにおいて、光波長フィルタは重要な構成部品の１つである。光波長フィルタは、１入力と１出力とを有し、特定の波長の光波のみを透過し、他の波長の光波を阻止する機能を有する。特に、透過する波長を可変とした光波長フィルタは、光波長可変フィルタと称され、将来の柔軟な光伝送ネットワークの構築のために重要な部品である。

また、シリコン導波路による光導波回路技術は、従来の石英などの材料と比較して、回路規模を飛躍的に小さくできる利点を有し、研究開発が盛んにおこなわれている。シリコン導波回路において、光波長可変フィルタを構成する手法がいくつか提案されている。例えば、リング導波路を用いたリング共振器が挙げられる。シリコン導波路は、数ミクロンの小さい半径で曲げることができるため、リング共振器を構成した場合に、実用的な透過波長幅と自由スペクトル領域（Free Spectral Range：ＦＳＲ）を実現することができる（例えば、非特許文献１参照）。

図１に、従来のマイクロリング共振器の構成と透過スペクトルとを示す。図１（ａ）に示したマイクロリング共振器は、入力導波路９１０１と出力導波路９１０３とに光学的に接続された、真円の環状のマイクロリング導波路９１０２を有する。入力導波路９１０１とマイクロリング導波路９１０２、マイクロリング導波路９１０２と出力導波路９１０３とを、それぞれ所定の間隔で近接して配置することにより、光結合を生じさせる。マイクロリング導波路９１０２上には、ヒータ９１０４が形成されている。入力導波路９１０１の一方の端部（図の左側）より光を入力したとき、入力導波路９１０１の他方の端部（図の右側）から出力する経路をスルー、出力導波路９１０３の一方の端部（図の左側）より出力する経路をドロップと称する。

マイクロリング共振器の透過波長特性を決める構造パラメータは、入力導波路９１０１とマイクロリング導波路９１０２との間の結合率κ₁、マイクロリング導波路９１０２と出力導波路９１０３との間の結合率κ₂、およびマイクロリング導波路の周長Ｌ_Rまたはマイクロリング導波路半径Ｒである。ここで、シリコンで構成された各導波路９１０１、９１０２、９１０３の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている。入力導波路９１０１とマイクロリング導波路９１０２との間のギャップは０．２μｍで結合率κ₁＝０．０１、マイクロリング導波路９１０２と出力導波路９１０３との間のギャップは０．２μｍで結合率κ₂＝０．０１である。また、マイクロリング導波路９１０２の半径はＲ＝５μｍである。

図１（ｂ）に、スルーの透過スペクトルの計算結果を示す。図に示すように、マイクロリング導波路の周長Ｌ_Rに応じた共振波長の光が透過し、その他の波長の光は阻止される。光の透過帯域は、κ₁、κ₂の値により調整することができる。また、透過波長を可変するためには、ヒータ９１０４に電力を印加し、その下にあるマイクロリング導波路９１０２の一部を加熱する。これにより、シリコン導波路の実効屈折率を増大させ、マイクロリング導波路を周回する光の実効的な光路長を変化させる。

図２に、従来のレーストラック型マイクロリング共振器の構成と透過スペクトルとを示す。図２（ａ）に示したマイクロリング共振器は、入力導波路９１０５と出力導波路９１０７とに光学的に接続された、レーストラック形状の環状のマイクロリング導波路９１０６を有する。マイクロリング導波路９１０６上には、ヒータ９１０８が形成されている。入力導波路９１０５の一方の端部（図の左側）より光を入力したとき、入力導波路９１０５の他方の端部（図の右側）から出力する経路をスルー、出力導波路９１０７の一方の端部（図の左側）より出力する経路をドロップと称する。

図１に示したように、真円のマイクロリング導波路を用いる場合、比較的大きな結合率を得るためには、結合部の導波路間のギャップを小さくする必要がある。このギャップは、シリコン導波路の加工限界によって制限されるため、結合率の大きさもこの加工限界によって制限を受ける。図２に示したレーストラック形状の環状のマイクロリング導波路を用いる場合には、より大きな結合率を得るためには、結合部のギャップを小さくするだけでなく、結合部の長さをより長くすることによっても実現できる。従って、シリコン導波路の加工限界の制限を受けずに、より自由に結合率を設定することができる。

ここで、シリコンで構成された各導波路の９１０５、９１０６、９１０７の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている．入力導波路９１０５とマイクロリング導波路９１０６との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは６μｍで結合率κ₁＝０．１、マイクロリング導波路９１０６と出力導波路９１０７との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは６μｍで結合率κ₂＝０．１である。また、レーストラック形状の環状のマイクロリング導波路９１０６の曲線部分の曲げ半径Ｒ＝１０μｍである。

図２（ｂ）に、スルーの透過スペクトルの計算結果を示す。光の透過帯域は、κ₁、κ₂の値により調整することができ、透過波長を可変するためには、ヒータ９１０８に電力を印加し、その下にあるマイクロリング導波路９１０６の一部を加熱する。これにより、シリコン導波路の実効屈折率を増大させ、マイクロリング導波路を周回する光の実効的な光路長を変化させる。

図３に、従来のレーストラック型ダブルマイクロリング共振器の構成と透過スペクトルとを示す。図３（ａ）に示したマイクロリング共振器は、入力導波路９２０１に光学的に接続されたレーストラック形状の環状のマイクロリング導波路９２０２と、出力導波路９２０４とに光学的に接続されたレーストラック形状の環状のマイクロリング導波路９２０３とが光学的に接続されて、ダブルマイクロリング共振器を構成している。マイクロリング導波路９２０２上にはヒータ９２０５、マイクロリング導波路９２０３上にはヒータ９２０６が形成されている。入力導波路９２０１の一方の端部（図の左側）より光を入力したとき、入力導波路９２０１の他方の端部（図の右側）から出力する経路をスルー、出力導波路９２０４の他方の端部（図の右側）より出力する経路をドロップと称する。

ここで、シリコンで構成された各導波路の９２０１、９２０２、９２０３、９２０４の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている。入力導波路９２０１とマイクロリング導波路９２０２との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは６μｍで結合率κ₁＝０．１、マイクロリング導波路９２０２とマイクロリング導波路９２０３との間の結合部のギャップは０．３５μｍ、長さは６μｍで結合率κ₂＝０．０２、マイクロリング導波路９２０３と出力導波路９２０４との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは６μｍで結合率κ₃＝０．１である。また、マイクロリング導波路９２０２、９２０３の曲線部分の曲げ半径はＲ＝１０μｍである。

図３（ｂ）に、スルーの透過スペクトルの計算結果を示す。光の透過帯域は、κ₁、κ₂、κ₃の値により調整することができ、透過波長を可変するためには、ヒータ９２０５，９２０６に電力を印加し、その下にあるマイクロリング導波路９１０２，９２０３の一部を加熱する。これにより、シリコン導波路の実効屈折率を増大させ、マイクロリング導波路を周回する光の実効的な光路長を変化させる。

また、図２（ｂ）と図３（ｂ）とを比較すると分かるように、マイクロリング共振器を２重化することにより、透過帯域の形状をより矩形に近づけることができる。さらに、マイクロリング共振器を多重化することにより透過波長特性を改善することができる（例えば、非特許文献２参照）。

なお、上述した従来のマイクロリング共振器の計算手法については、非特許文献３に詳しい。

Wim Bogaerts et al. "Silicon microring resonators", LASER&PHOTONICS REVIEWS, vol. 6, pp. 47-73, (2012) Jun Rong Ong et al., "Ultra-High-Contrast and Tunable-Bandwidth Filter Using Cascaded High-Order Silicon Microring Filters", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol. 25, pp. 1543-1546, (2013) Joyce K. S. Poon et al., "Designing coupled-resonator optical waveguide delay lines," J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 21, No. 9, pp. 1665-1673 (2004) Biswajeet Guha et al., "Minimizing temperature sensitivity of silicon Mach-Zehnder interferometers," OPTICS EXPRESS, Vol. 18, No. 3, pp. 1879-1887 (2010)

上述したマイクロリング共振器による光波長可変フィルタには以下のような問題があった。

第１に、透過波長を可変することはできるが、透過帯域幅を任意に可変することができない。より柔軟な光波長多重伝送システムを構築するためには、各波長の光に、異なる伝送容量の信号を付与することが考えられる。このとき、光信号の占有する帯域幅は波長ごとに異なるので、光波長可変フィルタは、透過帯域幅が可変できることが望ましい。

第２に、光波長可変フィルタの透過波長を所望の波長に合わせるために、シリコン導波路の温度を精度よく合わせて保持する必要がある。このためには、精度の高い電流制御が必要であり、部品コストが嵩むとともに、印加電流と波長との関係を事前に評価し、これを制御に組込む必要があり、検査や調整のコストも高いという問題がある。

第３に、マイクロリング共振器は、マイクロリング導波路内を光が何度も周回することから、原理的に透過波長における波長分散が大きくなる。これは透過する光信号の品質を劣化させ、その伝送距離に制限が生じる。

本発明の目的は、透過波長と同時に透過帯域幅を可変することができ、これらの制御が簡便な光波長可変フィルタを提供することにある。加えて、透過波長における波長分散の小さい光波長可変フィルタを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、シリコン導波路で形成された光波長フィルタであって、入力導波路と、前記入力導波路と光学的に接続された複数のマイクロリング導波路と、前記複数のマイクロリング導波路の各々に形成されたヒータと、前記複数のマイクロリング導波路の各々と光学的に接続された出力導波路を複数備え、各々のマイクロリング導波路によって構成される共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が等しく、各々のマイクロリング導波路によって構成される共振器の共振波長は、隣接する共振器との間隔が共振波長付近における阻止域の３ｄＢ帯域幅よりも狭く、前記入力導波路の一方の端部より光を入力したとき、他方の端部から出力される光の透過域は、前記複数のマイクロリング導波路のうち、１または複数のマイクロリング導波路に形成されたヒータに電力を印加することによって設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、マイクロリング導波路に形成されたヒータを制御することにより、透過波長と同時に透過帯域幅を、簡便に可変することができる。加えて、透過波長における波長分散の小さい光波長可変フィルタを提供することができる。また、高機能な光波長可変フィルタを提供することができ、光波長可変フィルタの製造時間、製造コストも削減することができる。さらに、本発明の光波長可変フィルタを適用すれば、より柔軟な光波長多重通信システムを構築することができる。

従来のマイクロリング共振器の構成と透過スペクトルとを示す図である。従来のレーストラック型マイクロリング共振器の構成と透過スペクトルとを示す図である。従来のレーストラック型ダブルマイクロリング共振器の構成と透過スペクトルとを示す図である。本発明の第１の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す図である。第１の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の共振波長を示す図である。第１の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の透過スペクトルを示す図である。第１の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す図である。第１の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。第１の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。第１の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す図である。第２の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の共振波長を示す図である。第２の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の透過スペクトルを示す図である。第２の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す図である。第２の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。第２の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。第２の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。本発明の第３の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す図である。第３の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の共振波長を示す図である。第３の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の透過スペクトルを示す図である。第３の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す図である。第３の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。第３の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。第３の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す図である。本発明の第４の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す図である。第４の実施形態のＭＺＩで構成された光波長可変フィルタの構成を示す図である。第４の実施形態のＭＺＩの透過スペクトルを示す図である。第４の実施形態の前段の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す図である。第４の実施形態の後段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第１の例を示す図である。第４の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第１の例を示す図である。第４の実施形態の後段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第２の例を示す図である。第４の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第２の例を示す図である。第４の実施形態の前段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第３の例を示す図である。第４の実施形態の後段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第３の例を示す図である。第４の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第３の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図４に、本発明の第１の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す。図４に示した光波長可変フィルタは、入力導波路１０１に、複数のレーストラック形状の環状のマイクロリング導波路１０２−１、１０２−２、…１０２−２４が光学的に接続され、各々のマイクロリング導波路に、出力導波路１０３−１、１０３−２、…１０３−２４がそれぞれ光学的に接続されている。各々のマイクロリング導波路１０２上には、ヒータ１０４ａ、１０４ｂが形成されている。入力導波路１０１の一方の端部（図の左側）より光を入力したとき、入力導波路１０１の他方の端部（図の右側）から出力する経路をスルー、出力導波路１０３−１、１０３−２、…１０３−２４の一方の端部（図の左側）より出力する経路をドロップと称する。

シリコンで構成された各導波路１０１、１０２、１０３の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている。入力導波路１０１とマイクロリング導波路１０２との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは４μｍで結合率κ₁＝０．０６、マイクロリング導波路１０２と出力導波路１０３との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは４μｍで結合率κ₂＝０．０６である。また、レーストラック形状の環状のマイクロリング導波路１０２の曲線部分の曲げ半径は、マイクロリング導波路１０２-１においてＲ＝１４．７３８μｍ、マイクロリング導波路１０２-２４においてＲ＝１４．７６９μｍであり、Ｒが０．００１μｍずつ増加するように設計されている。

図５に、第１の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の共振波長を示す。非特許文献３に記載された手法により計算した結果を示している。それぞれのマイクロリング共振器は、共振波長を複数有するが、これは互いに異なる次数の共振波長である。図５においては、波長１５４５ｎｍ付近の異なる次数の５つの共振ピーク（＊のプロットから◆のプロットまで）を示している。また隣接する次数の共振波長どうしの間隔が自由スペクトル領域（Free Spectral Range：ＦＳＲ）と定義され、本実施形態においては、約８００ＧＨｚ（約６．４ｎｍ）である。同じ次数では、各マイクロリング共振器の共振波長間隔は、約１６．７ＧＨｚ（約０．１３ｎｍ）である。

図６に、第１の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の透過スペクトルを示す。マイクロリング導波路１０２-１２により構成されるマイクロリング共振器を単独の共振回路とみなした場合の、スルーの透過スペクトルである。図５と同様に、非特許文献３に記載された手法により計算した結果を示している。スルーのスペクトル特性は、共振波長近辺の波長だけが阻止され、他の波長は透過する特性になっている。本実施形態のマイクロリング共振器の阻止域の３ｄＢ帯域幅は、約２５ＧＨｚである。また、共振波長近辺以外の波長は共振に寄与しないため、波長分散はほぼゼロである。

図７に、第１の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す。図７（ａ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトル、図７（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。非特許文献３の手法により、２４個のマイクロリング共振器のそれぞれのスルーの特性を計算し、これらを重ね合せた結果である。このとき、各マイクロリング導波路に形成されたヒータ１０４は、全て駆動していない（電力を印加していない）状態である。

入力導波路１０１の一方の端部（図の左側）から入力した光は、各マイクロリング共振器において、共振波長付近の光が出力導波路１０３へ分岐される。図５に示したように、各マイクロリング共振器の共振波長は、少しずつ異なるように設計されているので、入力導波路１０１の他方の端部（図の右側）から出力した結果は、図７（ａ）に示すように、ある波長範囲で光が阻止されるスペクトルとなる。本実施形態では、各マイクロリング共振器の共振波長間隔が約１６．７ＧＨｚで２４個並んでいるので、約４００ＧＨｚの阻止域が実現され、その阻止域がマイクロリング共振器のＦＳＲ（約８００ＧＨｚ）の周期で現れる。

各マイクロリング共振器の共振波長は、隣接するマイクロリング共振器との間隔が共振波長付近における阻止域の３ｄＢ帯域幅より狭くしておけば、光波長可変フィルタは、ＦＳＲの周期で現れる１つの阻止域の全ての波長範囲が阻止域となる。本実施形態ではこれら複数の阻止域の何れかを、光波長可変フィルタの動作波長範囲とすることができる。

図８に、第１の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す。非特許文献３の手法により計算した結果であり、マイクロリング導波路１０２-５からマイクロリング導波路１０２-１０のヒータ１０４を駆動し、それぞれの共振波長を１ｎｍシフトさせている。本実施形態の光波長可変フィルタの動作は、１つまたは複数の特定のマイクロリング共振器におけるヒータに電力を印加し、マイクロリング導波路（の一部）を加熱することによって行う。導波路の加熱により、導波路の屈折率を増加させ、マイクロリング共振器の共振波長を、長波方向にシフトさせる。

図８（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図８（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。図７（ｂ）と比較すると、ヒータを駆動していない時に、マイクロリング導波路１０２-５からマイクロリング導波路１０２-１０の６個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域には、共振波長が全く存在せず、透過域が形成されていることがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅は、およそ０．５ｎｍ（６３ＧＨｚ）である。

この例からわかるように、本実施形態の光波長可変フィルタは、透過域とさせたい光波長に共振波長を有するマイクロリング共振器のヒータを選択的に駆動し、共振波長をシフトさせることにより動作する。波長の可変性は、ヒータを駆動する共振器を変えることにより可能であり、さらに選択する共振器の数を変えることにより、透過帯域幅も自由に変えることができる。

図９に、第１の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態の他の例を示す。図８と同様に計算した結果であり、選択するマイクロリング共振器の数を変えることにより、透過帯域幅を変える例を示す。ここでは、マイクロリング導波路１０２-８からマイクロリング導波路１０２-１０の３個のヒータ１０４を駆動し、それぞれの共振波長を１ｎｍシフトさせている。

図９（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図９（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。ヒータを駆動していない時に、３個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域に、透過域が形成されている。この透過域の３ｄＢ帯域幅はおよそ０．２ｎｍ（２５ＧＨｚ）である。図８（ｂ）の結果と比較すると、選択するマイクロリング共振器の数を半分にすることにより、ほぼ同じ波長域で、フィルタの透過帯域幅を狭めることができる。

図１０に、第１の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態の他の例を示す。図８と同様に計算した結果であり、選択するマイクロリング共振器を変えるが、選択する数は変えないことにより、透過波長域を変える例を示す。ここでは、マイクロリング導波路１０２-１４からマイクロリング導波路１０２-１９の６個のヒータ１０４を駆動し、それぞれの共振波長を１ｎｍシフトさせている。

図１０（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図１０（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。ヒータを駆動していない時に、６個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域に、透過域が形成されている。この透過域の３ｄＢ帯域幅はおよそ０．５ｎｍ（６３ＧＨｚ）である。図８（ｂ）の結果と比較すると、選択するマイクロリング共振器を変えるが、選択する数を同じにすることにより、フィルタの透過帯域幅をほぼ同じに保ちながら、透過波長を変えることができる。

本実施形態の光波長可変フィルタの動作では、選択するマイクロリング共振器を変えることにより、自由に透過帯域幅を変えられる点が特徴である。特定のマイクロリング共振器の共振波長をシフトさせる際には、精密に波長を制御する必要がなく、ある波長以上のシフト量を与えればよい。これにより波長可変制御が簡単になり、また低コストの駆動回路系を使えるという利点もある。さらに、光波長可変フィルタの出力は、スルーを透過することに実現されるので、透過波長域における位相特性が大きく歪むことはなく、波長分散も低く抑制される利点を有する。

第１の実施形態により、透過波長と同時に透過帯域幅についても可変であり、波長の制御が簡便であり、また透過波長における波長分散の小さい、光波長可変フィルタを実現することができる。本実施形態においては、図６に示したように、各マイクロリング共振器の阻止域における３ｄＢ帯域幅は約２５ＧＨｚである。これに対して、マイクロリング共振器の共振波長を配列する間隔を約１６．７ＧＨｚとした。本来、この間隔は、阻止域の３ｄＢ帯域幅程度であれば、ヒータを駆動しない時に動作波長域全域で十分な阻止域が得られる。しかしながら、各マイクロリング共振器の共振波長は、通常、製造時の加工誤差等によって設計から誤差を有する。そこで、ある程度の誤差が生じても、動作波長域全域で十分な阻止特性が得られるように、１．５倍のマイクロリング共振器数を１／１．５の波長間隔で配列する。このような冗長構成により、製造誤差の影響を受けにくく、製造時の回路の歩留りを向上することができる。

［第２の実施形態］
図１１に、本発明の第２の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す。図１１に示した光波長可変フィルタは、入力導波路２０１に、複数のレーストラック形状の環状のマイクロリング導波路２０２−１、２０２−２、…２０２−３２が光学的に接続され、各々のマイクロリング導波路に、出力導波路２０３−１、２０３−２、…２０３−３２がそれぞれ光学的に接続されている。各々のマイクロリング導波路２０２上には、ヒータ２０４ａ、２０４ｂが形成されている。入力導波路２０１の一方の端部（図の左側）より光を入力したとき、入力導波路２０１の他方の端部（図の右側）から出力する経路をスルー、出力導波路２０３−１、２０３−２、…２０３−３２の一方の端部（図の左側）より出力する経路をドロップと称する。

第２の実施形態の回路構成は、第１の実施形態と同じであるが、各マイクロリング共振器の設計は下記のように異なっている。シリコンで構成された各導波路２０１、２０２、２０３の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている。入力導波路２０１とマイクロリング導波路２０２との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは５μｍで結合率κ₁＝０．０８、マイクロリング導波路２０２と出力導波路２０３との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは４μｍで結合率κ₂＝０．０８である。また、レーストラック形状の環状のマイクロリング導波路２０２の曲線部分の曲げ半径は、マイクロリング導波路２０２-１においてＲ＝２０．１８９μｍ、マイクロリング導波路１０２-３２においてＲ＝２０．２５２μｍであり、Ｒが０．００２μｍずつ増加するように設計されている。

図１２に、第２の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の共振波長を示す。非特許文献３に記載された手法により計算した結果を示している。それぞれのマイクロリング共振器は、共振波長を複数有するが、これは互いに異なる次数の共振波長である。図１２においては、波長１５４５ｎｍ付近の異なる次数の７つの共振ピーク（＋のプロットから◆のプロットまで）を示している。また隣接する次数の共振波長どうしの間隔がＦＳＲであるが、本実施形態においては、約６００ＧＨｚ（約４．８ｎｍ）である。同じ次数では、各マイクロリング共振器の共振波長間隔は、約１９．４ＧＨｚ（約０．１５ｎｍ）である。

図１３に、第２の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の透過スペクトルを示す。マイクロリング導波路１０２-１６により構成されるマイクロリング共振器を単独の共振回路とみなした場合の、スルーの透過スペクトルである。図１２と同様に、非特許文献３に記載された手法により計算した結果を示している。スルーのスペクトル特性は、共振波長近辺の波長だけが阻止され、他の波長は透過する特性になっている。本実施形態のマイクロリング共振器の阻止域の３ｄＢ帯域幅は、約２５ＧＨｚである。また、共振波長近辺以外の波長は共振に寄与しないため、波長分散はほぼゼロである。

図１４に、第２の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す。図１４（ａ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトル、図１４（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。非特許文献３の手法により、３２個のマイクロリング共振器のそれぞれのスルーの特性を計算し、これらを重ね合せた結果である。このとき、各マイクロリング導波路に形成されたヒータ２０４は、全て駆動していない（電力を印加していない）状態である。

入力導波路２０１の一方の端部（図の左側）から入力した光は、各マイクロリング共振器において、共振波長付近の光が出力導波路２０３へ分岐される。図１２に示したように、各マイクロリング共振器の共振波長は、少しずつ異なるように設計されているので、入力導波路２０１の他方の端部（図の右側）から出力した結果は、図１４（ａ）に示すように、ある波長範囲で光が阻止されるスペクトルとなる。本実施形態では、各マイクロリング共振器の共振波長間隔が約１９．４ＧＨｚで３２個並んでいるので、約６００ＧＨｚの阻止域が実現され、その阻止域がマイクロリング共振器のＦＳＲ（約６００ＧＨｚ）の周期で現れるので、全ての波長範囲で阻止域になっている。

すなわち、マイクロリング共振器の数と各マイクロリング共振器の共振波長間隔との積が、マイクロリング共振器のＦＳＲと等しいか、または大きいことが望ましい。本実施形態ではこれら複数の阻止域の何れかを、光波長可変フィルタの動作波長範囲とすることができるので、第１の実施形態と比較して、動作波長域の設定の自由度が高い。

図１５に、第２の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す。非特許文献３の手法により計算した結果であり、マイクロリング導波路２０２-５からマイクロリング導波路２０２-１２のヒータ２０４を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。本実施形態の光波長可変フィルタの動作は、１つまたは複数の特定のマイクロリング共振器におけるヒータに電力を印加し、マイクロリング導波路（の一部）を加熱することによって行う。導波路の加熱により、導波路の屈折率を増加させ、マイクロリング共振器の共振波長を、長波方向にシフトさせる。

図１５（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図１５（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。図１４（ｂ）と比較すると、ヒータを駆動していない時に、マイクロリング導波路２０２-５からマイクロリング導波路２０２-１２の８個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域には、共振波長が全く存在せず、透過域が形成されていることがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅は、およそ０．９ｎｍ（１１３ＧＨｚ）である。

第１の実施形態と同様に、本実施形態の光波長可変フィルタは、透過域とさせたい光波長に共振波長を有するマイクロリング共振器のヒータを選択的に駆動し、共振波長をシフトさせることにより動作する。波長の可変性は、ヒータを駆動する共振器を変えることにより可能であり、さらに選択する共振器の数を変えることにより、透過帯域幅も自由に変えることができる。

図１６に、第２の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を他の例を示す。図１５と同様に計算した結果であり、選択するマイクロリング共振器の数を変えることにより、透過帯域幅を変える例を示す。ここでは、マイクロリング導波路２０２-７からマイクロリング導波路２０２-１０の４個のヒータ２０４を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。

図１６（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図１６（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。ヒータを駆動していない時に、４個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域に、透過域が形成されている。この透過域の３ｄＢ帯域幅はおよそ０．４ｎｍ（５０ＧＨｚ）である。図１５（ｂ）の結果と比較すると、選択するマイクロリング共振器の数を半分にすることにより、ほぼ同じ波長域で、フィルタの透過帯域幅を狭めることができる。

図１７に、第２の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態の他の例を示す。図１５と同様に計算した結果であり、選択するマイクロリング共振器を変えるが、選択する数は変えないことにより、透過波長域を変える例を示す。ここでは、マイクロリング導波路２０２-１８からマイクロリング導波路２０２-２５の８個のヒータ２０４を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。

図１７（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図１７（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。ヒータを駆動していない時に、８個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域に、透過域が形成されている。この透過域の３ｄＢ帯域幅はおよそ０．９ｎｍ（１１３ＧＨｚ）である。図１５（ｂ）の結果と比較すると、選択するマイクロリング共振器を変えるが、選択する数を同じにすることにより、フィルタの透過帯域幅をほぼ同じに保ちながら、透過波長を変えることができる。

第１の実施形態と同様に、本実施形態の光波長可変フィルタの動作では、選択するマイクロリング共振器を変えることにより、自由に透過帯域幅を変えられる点が特徴である。特定のマイクロリング共振器の共振波長をシフトさせる際には、精密に波長を制御する必要がなく、ある波長以上のシフト量を与えればよい。これにより波長可変制御が簡単になり、また低コストの駆動回路系を使えるという利点もある。さらに、光波長可変フィルタの出力は、スルーを透過することに実現されるので、透過波長域における位相特性が大きく歪むことはなく、波長分散も低く抑制される利点を有する。

第２の実施形態により、透過波長と同時に透過帯域幅についても可変であり、波長の制御が簡便であり、また透過波長における波長分散の小さい、光波長可変フィルタを実現することができる。本実施形態においては、図１３に示したように、各マイクロリング共振器の阻止域における３ｄＢ帯域幅は約２５ＧＨｚである。これに対して、マイクロリング共振器の共振波長を配列する間隔を約１９．３ＧＨｚとした。本来、この間隔は、阻止域の３ｄＢ帯域幅程度であれば、ヒータを駆動しない時に動作波長域全域で十分な阻止域が得られる。しかしながら、各マイクロリング共振器の共振波長は、通常、製造時の加工誤差等によって設計から誤差を有する。そこで、ある程度の誤差が生じても、動作波長域全域で十分な阻止特性が得られるように、４／３倍のマイクロリング共振器数を３／４の波長間隔で配列する。このような冗長構成により、製造誤差の影響を受けにくく、製造時の回路の歩留りを向上することができる。

［第３の実施形態］
図１８に、本発明の第３の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す。図１８に示した光波長可変フィルタは、入力導波路３０１に、複数のレーストラック形状の環状の第１のマイクロリング導波路３０２−１、３０２−２、…３０２−２４が光学的に接続され、各々の第１のマイクロリング導波路に、レーストラック形状の環状の第２のマイクロリング導波路３０３−１、３０３−２、…３０３−２４が光学的に接続され、各々の第２のマイクロリング導波路に、出力導波路３０４−１、３０４−２、…３０４−２４がそれぞれ光学的に接続されている。各々の第１のマイクロリング導波路３０２上には、ヒータ３０５ａ、３０５ｂが形成され、各々の第２６のマイクロリング導波路３０３上には、ヒータ３０６ａ、３０６ｂが形成されている。入力導波路３０１の一方の端部（図の左側）より光を入力したとき、入力導波路３０１の他方の端部（図の右側）から出力する経路をスルー、出力導波路３０４−１、３０３−２、…３０３−２４の一方の端部（図の左側）より出力する経路をドロップと称する。

第３の実施形態の回路構成において、第１および第２の実施形態との相違点は、各マイクロリング共振器に２つマイクロリング導波路が縦続接続されていることにある。

各マイクロリング共振器の設計は下記のように異なっている。シリコンで構成された各導波路３０１、３０２、３０３、３０４の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている。入力導波路３０１と第１のマイクロリング導波路３０２との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは１０μｍで結合率κ₁＝０．２、第１のマイクロリング導波路３０２と第２のマイクロリング導波路３０３との間の結合部のギャップは０．３５μｍ、長さは１０μｍで結合率κ₁＝０．０２、第２のマイクロリング導波路３０３と出力導波路３０４との間の結合部のギャップは０．２μｍ、長さは１０μｍで結合率κ₂＝０．２である。また、レーストラック形状の環状の第１および第２のマイクロリング導波路３０２、３０３の曲線部分の曲げ半径は、マイクロリング導波路３０２-１、３０３-１においてＲ＝２０．１８９μｍ、マイクロリング導波路３０２-２４、３０３-２４においてＲ＝２０．２５２μｍであり、Ｒが０．００２７μｍずつ増加するように設計されている。

第１および第２の実施形態では、単一のマイクロリング導波路によるマイクロリング共振器を用いた。第３の実施形態では２つのマイクロリング導波路による２重マイクロリング共振器を用いた。この構成は、光波長可変フィルタの透過域の損失を低減する効果があるからである。第１および第２の実施形態における光波長可変フィルタの透過スペクトルをみると分かるように、透過ピークにおいても過剰損失が発生している。図６、図１３に示した各マイクロリング共振器のスルーの透過特性において、共振波長から少し離れた波長においても僅かな損失（共振ピークの裾の波形に相当）が生じている。このため、複数のマイクロリング共振器の損失の影響が積み重なって、透過ピークにおいても損失が発生している。これは、共振ピークの矩形度（傾きの鋭さ）に依存しており、本実施形態のように２重マイクロリング共振器を用いることによって、共振ピークの矩形度が高くなり（傾きが鋭くなり矩形に近づく）、光波長可変フィルタの透過域の過剰損失の低減を図ることができる。

図１９に、第３の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の共振波長を示す。非特許文献３に記載された手法により計算した結果を示している。それぞれのマイクロリング共振器は、共振波長を複数有するが、これは互いに異なる次数の共振波長である。図１９においては、波長１５４５ｎｍ付近の異なる次数の７つの共振ピーク（＋のプロットから◆のプロットまで）を示している。また隣接する次数の共振波長どうしの間隔がＦＳＲであるが、本実施形態においては、約６００ＧＨｚ（約４．８ｎｍ）である。同じ次数では、各マイクロリング共振器の共振波長間隔は、約２５ＧＨｚ（約０．２ｎｍ）である。

図２０に、第３の実施形態の光波長可変フィルタの構成要素であるマイクロリング共振器の透過スペクトルを示す。マイクロリング導波路３０２-１２、３０３-１２により構成されるマイクロリング共振器を単独の共振回路とみなした場合の、スルーの透過スペクトルである。図１９と同様に、非特許文献３に記載された手法により計算した結果を示している。スルーのスペクトル特性は、共振波長近辺の波長だけが阻止され、他の波長は透過する特性になっている。本実施形態では２重マイクロリング共振器を用いることにより、第１および第２の実施形態と比較して、共振ピークの矩形度が高く、ピークの裾における損失が小さい。本実施形態のマイクロリング共振器の阻止域の３ｄＢ帯域幅は、約４０ＧＨｚである。また、共振波長近辺以外の波長は共振に寄与しないため、波長分散はほぼゼロである。

図２１に、第３の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す。図２１（ａ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトル、図２１（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。非特許文献３の手法により、２４個のマイクロリング共振器のそれぞれのスルーの特性を計算し、これらを重ね合せた結果である。このとき、各マイクロリング導波路に形成されたヒータ３０５、３０６は、全て駆動していない（電力を印加していない）状態である。

入力導波路３０１の一方の端部（図の左側）から入力した光は、各マイクロリング共振器において、共振波長付近の光が出力導波路３０４へ分岐される。図１９に示したように、各マイクロリング共振器の共振波長は、少しずつ異なるように設計されているので、入力導波路３０１の他方の端部（図の右側）から出力した結果は、図２１（ａ）に示すように、ある波長範囲で光が阻止されるスペクトルとなる。本実施形態では、各マイクロリング共振器の共振波長間隔が約２５ＧＨｚで２４個並んでいるので、約６００ＧＨｚの阻止域が実現され、その阻止域がマイクロリング共振器のＦＳＲ（約６００ＧＨｚ）の周期で現れる。本実施形態ではこれら複数の阻止域の何れかを、光波長可変フィルタの動作波長範囲とすることができる。

図２２に、第３の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態を示す。非特許文献３の手法により計算した結果であり、マイクロリング導波路３０２-５、３０３-５からマイクロリング導波路３０２-１０、３０３-１０のヒータ３０５、３０６を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。本実施形態の光波長可変フィルタの動作は、１つまたは複数の特定のマイクロリング共振器におけるヒータに電力を印加し、マイクロリング導波路（の一部）を加熱することによって行う。導波路の加熱により、導波路の屈折率を増加させ、マイクロリング共振器の共振波長を、長波方向にシフトさせる。

図２２（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図２２（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。図２１（ｂ）と比較すると、ヒータを駆動していない時に、マイクロリング導波路３０２-５、３０３-５からマイクロリング導波路３０２-１０、３０３-１０の６個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域には、共振波長が全く存在せず、透過域が形成されていることがわかる。第１および第２の実施形態と比較して、透過帯域がフラットな波形が実現されており、透過ピークの過剰損失も小さいことがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅は、およそ１．１ｎｍ（１３５ＧＨｚ）である。

第１および第２の実施形態と同様に、本実施形態の光波長可変フィルタは、透過域とさせたい光波長に共振波長を有するマイクロリング共振器のヒータを選択的に駆動し、共振波長をシフトさせることにより動作する。波長の可変性は、ヒータを駆動する共振器を変えることにより可能であり、さらに選択する共振器の数を変えることにより、透過帯域幅も自由に変えることができる。

図２３に、第３の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態の他の例を示す。図２２と同様に計算した結果であり、選択するマイクロリング共振器の数を変えることにより、透過帯域幅を変える例を示す。ここでは、マイクロリング導波路３０２-７、３０３-７からマイクロリング導波路３０２-９、３０３-９の３個のヒータ３０５、３０６を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。

図２３（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図２３（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。ヒータを駆動していない時に、４個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域に、透過域が形成されている。第１および第２の実施形態と比較して、透過帯域がフラットな波形が実現されており、透過ピークの過剰損失も小さいことがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅はおよそ０．５ｎｍ（６３ＧＨｚ）である。図２２（ｂ）の結果と比較すると、選択するマイクロリング共振器の数を半分にすることにより、ほぼ同じ波長域で、フィルタの透過帯域幅を狭めることができる。

図２４に、第３の実施形態の光波長可変フィルタの動作状態の他の例を示す。図２２と同様に計算した結果であり、選択するマイクロリング共振器を変えるが、選択する数は変えないことにより、透過波長域を変える例を示す。ここでは、マイクロリング導波路３０２-１７、３０３-１７からマイクロリング導波路３０２-２２、３０３-２２の６個のヒータ３０５、３０６を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。

図２４（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図２４（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。ヒータを駆動していない時に、６個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域に、透過域が形成されている。この透過域の３ｄＢ帯域幅はおよそ１．１ｎｍ（１３５ＧＨｚ）である。図２２（ｂ）の結果と比較すると、選択するマイクロリング共振器を変えるが、選択する数を同じにすることにより、フィルタの透過帯域幅をほぼ同じに保ちながら、透過波長を変えることができる。

第１および第２の実施形態と同様に、本実施形態の光波長可変フィルタの動作では、選択するマイクロリング共振器を変えることにより、自由に透過帯域幅を変えられる点が特徴である。特定のマイクロリング共振器の共振波長をシフトさせる際には、精密に波長を制御する必要がなく、ある波長以上のシフト量を与えればよい。これにより波長可変制御が簡単になり、また低コストの駆動回路系を使えるという利点もある。さらに、光波長可変フィルタの出力は、スルーを透過することに実現されるので、透過波長域における位相特性が大きく歪むことはなく、波長分散も低く抑制される利点を有する。

さらに、第３の実施形態では、各マイクロリング共振器に２重のマイクロリング導波路構造を採用することにより、透過帯域の波形がフラットで、透過ピークの過剰損失の小さい、光波長可変フィルタを実現することができる。

第３の実施形態により、透過波長と同時に透過帯域幅についても可変であり、波長の制御が簡便であり、また透過波長における波長分散の小さい、光波長可変フィルタを実現することができる。本実施形態においては、図２０に示したように、各マイクロリング共振器の阻止域における３ｄＢ帯域幅は約４０ＧＨｚである。これに対して、マイクロリング共振器の共振波長を配列する間隔を約２５ＧＨｚとした。本来、この間隔は、阻止域の３ｄＢ帯域幅程度であれば、ヒータを駆動しない時に動作波長域全域で十分な阻止域が得られる。しかしながら、各マイクロリング共振器の共振波長は、通常、製造時の加工誤差等によって設計から誤差を有する。そこで、ある程度の誤差が生じても、動作波長域全域で十分な阻止特性が得られるように、１．６倍のマイクロリング共振器数を１／１．６の波長間隔で配列する。このような冗長構成により、製造誤差の影響を受けにくく、製造時の回路の歩留りを向上することができる。

［第４の実施形態］
図２５に、本発明の第４の実施形態にかかる光波長可変フィルタの構成を示す。図２５に示した光波長可変フィルタは、マッハ・ツェンダ干渉回路（Mach-Zehnder Interferometer：ＭＺＩ）４０１、４０２、４０３、４０４のそれぞれのクロスポートが直列に接続された前段の光波長可変フィルタと、第３の実施形態に示した光波長可変フィルタ４０５からなる後段の光波長可変フィルタとを含む。光波長可変フィルタ４０５の構成は、図１８に示した構成であり、説明を省略する。第４の実施形態は、第３の実施形態の光波長可変フィルタの前段に、複数のＭＺＩで構成された別の光波長可変フィルタを接続することにより、より広い動作波長域を実現する。

図２６に、第４の実施形態のＭＺＩで構成された光波長可変フィルタの構成を示す。ＭＺＩ４０１、４０２、４０３、４０４のそれぞれは、入力導波路４２１、４２２に接続された第１の光カプラ４２３と、出力導波路４２９、４３０に接続された第２の光カプラ４２８と、第１の光カプラ４２３および第２の光カプラ４２８の間を接続する第１のアーム導波路４２４および第２のアーム導波路４２５とを備えている。第１のアーム導波路４２４は、第２のアーム導波路４２５よりも長く、第１のアーム導波路４２４および第２のアーム導波路４２５の上部には、それぞれヒータ４２６、４２７が形成されている。

シリコンで構成された各導波路４２１、４２２、４２４、４２５、４２９、４３０の幅は０．５μｍ、厚さは０．２２μｍ、シリコン導波路の周囲は石英のクラッドで囲われている。各光カプラ４２３、４２８は、シリコン導波路によるマルチモード干渉回路であり、コア幅は１．８μｍ、コア長は１１μｍ、厚さは０．２２μｍである。

第２のアーム導波路４２５に対する第１のアーム導波路４２４の経路長差は、ＭＺＩ４０１、４０２、４０３、４０４のそれぞれで異なり、ＭＺＩ４０１が２５．０μｍ、ＭＺＩ４０２が５０．０μｍ、ＭＺＩ４０３が９９．９μｍ、ＭＺＩ４０４が１９９．９μｍである。ＦＳＲは、ＭＺＩ４０１が４８００ＧＨｚ、ＭＺＩ４０２が２４００ＧＨｚ、ＭＺＩ４０３が１２００ＧＨｚ、ＭＺＩ４０４が６００ＧＨｚとなる。

図２７に、第４の実施形態のＭＺＩの透過スペクトルを示す。ＭＺＩ４０１、４０２、４０３、４０４のそれぞれのクロスポート、すなわち入力導波路４２１より光を入力したとき、出力導波路４３０から出力する経路の透過スペクトルの計算結果を示す。第４の実施形態のＭＺＩの構成は、既に開示された従来技術であり、ＭＺＩの特性の計算方法については、非特許文献４に詳しい。ここでは各ＭＺＩの透過ピークが１５４４．５３ｎｍになるように、各ＭＺＩに具備されたヒータ４２６、４２７を駆動する。

図２８に、第４の実施形態の前段の光波長可変フィルタの透過スペクトルを示す。ＭＺＩ４０１、４０２、４０３、４０４を縦続に接続した前段の光波長可変フィルタ回路の透過スペクトルを、図２７と同様に計算した結果を示している。異なるＦＳＲのＭＺＩを通過することによって、全てのＭＺＩで一致した透過ピーク（波長１５４４．５３ｎｍ）にのみフィルタの透過域が現れ、他の波長域では阻止されていることがわかる。ここでフィルタの透過帯域は、最もＦＳＲの短いＭＺＩ４０４の透過波形におおよそ一致しており、３ｄＢ透過帯域幅は約２．１ｎｍ（約２６５ＧＨｚ）である。図には見られないが、ＭＺＩを直列接続した回路としての透過ピーク波長の周期は、最もＦＳＲの長いＭＺＩ４０１に一致しており、４８００ＧＨｚ（約３８．４ｎｍ）である。

図２９に、第４の実施形態の後段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第１の例を示す。非特許文献３の手法により計算した結果であり、図１８に示したマイクロリング導波路３０２-９、３０３-９からマイクロリング導波路３０２-１５、３０３-１５のヒータ３０５、３０６を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。図２９（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図２９においては、波長１５４５ｎｍ付近の異なる次数の７つの共振ピーク（＋のプロットから◆のプロットまで）を示している。図２９（ｂ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトルを示した図である。ヒータを駆動していない時に、マイクロリング導波路３０２-９、３０３-９からマイクロリング導波路３０２-１５、３０３-１５の７個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域には、共振波長が全く存在せず、透過域が形成されていることがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅は、およそ１．２ｎｍ（１５０ＧＨｚ）である。

図３０に、第４の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第１の例を示す。前段の光波長可変フィルタは非特許文献４の手法、後段の光波長可変フィルタは非特許文献３の手法によって計算している。図３０（ａ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトル、図３０（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。

第４の実施形態では、後段の光波長可変フィルタの特性を反映した透過波形が実現されるが、前段の光波長可変フィルタと接続することにより、周期的に現れる透過帯域の中で、所望の１帯域のみを選択できる。第１の例では、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲で、設定した波長１５４４．５３ｎｍの透過帯域のみが実現されている。

第１から第３の実施形態では、光波長可変フィルタの透過帯域は、各マイクロリング共振器のＦＳＲに応じた周期性を有しているために、その動作波長域は最大でもＦＳＲ程度に制限されていた。本実施形態では、マイクロリング共振器のＦＳＲと同等または狭い透過帯域を有する前段の光波長可変フィルタと接続することにより、所望のピークだけを透過させることができるので、動作波長域を広げることができる。本実施形態での動作波長域は、最大で前段の光波長可変フィルタの透過周期（４８００ＧＨｚ）程度まで拡大するとこができる。

後段の光波長可変フィルタは、第１から第３の実施形態と同様に、透過域とさせたい光波長に共振波長を有するマイクロリング共振器のヒータ選択的に駆動し、共振波長をシフトさせることにより動作する。波長の可変性は、ヒータを駆動する共振器を変えることにより可能であり、さらに選択する共振器の数を変えることにより、透過帯域幅も自由に変えることができる。また、前段の光波長可変フィルタは、各ＭＺＩ４０１、４０２、４０３、４０４の透過ピークを所望の波長に調整することで、透過波長を自由に設定することができる。

図３１に、第４の実施形態の後段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第２の例を示す。前段の光波長可変フィルタの動作は、第１の例と同じであり、その透過スペクトルは図２８に同じである。非特許文献３の手法により計算した結果であり、図１８に示したマイクロリング導波路３０２-１１、３０３-１１からマイクロリング導波路３０２-１３、３０３-１３のヒータ３０５、３０６を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。図３１（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図３１（ｂ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトルを示した図である。ヒータを駆動していない時に、マイクロリング導波路３０２-１１、３０３-１１からマイクロリング導波路３０２-１３、３０３-１３の３個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域には、共振波長が全く存在せず、透過域が形成されていることがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅は、およそ０．５ｎｍ（６３ＧＨｚ）である。

図３２に、第４の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第２の例を示す。前段の光波長可変フィルタは非特許文献４の手法、後段の光波長可変フィルタは非特許文献３の手法によって計算している。図３２（ａ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトル、図３２（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。

後段の光波長可変フィルタの特性を反映した透過波形が実現されるが、前段の光波長可変フィルタと接続することにより、周期的に現れる透過帯域の中で、所望の１帯域のみを選択できる。第２の例では、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲で、設定した波長１５４４．５３ｎｍの透過帯域のみが実現されている。図３０に示した第１の例と比較すると、選択するリング共振器の数を半分にすることにより、ほぼ同じ波長で、フィルタの透過帯域幅を狭めることができる。

図３３に、第４の実施形態の前段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第３の例を示す。第３の例において、前段の光波長可変フィルタは、各ＭＺＩ４０１、４０２、４０３、４０４の透過ピークが１５５６．５６ｎｍになるように、図２６に示したヒータ４２６、４２７を駆動する。異なるＦＳＲのＭＺＩを通過することによって、全てのＭＺＩで一致した透過ピーク（波長１５５６．５６ｎｍ）にのみフィルタの透過域が現れ、他の波長域では阻止されていることがわかる。ここでフィルタの透過帯域は、最もＦＳＲの短いＭＺＩ４０４の透過波形におおよそ一致しており、３ｄＢ透過帯域幅は約２．１ｎｍ（約２６５ＧＨｚ）である。ＭＺＩを直列接続した回路としての透過ピーク波長の周期は、最もＦＳＲの長いＭＺＩ４０１に一致しており、４８００ＧＨｚ（約３８．４ｎｍ）である。

図３４に、第４の実施形態の後段の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第３の例を示す。非特許文献３の手法により計算した結果であり、図１８に示したマイクロリング導波路３０２-１、３０３-１からマイクロリング導波路３０２-３、３０３-３、およびマイクロリング導波路３０２-２１、３０３-２１からマイクロリング導波路３０２-２４、３０３-２４のヒータ３０５、３０６を駆動し、それぞれの共振波長を２ｎｍシフトさせている。図３４（ａ）は、各マイクロリング共振器の共振波長を示している。図３４（ｂ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトルを示した図である。ヒータを駆動していない時に、マイクロリング導波路３０２-１、３０３-１からマイクロリング導波路３０２-３、３０３-３、およびマイクロリング導波路３０２-２１、３０３-２１からマイクロリング導波路３０２-２４、３０３-２４の７個のマイクロリング共振器の共振波長だった波長域には、共振波長が全く存在せず、透過域が形成されていることがわかる。この透過域の３ｄＢ帯域幅は、およそ１．２ｎｍ（１５０ＧＨｚ）である。

図３５に、第４の実施形態の光波長可変フィルタの透過スペクトルの第３の例を示す。前段の光波長可変フィルタは非特許文献４の手法、後段の光波長可変フィルタは非特許文献３の手法によって計算している。図３５（ａ）は、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲のスペクトル、図３５（ｂ）は、波長１５４５ｎｍ付近のスペクトルを拡大した図である。

第４の実施形態では、後段の光波長可変フィルタの特性を反映した透過波形が実現されるが、前段の光波長可変フィルタと接続することにより、周期的に現れる透過帯域の中で、所望の１帯域のみを選択できる。第３の例では、波長１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの範囲で、設定した波長１５５６．５６ｎｍの透過帯域のみが実現されている。図３０に示した第１の例と比較すると、選択するリング共振器の数を保ちながら、選択するリング共振器を変えることにより、フィルタの透過帯域幅をほぼ同じに保ちながら、透過波長を変えることができることがわかる。

第１、第２および第３の実施形態と同様に、本実施形態の光波長可変フィルタの動作では、選択するマイクロリング共振器を変えることにより、自由に透過帯域幅を変えられる点が特徴である。特定のマイクロリング共振器の共振波長をシフトさせる際には、精密に波長を制御する必要がなく、ある波長以上のシフト量を与えればよい。ＭＺＩの波長調整に関しても、後段の光波長可変フィルタの複数の透過域から１つを選択する機能であり、比較的低い波長精度の調整で十分である。これにより波長可変制御が簡単になり、また低コストの駆動回路系を使えるという利点もある。さらに、光波長可変フィルタの出力は、スルーを透過することに実現されるので、透過波長域における位相特性が大きく歪むことはなく、波長分散も低く抑制される利点を有する。

さらに、第４の実施形態では、各マイクロリング共振器に２重のマイクロリング導波路構造を採用することにより、透過帯域の波形がフラットで、透過ピークの過剰損失の小さい、光波長可変フィルタを実現することができる。本実施形態では、前段にＭＺＩを多段に接続した光波長可変フィルタを接続することにより、第１、第２および第３の実施形態の複数のマイクロリング共振器による光波長可変フィルタのみの構成よりも、動作波長域を広く設定できるという利点も有する。

第４の実施形態により、透過波長と同時に透過帯域幅についても可変であり、波長の制御が簡便であり、また透過波長における波長分散の小さい、光波長可変フィルタを実現することができる。

［まとめ］
以上４つの実施の形態から、透過波長と同時に透過帯域幅についても可変で、波長の制御が簡便であり、また透過波長における波長分散の小さい、光波長可変フィルタを実現でき、さらに優れた特性を得られる好適な構成について示した。

マイクロリング共振器のＦＳＲ、透過帯域幅、接続するマイクロリング導波路の数を特定の値に設定したが、本発明の光波長可変フィルタの構成は、その値に限らず、自由に設計をすることが可能である。ただし、第４の実施形態のように、前段の光波長可変フィルタと接続して広い動作波長域を達成するには、少なくとも（ＦＳＲ／透過帯域幅）の値よりも大きいマイクロリング導波路の数を設定することが必要である。

マイクロリング共振器のマイクロリング導波路をレーストラック型としたが、本発明の光波長可変フィルタの構成は、レーストラック型に限らず、あらゆる形状のマイクロリング共振器の構成を採用することができる。

各マイクロリング共振器の出力導波路の構造に関しては特に述べていないが、好ましくは、シリコンチップ上で反射を抑えて終端されていることが望ましい。測定用のモニタ導波路としてチップの端部まで導波路を接続したり、測定用または不要な光を捨てる役割としてグレーティングカプラで終端した構成でもよい。

第３および第４の実施形態では、マイクロリング共振器の構造を２重リング構造としたが、本発明の光波長可変フィルタのリング共振器はその構造に限定されるものではなく、３重、４重などさらなる多重構造で合っても良い。

第４の実施形態では、前段の光波長可変フィルタのＭＺＩの段数、および各ＭＺＩのＦＳＲの組合せを特定の値に設定したが、本発明の光波長可変フィルタの構成は、特定のＭＺＩの組合せに限定されるものでなく、後段の光波長可変フィルタの透過帯域に大きな影響を与えることなく、１つのピークを選択できるような波形が実現できれば、どのような組合せも可能である。

１０１，２０１，３０１，４２１，４２２，９１０１，９１０５，９２０１入力導波路
１０２，２０２，３０２，３０３，９１０２，９１０６，９２０２，９２０３マイクロリング導波路
１０３，２０３，３０４，４２９,４３０,９１０３，９１０７，９２０４出力導波路
１０４，２０４，３０５，３０６，４２６，４２７，９１０４，９１０８，９２０５，９２０６ヒータ
４０１、４０２、４０３、４０４ＭＺＩ
４０５光波長可変フィルタ
４２３，４２８光カプラ
４２４，４２５アーム導波路

Claims

シリコン導波路で形成された光波長フィルタであって、
入力導波路と、
前記入力導波路と光学的に接続された複数のマイクロリング導波路と、
前記複数のマイクロリング導波路の各々に形成されたヒータと、
前記複数のマイクロリング導波路の各々と光学的に接続された出力導波路を複数備え、
各々のマイクロリング導波路によって構成される共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が等しく、
各々のマイクロリング導波路によって構成される共振器の共振波長は、隣接する共振器との間隔が共振波長付近における阻止域の３ｄＢ帯域幅よりも狭く、
前記入力導波路の一方の端部より光を入力したとき、他方の端部から出力される光の透過域は、前記複数のマイクロリング導波路のうち、１または複数のマイクロリング導波路に形成されたヒータに電力を印加することによって設定されていることを特徴とする光波長可変フィルタ。
各々のマイクロリング導波路によって構成される共振器の数と、隣接する共振器の共振波長の間隔との積は、前記共振器のＦＳＲと等しいかまたは大きいことを特徴とする請求項１に記載の光波長可変フィルタ。
各々のマイクロリング導波路と出力導波路との間に、さらに１または複数のマイクロリング導波路が挿入され、光学的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長可変フィルタ。
前記光波長可変フィルタの前段または後段に、さらに第２の光波長可変フィルタが接続され、前記第２の光波長可変フィルタの透過帯域は、前記共振器のＦＳＲと等しいかまたは小さいことを特徴とする請求項２に記載の光波長可変フィルタ。
前記第２の光波長可変フィルタは、複数のマッハ・ツェンダ回路が縦続に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の光波長可変フィルタ。
シリコン導波路で形成された光波長フィルタであって、
入力導波路と、
前記入力導波路と光学的に接続された複数のマイクロリング導波路と、
前記複数のマイクロリング導波路の各々に形成されたヒータと、
前記複数のマイクロリング導波路の各々と光学的に接続された出力導波路を複数備え、
各々のマイクロリング導波路と出力導波路との間に、さらに１または複数のマイクロリング導波路が挿入され、光学的に接続されており、
前記入力導波路の一方の端部より光を入力したとき、他方の端部から出力される光の透過域は、前記複数のマイクロリング導波路のうち、１または複数のマイクロリング導波路に形成されたヒータに電力を印加することによって設定されていることを特徴とする光波長可変フィルタ。