CN107533271B - 相干光混频器回路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不需要切断延迟回路的工序就能够测定相位误差的相干光混频器回路。所述相干光混频器回路的特征在于，在四输入四输出的多模干涉回路的奇数号或者偶数号的输入与输入机构连接、四个输出全部与向外部的输出机构连接的光解调回路中，在所述多模干涉回路的其他两个输入连接有监控波导，所述监控波导的一方比另一方长且构成光延迟回路，而且，构成所述光延迟回路的所述监控波导与二分支分光器的各输出连接，所述二分支分光器的输入经由监控光输入波导与来自外部的监控输入机构连接。

Description

相干光混频器回路
技术领域
本发明涉及一种相干方式的光通信技术，特别涉及一种具备用于评价相位误差的监控机构的相干光混频器回路。
背景技术
近年，特别是在远距离光通信中，开发出能够飞跃性地增大单位信道的通信容量的数字相干方式的光传输系统，并且正在推进商业化。在数字相干方式的通信中，通常应用向两个正交的偏振波供给另外的信号而使传输量增倍的偏振复用方式。
在图1中，示出现有技术中典型的数字相干偏振复用方式的光接收回路(光偏振分离/解调回路)9100的构成。相干方式的光发送回路、光接收回路的特征是：在接收侧也设有光源，通过使从该光源输入的基准光(参照光)与从传输路输入的信号光发生干涉，以更高的灵敏度来检测信号。
在图1中，左端的实线箭头表示从光源输入的基准光，虚线箭头表示从传输路输入的信号光。在图1中，示出偏振分束器9101、偏振旋转器9102、第二光功率分配器9103、作为第一光解调回路的相干光混频器9104、作为第二光解调回路的相干光混频器9105、光电检测器9106、9107。
从传输路向光接收器9100输入偏振复用信号光(虚线)，通过偏振分束器9101分离为TE偏振光和TM偏振光成分。此外，从未图示的光源输入作为基准光的TE偏振光的连续光(实线)，由第二光功率分配器9103分为两个分支。所分离的信号光的TE偏振光成分与分支出的一方的TE偏振光的基准光通过相干光混频器9104被解调。此外，所分离的信号光的TM偏振光成分由偏振旋转器9102转换为TE偏振光，与分支出的另一方的TE偏振光的基准光一同输入至相干光混频器9105而被解调。所解调的光信号由光电检测器9106、9107转换成接收电信号并输出。
通常的方式是偏振分束器9101、偏振旋转器9102、第二光功率分配器9103、相干光混频器9104、9105通过波导型光集成回路在一个芯片上实现。波导材料采用石英、磷化铟等半导体、硅等。对于半导体、硅光集成回路，还实现了包含光电检测器9106、9107的一体集成。
在此，相干光混频器9104、9105分别是二输入四输出的光回路，是输入的两个光波的相位角度差在0、90、180、270度时干涉最强，根据此相位角度差，分别从四个输出将干涉光波输出的回路。其光解调特性是由实际上干涉最强的相位角度差与作为设计上干涉最强的相位角度差的0、90、180、270度错开的程度(相位误差)而决定的。要求应用于实际的光接收回路的相干光混频器的相位误差小于所确定的基准。现在通常的相位误差的规格在±5度以下。
该相位误差的特性是容易受到制造波动的影响，在相干光混频器的制造中，需要进行相位误差的评价，选择满足所设定的基准的回路。为了进行相位误差的评价，通常的方法是使用延迟回路。
图2是表示为了评价相位误差而附加了延迟回路的相干光混频器回路的芯片9210的构成的俯视图。在图2中，示出图1的相干光混频器回路9104、输入波导9200、分光器9201、构成延迟回路的第一、第二臂波导9202、9203、向相干光混频器回路9104的两个输入波导9204、9205、四个干涉光输出9206、9207、9208、9209。此外，在相位误差的评价之后将延迟回路部分切离的情况下，在切断基准线9211处切离。
图3是表示图2的相干光混频器回路9104的波导构成的一个例子的俯视图。在图3中，两个输入波导和四个输出波导的附图标记与图2相同。
图3的相干光混频器回路9104的干涉部分由1×2光耦合器9301、三个2×2光耦合器9302、9304、9305以及对其进行连接的等长的4条波导9303构成。
图4是表示图2的相干光混频器回路9104的波导构成的另一例子的俯视图。在图4中，两个输入波导和四个输出波导的附图标记与图2相同。
图4的相干光混频器回路9104的干涉部分由单一的多模干涉回路(Multi-ModeInterferometer:MMI)9401构成。在由供信号光和参照光输入的MMI芯片9401的、从两个输入端口分别至四个输出端口的光路差所确定的规定的相位差的条件下，得到干涉光输出。由单一的MMI构成相干光混频器的技术在以往已有报告，例如在下述非专利文献1中有详细记载。
图5A、5B是表示在附加了图2的延迟回路的相干光混频器回路芯片9210中，为了进行相位误差的评价而从输入波导9200输入监控光的情况下，分别从四个输出波导9206、9207、9208、9209输出的监控光的透射光谱的图。在图5A、5B中，由输出#1、输出#2、输出#3、输出#4表示的光谱分别表示监控光向输出波导9206、9207、9208、9209的透射光谱。
评价相位误差用的监控光被分为两个分支，在延迟回路设置延迟时间差，该监控光输入MMI后被干涉输出，因此图2的构成形成马赫-增德尔(Mach–Zehnder)干涉回路，呈现出存在由延迟时间差决定的周期性下降的频率特性(光透射光谱)。
如图5A、5B所示，从MMI的四个输出端口分别输出的监控光的光透射光谱大致相同，但根据四个输出端口的干涉相位差的条件，在频率轴向上约错开1/4周期。
图5A是使用图3所示的相干光混频器回路的情况下的监控光透射光谱，图5B是使用图4所示的相干光混频器回路的情况下的监控光透射光谱。
相位误差的评价通过对该透射光谱进行解析来进行。具体而言，如果四个输出的干涉条件与相位角度差0、90、180、270度完全一致，则各输出的透射光谱的最大透射频率(或者最大消光频率)在光频率轴向上等间隔排列。因此，观察等间隔的频率排列与实际的透射(或者消光)频率的偏差就能够得到相位误差。
在此，补充说明以下内容：在图5A、即图3的相干光混频器回路中，邻接的输出#1与输出#2以及邻接的输出#3与输出#4的干涉条件的相位角度差分别相对地相差180度，相对于此，在图5B、即图4的相干光混频器回路中，输出#1与输出#4以及输出#2与输出#3的干涉条件的相位角度差分别相对地相差180度。
在现有技术的作为光解调回路的相干光混频器回路中，如图2这样制作连接有延迟回路的芯片，通过对图5A以及5B这样的透射光谱进行测定/解析来评价相位误差，选择良好的芯片。由于在光接收回路中不需要延迟回路，因此在评价、选择后，在图2的基准线9211处切断芯片并组装到光接收回路中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4410149号公报
非专利文献
非专利文献1：H.-G.Bach,et al.“Monolithic 90°Hybrid with balanced PINPhotodiodes for 100Gbit/s PM-QPSK receiver applications,”Tech.Digest OFC2009,paper OMK5(2009)
发明内容
所述光解调回路和光接收回路存在以下的问题。
在作为光解调回路的相干光混频器回路中，如图2所示，制作连接有延迟回路的芯片，在评价相位误差后，切断延迟回路，进入光接收回路的组装工序。在此，第一，需要切断不需要的延迟回路的工序，存在产生附加的制造时间和成本的问题。此外，第二，所切断的延迟回路被废弃，这样会多余地使用回路面积，因此存在单位晶片上的芯片产额降低的问题。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种不需要切断延迟回路的工序就能够测定相位误差的光解调回路以及光接收回路，此外，提供一种能够在切断成芯片之前的晶片状态下测定相位误差的相干光混频器回路。
为了消除所述问题，本发明的相干光混频器回路具有以下的构成。
(发明的构成一)
一种相干光混频器回路，其特征在于，具有由硅波导构成的四输入四输出的多模干涉回路，所述多模干涉回路的奇数位或者偶数位的两个输入经由输入波导与来自外部的信号光和参照光的输入机构连接，所述多模干涉回路的四个输出全部经由输出波导与向外部的输出机构连接，
在所述多模干涉回路的其他两个输入连接有监控波导，
所述监控波导的一方比另一方长且构成光延迟回路，
而且，构成所述光延迟回路的所述监控波导与二分支分光器的各输出连接，
所述二分支分光器的输入经由监控输入波导与来自外部的监控光输入机构连接。
(发明的构成二)
根据发明的构成一所述的相干光混频器回路，其特征在于，
在所述多模干涉回路的输出波导包含波导交叉。
(发明的构成三)
根据发明的构成一所述的相干光混频器回路，其特征在于，
所述信号光和参照光的输入机构、监控光输入机构以及输出机构的至少一个为光栅耦合器。
(发明的构成四)
根据发明的构成一所述的相干光混频器回路，其特征在于，
所述监控波导的至少一部分由硅波导形成，
所述监控波导的剩余部分、与所述监控波导连接的所述二分支分光器、所述监控输入波导以及与所述监控输入波导连接的所述监控光输入机构由形成于与硅波导不同的层的光波导形成，
所述监控波导的由硅波导形成的部分和与硅波导不同层的光波导为层间耦合。
(发明的构成五)
根据发明的构成一所述的相干光混频器回路，其特征在于，
在所述输出机构连接有光电检测器。
(发明的构成六)
根据发明的构成五所述的相干光混频器回路，其特征在于，
在所述光电检测器的后段设有光栅耦合器，
从光栅耦合器输出未被所述光电检测器吸收的光。
(发明的构成七)
一种偏振分离型相干光混频器回路，搭载有两个发明的构成一所述的相干光混频器回路，
从所述输入机构输入的参照光由分光器分为两个分支，分别向两个相干光混频器回路输入，
从所述输入机构输入的信号光由偏振分束器进行光的偏振分离，
进行了光的偏振分离的一方的偏振信号光向第一相干光混频器回路输入，
进行了光的偏振分离的另一方的偏振信号光经由偏振旋转回路向第二相干光混频器回路输入，
从两个监控光输入机构分别向两个相干光混频器回路输入监控光，
形成相干方式的偏振分集构成。
根据以上所述的本发明，能够提供一种不需要切断延迟回路的工序就能够测定相位误差的相干光混频器回路。并且，能够提供一种能够在切断成芯片之前的晶片状态下测定相位误差的相干光混频器回路。
附图说明
图1是表示以往的相干光接收回路的通常的构成的图。
图2是表示为了评价相位误差而附加了延迟回路的相干光混频器回路的芯片构成的图。
图3是表示相干光混频器回路的构成例的图。
图4是表示相干光混频器回路的另一构成例的图。
图5A是表示附加了延迟回路的图3所示的相干光混频器回路的监控光透射光谱的图。
图5B是表示附加了延迟回路的图4所示的相干光混频器回路的监控光透射光谱的图。
图6是表示本发明的第一实施方式的相干光混频器回路的构成的俯视图。
图7是图6的MMI回路的沿线段VII的剖面图。
图8是表示应用了图6的相干光混频器回路的光偏振分离/解调回路的构成的俯视图。
图9是表示图8的输入机构的构成例的图。
图10是表示图8的输出机构的构成例的图。
图11是表示图8中从输入机构穿过相干光混频器回路向各输出机构的监控光透射光谱的图。
图12是表示本发明的第二实施方式的、应用了相干光混频器回路的光偏振分离/解调回路的构成的俯视图。
图13A是将图12的光栅耦合器放大后的顶视图。
图13B是图13A的光栅耦合器的XIIIB剖面图。
图14是表示本发明的第二实施方式的、应用了相干光混频器回路的光偏振分离/解调回路的另一构成的俯视图。
图15是在本发明的第二实施方式中，在晶片状态下测定相干光混频器回路的特性的方式的示意图。
图16A是表示在本发明的第二实施方式中，从输入机构向各输出机构的监控光透射光谱的图。
图16B是表示在本发明的第二实施方式中，从输入机构向各输出机构的监控光透射光谱的图。
图17是表示本发明的第三实施方式的相干光混频器回路的构成的俯视图。
图18是表示图17的层间连接部的详细构成的俯视图。
图19是表示图17的层间连接部的XIX剖面图。
图20是表示本发明的第三实施方式的应用了相干光混频器回路的光偏振分离/解调回路的构成的俯视图。
图21是表示本发明的第四实施方式的应用了相干光混频器回路的光偏振分离/解调回路的构成的俯视图。
图22A是表示图21的光栅耦合器的详细构成的俯视图。
图22B是图22A的光栅耦合器的XXIIB剖面图。
图23是表示本发明的第五实施方式的应用了相干光混频器回路的光接收回路的构成的俯视图。
图24A是表示通常的锗光电检测器的详细构成的俯视图。
图24B是图24A的锗光电检测器的XXIVB剖面图。
图25是表示在图23中，在从输入机构输入光的情况下，从各光电检测器输出的电流值的光谱的图。
图26是表示本发明的第六实施方式的应用了相干光混频器回路的光接收回路的构成的俯视图。
图27是表示本发明的第七实施方式的应用了相干光混频器回路的光接收回路的构成的俯视图。
图28是表示本发明的第八实施方式的应用了相干光混频器回路的光接收回路的构成的俯视图。
图29是表示本发明的第九实施方式的应用了相干光混频器回路的光接收回路的构成的俯视图。
具体实施方式
以下，参照附图，针对本发明的实施方式进行详细说明。
在本发明中，采用四输入四输出的MMI回路(多模干涉回路)作为相干光混频器回路。MMI的四个输入端口中，用作相干光混频器的输入端口是两个，因此还能够额外设置两个输入端口，目的在于能够将其用于相位误差测定。
此时，作为相干光混频器而能够用于信号光和基准光的输入的输入端口受到光干涉条件的制约。当从任意一端起对四个并排的MMI的输入端口依次编号为1、2、3、4号来表现时，作为相干光混频器而能够用于信号光和基准光的输入的需要是MMI的四个输入中的1号和3号，或者2号和4号，即奇数号或者偶数号的输入。
本发明中，在相干光混频器回路的MMI，对未用于信号光和基准光的输入的其他两个输入，即在2号和4号，或者1号和3号(偶数号或者奇数号)的输入附加两个输入端口，在此处附加延迟回路和监控输入波导，能够输入监控光。由此，能够与相干光混频器回路中使用的输入端口分开地构成评价相位误差用的干涉回路，进行相位误差的评价，并且不需要在评价后切断干涉回路的工序。
[第一实施方式]
针对本发明的第一实施方式的光解调回路进行说明。
图6是表示本实施方式一的作为光解调回路的相干光混频器回路100的构成的俯视图。在图6中，示出输入波导101、102、四输入四输出设计的MMI回路103、四端口的输出波导104。
信号光以及基准光的输入波导101、102分别与MMI回路103的从图的上侧起1号、3号的输入连接。另外，在图6中，从外部的监控光输入机构向图左端的监控输入波导108输入评价相位误差用的监控光，该监控光由分光器107分为两个分支，经由形成延迟回路的两个监控波导105、106，分别与MMI回路103的从图的上侧起2号、4号的输入连接。
根据图6可知，形成延迟回路的两个监控波导105、106构成为一方的监控波导106长于另一方的监控波导105而产生延迟时间差，以便生成如图5A以及5B所示的评价相位误差用的监控光透射光谱。
在此设计为：各波导101、102、104、105、106、108的波导芯体宽度为0.5μm，MMI回路的芯体宽度为6μm且长度为55μm。
此外，如图6所示，四端口的输出波导104成为通过在MMI回路103的输出端为1、2、3、4的顺序的输出在相干光混频器回路100的输出端变为1、4、2、3的顺序的连接而包含波导交叉的波导。连接的顺序并不限于本例，在此，包含波导交叉是因为在相干光混频器100的四端口的输出由光电检测器接收时，要求以相邻两端口的光相位差分别相差180度的方式排列。来自MMI回路103的四端口的输出从上侧起的1号和4号、2号和3号分别具有180度的光相位差，因此通过交叉波导重新排列为上述顺序。
图7表示图6的MMI回路103的VII剖面处的回路构造。图7的MMI回路103为波导芯体，由硅形成。上部包层121、下部包层122均由石英玻璃形成，层叠于硅基板123上。波导103的芯体厚度为0.22μm，上部包层121的厚度为1.5μm，下部包层122的厚度为2μm。
图8是表示作为使用了两个图6的相干光混频器回路100的偏振分集构成的光接收回路的光偏振分离/解调回路130的构成的俯视图。需要说明的是，当然也可以通过一个图6的相干光混频器回路来构成非偏振分集构成的相干光解调回路。
在图8中，示出输入波导131、133、二分支分光器132、偏振分束器134、偏振旋转回路135。两个相干光混频器100如图6所示。
图8的光接收回路130可以称为偏振分离型相干光混频器电路，其为由两个相干光混频器100形成的偏振分集构成，从传输路向输入波导133输入的光信号通过偏振分束器134被分离为TE以及TM偏振光成分。
另外，TM偏振光成分的信号光在偏振旋转回路135处被转换为TE偏振光成分，结果，信号光的TE以及TM偏振光成分被分离，并且均作为TE偏振光被分别输入至两个相干光混频器100。
另一方面，从本振光源向输入波导131输入的本振光(基准光、参照光)保持为TE偏振光成分，由分光器132分配为两支而被分别输入至两个相干光混频器100。
两个相干光混频器100的各四个输出端口形成通过输出机构140、141从芯片的端面向外部输出光的构造，此输出光由设置在外部的光电检测器接收。此外，两个相干光混频器100的监控输入波导分别经由包含交叉波导的监控波导138、139，通过输入机构136、137到达芯片的端面。
图9是表示图8的输入机构136、137的构成例的图。在此，在芯片端部设有顶端变细的倒锥形波导142。倒锥形波导142顶端的波导芯体宽度为0.15μm。通过该构造，在芯片端面处，光向硅光波导的困聚变得较弱，光模直径扩大，能够较高效率地实现与外部光纤等的耦合。
图10是表示图8的输出机构140、141的构成例的图。在此也同样地，在芯片端部设有顶端变细的倒锥形波导151。倒锥形波导151顶端的波导芯体宽度为0.15μm。通过该构造，在芯片端面处，光向硅光波导的困聚变得较弱，光模直径扩大，能够较高效率地实现与外部的光电检测器的耦合。
图11是表示在图8的光偏振分离/解调回路130中，从输入机构136或者137输入监控光，从输出机构140或者141的四个输出波导分别输出的监控光的透射光谱的图。在此，输出#1、输出#2、输出#3、输出#4的光谱以由上至下的顺序分别表示输出机构140或者141的输出波导。由此，能够从与信号光以及本振光的输入分开的输入机构136或者137输入监控光，能够与现有技术同样地解析相干光混频器回路的四个输出的干涉条件，并能够实现相干光混频器回路的相位误差特性的评价。
即，根据本实施方式一的光解调回路，不需要像现有技术那样在信号光以及本振光的输入部设置延迟回路，通过从单独的输入机构136或者137输入监控光，能够评价两个相干光混频器回路的相位误差特性。该输入机构136或者137以及其后段的分光器107以及延迟回路105、106对光接收回路的实际动作完全没有影响，因此不需要拆除。
另外，对于硅光波导，由于能够以数μm来设计波导的弯曲半径，因此，波导布局的自由度高，基本不需要增大芯片尺寸就能够配置分光器107、延迟回路105、106以及连接它们的监控波导。
根据以上所述的本实施方式一，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的相干光混频器回路。
[第二实施方式]
针对本发明的第二实施方式的光解调回路进行说明。本实施方式的相干光混频器回路的主要构成与实施方式一相同，波导以及MMI回路的设计参数也与实施方式一相同。但是在本实施方式中，其特征在于输入机构以及输出机构的构成与实施方式一不同这一点。
图12是表示本实施方式二的应用了相干光混频器回路100的光偏振分离/解调回路200的构成的俯视图。在此，相干光混频器回路100的构成如实施方式一的图6所示。在图12中，示出输入波导201以及203、二分支分光器202、偏振分束器204、偏振旋转回路205。与实施方式一同样地，成为由两个相干光混频器回路100形成的偏振分集构成，从传输路向输入波导203输入的光信号通过偏振分束器204被分离为TE以及TM偏振光成分。被分离的TM偏振光成分的信号光在偏振旋转回路205处被转换为TE偏振光成分，结果，信号光的TE以及TM偏振光成分被分离，并且均作为TE偏振光被分别输入至两个相干光混频器100。
另一方面，从本振光源向输入波导201输入的本振光(基准光、参照光)保持为TE偏振光成分，由分光器202分配为两支而被分别输入至两个相干光混频器100。
在本实施方式二中，两个相干光混频器100的各四个输出端口形成通过作为输出机构的光栅耦合器210、211，使光在大致芯片回路基板面的垂直方向(在纸面中为近身方向)输出的构造，此输出光由设置在芯片回路基板的上方的光电检测器(未图示)接收。
此外，两个相干光混频器回路100的追加输入波导经由监控波导208、209，通过作为监控光输入机构的光栅耦合器206、207与设置在芯片回路基板的外部上方的光输入(光纤等)耦合。
图13A是表示图12的作为监控光输入机构的光栅耦合器206、207的构成例的顶视图。在图13A中，对锥形波导212、光栅的厚芯体部分214、光栅的薄芯体部分213进行图示。通过锥形波导212，波导宽度被扩大至10μm。
图13B表示图13A的输入侧光栅耦合器206、207的XIIIB剖面处的回路构造。在图13B中，形成光栅的波导芯体213、214由硅形成。下部包层216、上部包层217均由石英玻璃形成，层叠于硅基板215上。光栅的间距为0.7μm，波导214的各长度为0.35μm。此外，波导214部分的芯体厚度为0.22μm，波导213部分的芯体厚度为0.15μm，上部包层217的厚度为1.5μm，下部包层216的厚度为2μm。
在此，图12的作为输出机构的输出侧光栅耦合器210、211的构成也与图13A以及13B所示相同，形成左右颠倒的构成。
图14表示本实施方式二的光偏振分离/解调回路的另一构成例220，与图12的构成大致相同，但在输入波导201以及203也连接有由图13A以及13B的光栅耦合器构成的输入机构221、222，成为信号光以及本振光的输入也从芯片上方进行的方式。仅光输入的构造不同，光偏振分离/解调回路220的动作并无不同。
图15表示本实施方式二相对于实施方式一进一步的优点，是示意地表示通过使用图12或者图14的光偏振分离/解调回路的作为输入机构以及输出机构的光栅耦合器206、207、210、211，在晶片状态下测定相干光混频器回路的方法的图。
光栅耦合器206、207、210、211能够将光的方向转换至芯片上方来进行输入输出，因此不需要为了进行光的输入输出而切割成芯片来形成端面。即，能够在晶片状态下，对回路进行光的输入输出来测定特性，制造工序上具有显著优点。
在图15中，图12或者图14的光偏振分离/解调回路在切割成芯片之前的状态下排列于晶片上。对于晶片上的特定回路，使光纤231接近此光栅耦合器的上方来进行光耦合，如果将输入侧光纤与测定用监控光源连接，将输出侧光纤与检测器连接，则能够在晶片状态下与以往的芯片同样地进行回路特性的评价。
图16A、16B是表示图12或者图14的本发明的实施方式二的光偏振分离/解调回路中，在从由光栅耦合器构成的监控光输入机构206或者207输入监控光的情况下，从输出机构210或者211的四个光栅耦合器分别输出的光的透射光谱的图。图16A表示光频率194100GHz(约波长1545nm)附近，图16B表示更宽的大致C波段的整个波长区域的相同光谱。在此，输出#1、输出#2、输出#3、输出#4的光谱从上方开始依次分别表示光栅耦合器210或者211的四个输出光透射光谱。光栅耦合器与光纤的耦合率具有波长依赖性，图13A以及13B的光栅耦合器被设计为在波长1545nm附近达到最大耦合率。虽然透射光谱中也会反映光栅耦合器的耦合率，但可以减去该影响来进行解析，能够与现有技术、实施方式一同样地评价相位误差特性。
根据以上所述，实施方式二的光解调回路与实施方式一同样地，不需要在信号光以及本振光的输入部设置延迟回路，通过从单独的输入机构206或者207输入光，能够评价两个相干光混频器回路的相位误差特性。该输入机构206或者207以及其后段的分光器以及延迟回路对光解调回路的实际动作完全没有影响，因此不需要拆除。因此，根据本实施方式，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光解调回路。
而且，光栅耦合器206、207、210、211能够将光的方向转换至芯片上方来对光进行输入输出，因此不需要配置于芯片的端面。由此，能够在切割成芯片之前的晶片状态下评价相位误差特性，预先选择回路，与实施方式一相比，能够大幅度缩短芯片切割之后的检查工序。
另外，监控波导208、209能够不与其他波导交叉地形成到达输入机构206、207的布局。通过删除交叉波导，与实施方式一相比，能够降低光解调回路的插入损失。
[第三实施方式]
针对本发明的第三实施方式的光解调回路进行说明。
图17是表示本实施方式三的作为光解调回路的相干光混频器回路300的构成的俯视图。在图17中示出输入波导301以及302、四输入四输出设计的MMI回路303、包含波导交叉的四端口的输出波导304。到此为止的构成与实施方式一(图6)相同，由硅波导形成。各波导301、302、304的波导芯体宽度为0.5μm，MMI回路303的芯体宽度为6μm且长度为55μm。
在本实施方式三中，其特征在于，图17的粗线示出的延迟回路305、306、评价相位误差用的监控输入波导308通过分光器307连接，但它们是形成于与硅波导不同的层的波导。两波导间由层间连接部311、312连接。
形成于与所述硅波导不同的层的波导的波导材料优选其折射率在硅与石英的中间，具体而言，可以应用掺有杂质的石英、SiOx、SiON、Si3N4等。在本实施方式中使用Si3N4。该情况下，层间连接部311以及312的部分为Si3N4波导与硅波导的层间连接部，通过硅波导309以及310与MMI回路303连接。
图18是表示图17的层间连接部311以及312的详细构成的俯视图。Si3N4波导305和306的波导芯体宽度被设计为1.0μm。在层间连接部处形成倒锥形构造314，末端宽度缩小至0.3μm。与其连接的硅波导309、310以与倒锥形构造314重叠的方式配置有锥形波导313。锥形波导313顶端的芯体宽度为0.15μm，并扩大至0.5μm，与硅波导309以及310相连。硅波导309以及310的波导芯体宽度被设计为0.5μm。
图19表示图17的XIX剖面处的回路构造，即与层间连接部311以及312的波导垂直的剖面图。在图19中，Si3N4波导的倒锥形结构314的中途的芯体厚度为0.4μm。在图19中也示出硅的输入波导301、302、硅波导的锥形结构313的中途的剖面。下部包层322、中间包层323、上部包层324均由石英玻璃形成，层叠于硅基板321上。硅波导301、302、313的芯体厚度为0.22μm，下部包层322的厚度为2μm，中间包层323的厚度为0.32μm。即硅波导313的芯体上表面与Si3N4波导314的芯体下表面的距离为0.1μm，在层间连接部311、312，经由该间隙，从Si3N4波导314传播来的光信号被传递至硅波导313侧。此外，上部包层324的厚度为2μm。
图20是表示本实施方式三的应用了相干光混频器回路300的光偏振分离/解调回路330的构成的俯视图。在此，相干光混频器回路300的构成如图17所示。此外，与实施方式一以及二同样地，图20的实施方式三也包含输入波导331以及333、二分支分光器332、偏振分束器334、偏振旋转回路335。成为由两个相干光混频器300形成的偏振分集构成，从传输路向输入波导333输入的光信号通过偏振分束器334被分离为TE以及TM偏振光成分。被分离的TM偏振光成分的信号光在偏振旋转回路335被转换为TE偏振光成分，结果，信号光的TE以及TM偏振光成分被分离，并且均作为TE偏振光被分别输入至两个相干光混频器300。另一方面，从本振光源向输入波导331输入的本振光保持为TE偏振光成分，由分光器332分配为两支而被分别输入至两个相干光混频器300。
两个相干光混频器300的各四个输出端口形成通过输出机构340、341从芯片的端面向外部输出光的构造，此输出光由设置在外部的光电检测器接收。此外，在两个相干光混频器300，形成于Si3N4的层的监控输入波导分别经由作为Si3N4波导的监控波导338、339，到达芯片的端面。
Si3N4波导相对于硅波导具有较大的模场直径，能够在芯片端面处高效地与光纤耦合。此外，由与硅波导不同层的Si3N4波导构成监控波导338、339，由此，能够与传输信号光以及本振光的其他硅波导无损失地交叉。
根据以上所述，本实施方式三的光解调回路与实施方式一、实施方式二同样地，不需要在信号光以及本振光的输入部设置延迟回路，通过从单独的监控输入波导338或者339输入监控光，能够评价两个相干光混频器回路的相位误差特性。该监控输入波导338或者339以及其后段的分光器307和延迟回路305、306对于光解调回路的实际动作完全没有影响，因此不需拆除。由此，根据本实施方式三，也能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光解调回路。
另外，在本实施方式三中，监控输入波导338或者339与实施方式一、实施方式二相比，与光纤的耦合效率优异，因此，能够较高精度地评价相位误差。
此外，监控输入波导338或者339能够实现与硅波导无损失地交叉，因此与以往相比，能够不增加回路损失地实现光解调回路。
[第四实施方式]
对于本发明的第四实施方式的光解调回路，主要的光解调回路的构成与实施方式三相同，其特征在于，在向用于评价相位误差的监控输入波导的输入机构和从相干光混频器回路的输出波导的输出机构使用光栅耦合器。
由此，与实施方式二同样地，能够在切割成芯片之前的晶片状态下评价相位误差特性，预先选择回路，与实施方式一、实施方式三相比，能够大幅度缩短切割成芯片之后的检查工序。
图21是表示本实施方式四的光解调回路400的构成的俯视图。在此，相干光混频器回路300的构成与实施方式三的图17相同。在图21中，对输入波导401以及403、二分支分光器402、偏振分束器404、偏振旋转回路405进行图示。与其他实施方式同样地成为由两个相干光混频器300形成的偏振分集构成。
两个相干光混频器300的各四个输出端口形成通过作为输出机构的光栅耦合器410、411，使光在大致芯片基板面的垂直方向(在纸面中为近身方向)输出的构造，此输出光由设置在芯片基板面上方的光电检测器(未图示)接收。输出侧的光栅耦合器410、411由硅波导形成，其详细构造如实施方式二的图13A以及13B所示。
另一方面，在两个相干光混频器300的输入侧，形成于Si3N4的层的追加输入波导分别经由作为Si3N4波导的监控波导408、409，通过作为输入机构的光栅耦合器406、407与设置在外部上方的光输入(光纤等)耦合。光栅耦合器406、407由Si3N4波导形成。
图22A是表示由这样的Si3N4波导形成的、图21的输入侧光栅耦合器406、407的详细构成的俯视图。在图22A中，示出锥形波导412、光栅的芯体部分414、光栅的间隙部分413。
图22B表示图22A的光栅耦合器406、407的XXIIB剖面处的回路构造。在图22B中，形成光栅的波导芯体部分414由Si3N4形成。下部包层416、中间包层417、上部包层418均由石英玻璃形成，层叠于硅基板415上。
Si3N4波导414的芯体厚度为0.4μm，光栅的间距为1.05μm，各间隙413为0.5μm。上部包层418的厚度为1.5μm，中间包层417的厚度为0.32μm，下部包层416的厚度为2μm。
另一方面，图21的输出侧光栅耦合器410、411由硅波导形成，其构成与图13A以及13B所示相同，形成左右颠倒的构成。
[第五实施方式]
针对本发明的第五实施方式的光接收回路进行说明。
图23是表示本实施方式五的光接收回路500的构成的俯视图。本实施方式五的接收回路除了与实施方式一同样的光偏振分离/解调回路以外，其特征在于，在同一芯片上集成光电检测器510、511。
在图23中，示出输入波导501以及503、二分支分光器502、偏振分束器504、偏振旋转回路505。这些构成以及功能与实施方式一相同。此外，两个相干光混频器512也与实施方式一的图6所示相同。此外，两个相干光混频器512的追加输入波导也与实施方式一同样地，分别经由包含交叉波导的监控波导508、509，通过输入机构506、507到达芯片的端面。
输入机构506、507的构成与实施方式一的图9所示相同，在芯片端部设有顶端变细的倒锥形波导142，在芯片端面处扩大光模直径，较高效率地实现与光纤等的耦合。倒锥形波导142顶端的波导芯体宽度为0.15μm。
另一方面，与实施方式一不同，两个相干光混频器512的各四个输出端口分别与在同一芯片上集成的光电检测器510、511连接，将输出光转换为电信号并输出。可以使用能够与硅波导一体集成的所谓波导型锗光电检测器作为光电检测器。
图24A是表示通常的波导型锗光电检测器的详细构成的俯视图。图24B表示沿着图24A中的线段XXIVB的剖面构造。在图24B中示出，硅波导521、向硅波导的p注入区域522、向硅波导的p++注入区域523、生长于硅波导上的Ge结晶524、向Ge结晶的n注入区域525、电极526、由石英形成的上部包层527、由相同石英形成的下部包层528、硅基板529。
在本实施方式之后的实施方式中也使用通常构造的锗光电检测器，作为设计上的一个例子，下部包层538的厚度为2μm，硅波导521的芯体厚度为0.22μm，Ge结晶524的厚度为0.4μm，Ge结晶524相对于光的前进方向的长度为50μm，宽度为10μm。
图25是表示在图23的光接收回路中，从输入机构506或者507输入监控光，从各光电检测器510或者511输出的电流值的输入光波长依赖性(光频率光谱)的图。在此，PD#1、PD#2、PD#3、PD#4的波形从上方开始依次分别表示相对于光电检测器510或者511的值。由此，通过从与信号光以及本振光的输入分开的输入机构506或者507输入光，能够与现有技术同样地解析相干光混频器回路的四个输出的干涉条件，因此能够实现相干光混频器回路的相位误差特性评价。
即，根据本实施方式的光接收回路，不需要像现有技术那样地在信号光以及本振光的输入部设置延迟回路，通过从单独的输入机构506或者507输入光，能够评价两个相干光混频器回路的相位误差特性。该输入机构506或者507以及其后段的分光器以及延迟回路对于光接收回路的实际动作完全没有影响，因此不需要拆除。
根据以上所述的本实施方式，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光接收回路。并且，在本实施方式中，光电检测器也与光偏振分离/解调回路集成形成于同一芯片。因此，不需要像实施方式一那样地在芯片外部设置光电检测器就能够构成光接收回路，能够实现制作工序简略且低成本的光接收回路。
[第六实施方式]
针对本发明的第六实施方式的光解调回路进行说明。
图26是表示本实施方式六的光接收回路600的构成的俯视图。在本实施方式中的相干光混频器回路、以及由其构成的光接收回路的主要构成与实施方式五相同，其特征在于，向用于评价相位误差的监控输入波导的输入机构的构成与实施方式五不同。
在图26中，示出输入波导601以及603、二分支分光器602、偏振分束器604、偏振旋转回路605。这些构成以及功能与实施方式五相同。此外，两个相干光混频器612也与实施方式五相同，即如实施方式一的图6所示。
两个相干光混频器612的追加输入波导经由监控波导608、609到达作为输入机构的光栅耦合器606、607。两个相干光混频器612的各四个输出端口分别与同一芯片上集成的光电检测器610、611连接，输出光被接收。可以使用能够与硅波导一体集成的锗光电检测器作为光电检测器。
光栅耦合器606、607能够将光的方向转换至芯片上方来进行输入输出，因此不需要为了进行光的输入输出而形成芯片的端面。由此，如图26所示，能够设计为监控波导608、609不与其他波导交叉地到达光栅耦合器606、607，并且能够在切割成芯片之前的晶片状态下，向回路输入光。另一方面，对于在芯片上集成的光电检测器610、611，在晶片状态下使探针与电极接触，由此能够测定所输出的电流值。由此，在晶片状态下，能够测定各回路的相位误差特性。
根据以上所述，本实施方式六与实施方式五同样地，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光接收回路。并且，通过在同一芯片集成形成光电检测器，能够实现制作工序简略且低成本的光接收回路。
而且，能够在晶片状态下评价各光接收回路的相位误差特性，预先选择回路，与实施方式五相比，能够大幅度缩短切割成芯片之后的检查工序。
[第七实施方式]
针对本发明的第七实施方式的光解调回路进行说明。
图27是表示本实施方式七的光接收回路700的构成的俯视图。本实施方式七中的相干光混频器回路、以及由其构成的光接收回路的主要构成与实施方式六相同，其特征在于，在各光电检测器的后段也形成波导，并且它们与作为输出机构的光栅耦合器连接。
在图27中，对输入波导701以及703、二分支分光器702、偏振分束器704、偏振旋转回路705进行图示。这些构成及功能与实施方式六相同。此外，两个相干光混频器712也与实施方式六相同，即如实施方式一的图6所示。
两个相干光混频器712的追加输入波导经由监控波导708、809到达作为输入机构的光栅耦合器706、707。此外，两个相干光混频器712的各四个输出端口分别与在同一芯片上集成的光电检测器710、711连接，输出光被接收。可以使用能够与硅波导一体集成的锗光电检测器作为光电检测器。它们的构成以及功能也与实施方式六相同。
在本实施方式七中，各光电检测器710、711的后段进一步经由硅波导与光栅耦合器713、714连接。在实施方式六中，对相干光混频器回路712的相位误差特性进行评价时，需要使探针与光电检测器710、711的电极接触。此时，对光电检测器施加适当的偏压，因此需要准备专用电源。此外，当过度地使探针与电极接触时，则有可能使电极受损，光接收回路变得无法使用。
另一方面，在本实施方式七中，构成为：由光电检测器710、711吸收的光按一定比率用于输入，未被吸收的光导入波导，从光栅耦合器713、714输出。由此，通过在输入处使光纤与光栅耦合器706、707耦合，在输出处使光纤与光栅耦合器713、714耦合，能够评价相干光混频器回路712的相位误差特性。此时，不使用光电检测器710、711，不使探针与其电极接触，评价更加简便，并且也不存在回路无法使用的危险性。
根据以上所述，本实施方式七与实施方式六同样地，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光接收回路。并且，通过在同一芯片集成形成光电检测器，能够实现制作工序简略且低成本的光接收回路。此外，能够在晶片状态下进行相位误差特性的评价，能够大幅度缩短切割成芯片之后的检查工序。
而且，相位误差特性的评价不使用光电检测器，因此与实施方式六相比，评价更简便，能够避免因评价导致的回路无法使用的危险性。
[第八实施方式]
针对本发明的第八实施方式的光解调回路进行说明。
图28是表示本实施方式八的光接收回路800的构成的俯视图。本实施方式八中的相干光混频器回路、以及由其构成的光接收回路的主要构成与图20的实施方式三相同，省略对应构成要素的说明，本实施方式八的光接收回路也与图20的实施方式三相同，在两个相干光混频器812，形成于Si3N4的层的监控输入波导分别经由作为Si3N4波导的监控波导808、809，到达芯片的端面。
此外，本实施方式八的两个相干光混频器812的各四个输出端口分别与在同一芯片上集成的光电检测器810、811连接，输出光被转换为电信号并输出。
由此，在本实施方式八中，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光解调回路。
此外，在本实施方式八中，由Si3N4波导构成的监控输入波导808、809与光纤的耦合效率优异，因此能够较高精度地评价相位误差，能够实现与硅波导无损失地交叉，因此与以往相比能够不增加回路损失地实现光解调回路。
并且，在本实施方式中，光电检测器也与光偏振分离/解调回路在同一芯片上集成形成。因此，不需要像实施方式一那样地在芯片外部设置光电检测器就能够构成光接收回路，能够实现制作工序简略且低成本的光接收回路。
[第九实施方式]
针对本发明的第九实施方式的光解调回路进行说明。
图29是表示本实施方式九的光接收回路900的构成的俯视图。本实施方式九的主要构成与图28的实施方式八相同，省略对应构成要素的说明，本实施方式九的光接收回路与图27的实施方式七相同，在各光电检测器910、911的后段进一步经由硅波导与光栅耦合器913、914连接。
由光电检测器910、911吸收的光按一定比率用于输入，未被吸收的光导入波导，从光栅耦合器913、914输出。通过使光纤与其耦合，能够进行相干光混频器回路912的相位误差特性的评价。此时，不需要利用光电检测器910、911，也不需要使探针与其电极接触，评价更简便，并且也不存在回路无法使用的危险性。
根据以上所述，本实施方式九与实施方式八相同，能够实现能够评价相位误差特性并且不需要切断延迟回路的工序的光接收回路。并且，通过在同一芯片集成形成光电检测器，能够实现制作工序简略且低成本的光接收回路。
另外，虽然未图示，但如果与图21的实施方式四同样地也在监控光输入机构设置光栅耦合器，则能够在晶片状态下进行相位误差特性的评价，能够大幅度缩短切割成芯片之后的检查工序。
而且，由于相位误差特性的评价未使用光电检测器，因此与实施方式八相比，评价更简便，能够避免因评价导致的回路无法使用的危险性。
从以上九种实施方式表明：通过本发明，能够实现不需要切断延迟回路的工序就能够评价相位误差特性的相干光混频器回路以及光偏振分离/解调回路。
在所有实施方式中，使用了石英玻璃作为上部包层以及下部包层的材料，但本发明的应用范围并不受该材料的限定。在实施方式三、四、八、九中，由折射率比Si3N4低的材料形成即可，在其他实施方式中，由折射率比硅低的材料形成即可。
在所有实施方式中，使用了特定数值作为上部包层和下部包层的厚度，但本发明的应用范围并不受该数值的限定，具有与芯体同等程度以上的厚度即可。
在各实施方式中，未具体说明二分支分光器的构成，在硅或者Si3N4波导中实现二分支的分光器的手法有大量公知技术，可以应用其中任一种手法。作为代表性手法，有一输入、二输出的MMI等。
在各实施方式中，未具体说明偏振分束器的构成，在硅波导中实现偏振分束器的手法有大量公知技术，可以应用其中任一种手法。作为代表性手法，有单纯的定向耦合器。
在各实施方式中，未具体说明偏振旋转回路的构成，在硅波导中实现偏振旋转回路的手法有大量公知技术，可以应用其中任一种手法。作为一个例子，有专利文献1。
产业上的可利用性
如以上所述，根据本发明，能够提供一种不需要切断延迟回路的工序就能够测定相位误差的相干光混频器回路、光解调回路以及光接收回路。并且，能够提供一种能够在切断成芯片之前的晶片状态下测定相位误差的光解调回路及光接收回路。由此，根据本发明，能够削减相干光混频器回路及光偏振分离/解调回路的制造时间、成本，并且增大单位晶片上的芯片收获率。
附图标记说明
9100、130、200、220、330、400、500、600、700、800、900光偏振分离/解调回路(光解调回路、光接收回路)
9104、9105、100、300、512、612、712、812、912相干光混频器回路
9101、134、204、334、404、504、604、704、804、904偏振分束器
9102、135、205、335、405、505、605、705、805、905偏振旋转回路
9103、107、132、202、332、402、502、602、702、802、902光功率分配器
307光功率分配器(Si3N4波导)
9106、9107、510、511、610、611、710、711、810、811、910、911光电检测器
9204、9205、101、102、131、133、201、203、301、302、331、333、401、403、501、503、601、603、701、703、801、803、901、903输入波导
9200、108、138、139、208、209、508、509、608、609、708、709监控输入波导
308、338、339、408、409、808、809、908、909监控输入波导(Si3N4波导)
9206、9207、9208、9209、104、304输出波导
9202、9203、105、106、309、310延迟回路
305、306延迟回路(Si3N4波导)
9401、103、303多模干涉回路(MMI回路)
136、137、206、207、221、222、406、407、506、507、606、607、706、707输入机构
140、141、210、211、340、341、410、411、713、714、913、914输出机构
311、312层间连接部
121、217、324、418、527上部包层
323、417中间包层
122、216、322、416、528下部包层
123、215、321、415、529硅基板

Claims (6)

1.一种相干光混频器回路，其特征在于，具有由包层由石英形成的硅波导构成的四输入四输出的多模干涉回路，所述多模干涉回路的奇数号或者偶数号的两个输入经由输入波导与来自外部的信号光和参照光的输入机构连接，所述多模干涉回路的四个输出全部经由输出波导与向外部的输出机构连接，
在所述多模干涉回路的其他两个输入连接有监控波导，
所述监控波导的一方比另一方长且构成光延迟回路，
而且，构成所述光延迟回路的所述监控波导与二分支分光器的各输出连接，
所述二分支分光器的输入经由监控输入波导与来自外部的监控光输入机构连接，
所述监控波导的至少一部分由包层由石英形成的硅波导形成，
所述监控波导的剩余部分、与所述监控波导连接的所述二分支分光器、所述监控输入波导以及与所述监控输入波导连接的所述监控光输入机构由形成于与所述硅波导不同的层的光波导形成，
所述监控波导的由硅波导形成的所述一部分和形成于与所述硅波导不同的层的光波导为层间耦合，
所述层间耦合是如下构造：所述监控波导的由硅波导形成的所述一部分和形成于与所述硅波导不同的层的光波导的各自的顶端呈锥形状，所述锥形状的所述顶端的部分在俯视观察基板时在对置的方向上重叠，
形成于与所述硅波导不同的层的光波导的波导材料的折射率是硅与石英的中间的折射率，
形成于与所述硅波导不同的层的光波导的从基板上表面观察的锥形状基部的宽度形成为大于由硅形成的所述监控波导的锥形状基部的宽度。
2.根据权利要求1所述的相干光混频器回路，其特征在于，
在所述多模干涉回路的输出波导包含波导交叉。
3.根据权利要求1所述的相干光混频器回路，其特征在于，
所述信号光和参照光的输入机构、监控光输入机构以及输出机构的至少一个为光栅耦合器。
4.根据权利要求1所述的相干光混频器回路，其特征在于，
在所述输出机构连接有光电检测器。
5.根据权利要求4所述的相干光混频器回路，其特征在于，
在所述光电检测器的后级设有光栅耦合器，
从光栅耦合器输出未被所述光电检测器吸收的光。
6.一种偏振分离型相干光混频器回路，搭载有两个根据权利要求1所述的相干光混频器回路，
从所述输入机构输入的参照光由分光器分为两个分支，分别向两个相干光混频器回路输入，
从所述输入机构输入的信号光由偏振分束器进行光的偏振分离，
进行了光的偏振分离的一方的偏振信号光向第一相干光混频器回路输入，
进行了光的偏振分离的另一方的偏振信号光经由偏振旋转回路向第二相干光混频器回路输入，
从两个监控光输入机构分别向两个相干光混频器回路输入监控光，
形成相干方式的偏振分集构成。
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