CN105278040B - 光学元件和光接收装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学元件包括：根据偏振面将从输入端口输入的光分成第一信号和第二信号的偏振分光器；将从偏振分光器输出的第二信号的偏振面旋转90度的偏振旋转器；组合从偏振分光器输出的第一信号和从偏振旋转器输出的第二信号并且将所得的信号分成具有相等幅度的第三信号和第四信号的第一光耦合器；控制第三信号的相位的相位控制器；以及组合从相位控制器输出的第三信号和从第一光耦合器输出的第四信号并且将所得的信号分成具有相等幅度的第五信号和第六信号的第二光耦合器。

Description

光学元件和光接收装置
技术领域
本文所讨论的实施方式涉及光学元件和光接收装置。
背景技术
诸如波长复用/解复用元件的光学元件被用于光通信和光学互联。作为一项有前途的大容量互联技术，最近已经着手研究通过模式截面积(mode sectional area)为几百平方微米(μm)ⅹ几百平方微米(μm)的硅光子线波导来传输光信号以通过波分复用(WDM)提高处理容量。当在光接收部中解复用WDM光信号时，归因于硅光子线波导的结构各向异性的偏振分量之间的特性变化是应用中的一个严重的问题，因为通常在光信号的传输通道中的偏振状态不是保持恒定的。已经提出了旨在抑制归因于硅光子线波导的结构各向异性的影响的、具有WDM偏振分集结构的MRR(微环谐振器)型光波长滤波器。
然而，以上所描述的常规的MRR型光波长滤波器存在其适用范围非常有限的问题。例如，它在低损耗以及宽传输带宽方面表现优异的延迟干涉仪(DMZI：延迟马赫曾德干涉仪)以多级连接的波长复用/解复用器中并不适用。
专利文献1：日本公开特许公报第2009-244326号。
发明内容
实施方式的一个目的在于提供一种能够抑制输入光的偏振状态的影响并且适用范围广泛的光学元件和光接收装置。
根据实施方式的一个方面，一种光学元件包括：根据偏振面将从输入端口输入的光分成第一信号和第二信号的偏振分光器；将从偏振分光器输出的第二信号的偏振面旋转90度的偏振旋转器；组合从偏振分光器输出的第一信号和从偏振旋转器输出的第二信号并且将所得的信号分成具有相等幅度的第三信号和第四信号的第一光耦合器；控制第三信号的相位的相位控制器；以及组合从相位控制器输出的第三信号和从第一光耦合器输出的第四信号并且将所得的信号分成具有相等幅度的第五信号和第六信号的第二光耦合器。
根据实施方式的另一个方面，一种光接收装置包括：光学元件；将第六信号解复用成多个波长的信号的延迟干涉仪型复用/解复用器；以及接收多个波长的信号的光接收器。
附图说明
图1是示出了根据参考示例的复用/解复用器的结构的示图；
图2是示出了根据第一实施方式的光学元件的结构的示图；
图3A是示出了第一实施方式中的偏振消光比和相位变化之间的关系的示图；
图3B是示出了第一实施方式中的偏振消光比和额外损耗(excessive loss)之间的关系的示图；
图4A是示出了波导的截面结构的示例的示图；
图4B是示出了波导的截面结构的另一个示例的示图；
图5是示出了相位控制器的截面结构的示例的示图；
图6是示出了根据第二实施方式的光学元件的结构的示图；
图7是示出了光电二极管的截面结构的示例的示图；以及
图8是示出了根据第三实施方式的光接收装置的结构的示图。
具体实施方式
(参考示例)
本申请的发明人在参考MRR型光波长滤波器的同时已经发现复用/解复用器适用于DMZI型元件。图1是示出了根据参考示例的复用/解复用器的结构的示图。
如图1所示，参考示例包括将WDM光信号的偏振分量分成横向电场(TE)信号(TE模式的光)和横向磁场(TM)信号(TM模式的光)的偏振分光器(PBS)501，和将TM信号转换成TE信号(TE*信号)的偏振旋转器(PR)504。参考示例包括将TE信号解复用为四个波长信号的DMZI型解复用器511和将TE*信号解复用为四个波长信号的DMZI型解复用器512。采用波导502将解复用器511连接到偏振分光器501，并且采用波导503经由偏振旋转器504将解复用器512连接到偏振分光器501。参考示例包括包含四个不同检测波长的光电二极管521-524的光接收器520，并且来自解复用器511的波长信号和来自解复用器512的波长信号被分别地输入到光电二极管521-524。
参考示例适用于DMZI型元件。然而，因为DMZI型元件仅具有一个输入端口，参考示例需要处理TE信号的解复用器511和处理TE*信号的解复用器512，这不可避免地导致与常规的MRR型光波长滤波器相比整个元件的尺寸较大。与常规的MRR型波长滤波器中配备的两个复用/解复用元件相比，使解复用器511和解复用器512的元件特性一致并不容易。由于需要将波长信号复用以便将来自解复用器511和解复用器512的信号输入到光电二极管521-524，两个偏振信号之间的偏移量调整同样是不可缺少的。因此，需要复杂的调整以实现稳定的操作。
作为进一步研究的成果，发明人提出了以下各种实施方式。在下文中，将参考附图具体地描述各种实施方式。
(第一实施方式)
首先，将描述第一实施方式。图2是示出了根据第一实施方式的光学元件的结构的示图。
如图2所示，根据第一实施方式的光学元件100包括根据偏振面将从输入端口输入的光(输入光)分成TE信号和TM信号的偏振分光器101。光学元件100包括将从偏振分光器101输出的TM信号的偏振面旋转90度以便将TM信号转换成TE*信号的偏振旋转器104。光学元件100包括组合从偏振分光器101输出的TE信号和从偏振旋转器104输出的TE*信号的光耦合器105。采用波导102和波导103将光耦合器105的输入侧连接到偏振分光器101，并且偏振旋转器104在波导103上。TE信号通过波导102传播，而TM信号和TE*信号通过波导103传播。波导107和波导108与光耦合器105的输出侧连接。例如，波导107的光学路径长度等于波导108的光学路径长度。光耦合器105组合输入的TE信号和TE*信号，将所得的信号分成具有相等幅度的信号，并且将这些信号输出到波导107和波导108。波导107和波导108与光耦合器106的输入侧连接，并且在波导107上具有相位控制器109。光耦合器106将通过波导107并且从相位控制器109输出的信号以及通过波导108传播的信号进行组合，并且将所得的信号分成具有相等幅度的两个信号，并且光耦合器106的输出信号从输出端口111和输出端口112输出到外面。光耦合器105和光耦合器106例如是3dB光耦合器。相位控制器109例如包括微加热器。通过波导102传播的信号是第一信号的示例，通过波导103传播的信号是第二信号的示例，通过波导107传播的信号是第三信号的示例，通过波导108传播的信号是第四信号的示例。输出到输出端口112的信号是第五信号的示例，输出到输出端口111的信号是第六信号的示例，光耦合器105是第一光耦合器的示例，光耦合器106是第二光耦合器的示例。
在光学元件100中，输入到光耦合器105的TE信号和TE*信号之间的强度比取决于输入光的偏振分量(TE信号和TM信号)的比。从光耦合器105输出到波导107和波导108的信号的幅度彼此相等，但如果将它们直接地输入到光耦合器106，则从输出端口111输出的信号的强度和从输出端口112输出的信号的强度是不稳定的。在这个实施方式中，相位控制器109控制通过波导107传播的信号的相位，使得该信号变得与通过波导108传播的信号(第四信号)相位相同或者相位相反。例如，当在输入光中TM信号的比高于TE信号的比时，根据输入光的TM信号的比(偏振比)给予通过波导107传播的信号-1π弧度至-0.5π弧度的相位变化，如图3A中所示。这里，负偏振比指示TM模的比更高，而正偏振比指示TE模的比更高。随着TE信号的比的增加，给予通过波导107传播的信号-0.5π弧度至-0π弧度的相位变化。结果，如图3B中所示，可以减少额外损耗以从输出端口111输出稳定的信号。在这种情况下，例如可以通过相位控制器109中微加热器的温度来调整相位变化的量。
如上所述，根据光学元件100，能够获得稳定的输出状态而不受输入光的偏振状态的影响。光学元件100适用于诸如DMZI型元件的各种波长复用/解复用器。在参考示例中，由于提供了两个解复用器，因而需要使它们的元件特性一致并且还需要偏移量调整，但在光学元件100中并不需要这些复杂的调整。
例如，每个具有图4A中示出的截面结构的硅光子线波导被用作波导102、波导103、波导107和波导108。在图4A示出的通道结构中，氧化硅的隐埋氧化层12、硅层13以及氧化硅层14被设置在硅衬底11上。硅层13具有220nm的厚度以及450nm的宽度。例如，可以按如下方式形成这样的通道结构。首先，准备包括硅衬底的SOI衬底、氧化硅层以及硅层。接着，通过光曝光或者电子束曝光等形成覆盖组成波导或光耦合器的一部分的光掩模。此后，使用光掩模对硅层进行干刻蚀以形成具有预定图案形状的硅层13。例如，可以执行反应离子刻蚀作为干刻蚀。随后，通过气相沉积等方法形成氧化硅层14。以如上所述的方式，获得包括硅衬底11、隐埋氧化层12、硅层13以及氧化硅层14的通道结构。可以采取图4B中示出的脊形(rib)波导结构。在这种情况下，使用具有约50nm层高(slab height)的硅层15代替硅层13。
例如，包括具有图5中示出的截面结构的微加热器的硅光子线波导可以被用作相位控制器109。在该结构中，钛层21形成为氧化硅层14中的电阻器，并且铝层22作为电极连接到钛层21。钛层21形成在使得钛层21中产生的热到达硅层13同时与硅层13绝缘的位置处。
(第二实施方式)
接下来，将描述第二实施方式。图6是示出了根据第二实施方式的光学元件的结构的示图。
在第二实施方式中，如图6所示，光电二极管113被连接到输出端口112，并且光电二极管113的输出被输入到相位控制器109。相位控制器109给予通过波导107传播的信号相位变化，使得光电二极管113中流过的电流量变为等于或者小于任意阈值，优选地，变为最小值。相位变化的量基本上等于图3A中所示的量。其他结构与第一实施方式的结构类似。
根据第二实施方式的光学元件200同样能够带来与第一实施方式相同的效果。此外，可以容易地执行相位控制。
例如，可以使用具有图7中示出的截面结构的pin二极管作为光电二极管113。在该结构中，p+区31形成在图4B中示出的脊形波导结构的脊形区域中，锗层33形成在硅层15的核心区域上，而n+区34形成在锗层33的表面上。与p+区31接触的铝层32和与n+区34接触的铝层35形成为氧化硅层14中的电极。例如，可以通过对脊形区域的P型杂质的离子注入来形成p+区31，可以在核心区域上通过晶体生长来形成锗层33，可以通过对锗层33的n型杂质的离子注入来形成n+区34。
根据图3B应理解，当偏振比约为10dB或更少时，即使未通过相位控制器109进行相位控制，也可以将额外损耗减小到1dB或更小。
(第三实施方式)
接下来，将描述第三实施方式。第三实施方式是光接收装置的示例。图8是示出了根据第三实施方式的光接收装置的结构的示图。
如图8中所示，根据第三实施方式的光接收装置300包括根据第二实施方式的光学元件200、解复用器201以及光接收器210。解复用器201被连接到光学元件200的输出端口111，光接收器210包括四个光电二极管211-214，并且这些光电二极管211-214被连接到解复用器201的四个输出端口。光电二极管211-214的截面结构例如类似于图7中示出的光电二极管113的截面结构，并且光电二极管113和光电二极管211-214例如被包括在一个光电二极管阵列中。解复用器201是延迟干涉仪型复用/解复用器的示例。
在光接收装置300中，从光学元件200稳定输出的TE模的WMD光学信号被输入到解复用器201以待被解复用器201解复用。接着，通过光接收器210对从解复用器201输出的具有四个波长的光学信号进行检测。因此，能够在不受波长复用/解复用器的操作系统的影响的情况下，对以任意输入偏振状态进入的WDM信号进行解复用，并且接收所得的信号。在参考示例中，解复用器511和解复用器512需要并行布置，而在本实施方式中仅提供了解复用器201。因此，在参考示例中，在信号被输入到光电二极管521-524之前需要进行复用，而在本实施方式中不需要进行复用。因此，与参考示例相比，能够减小尺寸并且可以获得高的接收效率。
MRR型复用/解复用器、阵列波导光栅型复用/解复用器或者阶梯衍射光栅型(Echelle diffraction grating-type)复用/解复用器可以被连接到输出端口111。环谐振器阵列、阵列波导光栅或者阶梯衍射光栅可以被连接到输出端口111。
根据上文所述的光学元件等，因为包括了适当的偏振分光器、偏振旋转器、相位控制器等，可以抑制输入光的偏振状态的影响，因而它们被广泛地适用。

Claims (3)

1.一种光学元件，包括：
偏振分光器，所述偏振分光器根据偏振面将从输入端口输入的光分成第一信号和第二信号；
偏振旋转器，所述偏振旋转器将从所述偏振分光器输出的所述第二信号的偏振面旋转90度；
第一光耦合器，所述第一光耦合器组合从所述偏振分光器输出的所述第一信号和从所述偏振旋转器输出的第二信号，并且将所得的信号分成具有相等幅度的第三信号和第四信号；
相位控制器，所述相位控制器根据从输入端口输入的光的偏振状态控制所述第三信号的相位；以及
第二光耦合器，所述第二光耦合器组合从所述相位控制器输出的所述第三信号和从所述第一光耦合器输出的所述第四信号，并且将所得的信号分成具有相等幅度的第五信号和第六信号。
2.根据权利要求1所述的光学元件，所述光学元件还包括所述第六信号被输入到的复用/解复用器、环谐振器阵列、阵列波导光栅或者阶梯衍射光栅。
3.一种光接收装置，包括：
根据权利要求1或2所述的光学元件；
延迟干涉仪型复用/解复用器，所述延迟干涉仪型复用/解复用器将第六信号解复用成多个波长的信号；以及
光接收器，所述光接收器接收复数个波长的信号。
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