JP2014182259A - Wavelength multiplexer/demultiplexer and optical integrated circuit device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は波長合分波器及び光集積回路装置に関するものであり、例えば、光通信や光インターコネクトで用いる波長合分波器及び光集積回路装置に関するものである。 The present invention relates to a wavelength multiplexer / demultiplexer and an optical integrated circuit device. For example, the present invention relates to a wavelength multiplexer / demultiplexer and an optical integrated circuit device used in optical communication and an optical interconnect.
近年、大容量インターコネクトに向けた有望な技術として、Siフォトニクスが注目を集めている。Siフォトニクス技術の主な利点は光配線の断面積が数百nm角であるため、高密度集積が可能になることが挙げられる。また、Siチップ内で波長多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)により、光配線1本当りの伝送容量向上が期待できること等が挙げられる。 In recent years, Si photonics has attracted attention as a promising technology for large-capacity interconnects. The main advantage of the Si photonics technology is that high-density integration is possible because the cross-sectional area of the optical wiring is several hundred nm square. In addition, it can be expected that transmission capacity per optical wiring can be improved by wavelength division multiplexing (WDM) within the Si chip.
Siチップ内でWDM光信号を送受信するためには、光源、光変調器及び受光器とともに、波長合分波器が必要となる。この波長合分波器はWDM光信号を必要に応じて合波・分波させるものである。この場合、波長合分波器に求められる特性としては、低損失性、低チャネル間偏差に加え、スペクトル平坦性が挙げられる。 In order to transmit and receive WDM optical signals within the Si chip, a wavelength multiplexer / demultiplexer is required along with a light source, an optical modulator and a light receiver. This wavelength multiplexer / demultiplexer multiplexes / demultiplexes WDM optical signals as necessary. In this case, the characteristics required for the wavelength multiplexer / demultiplexer include spectral flatness in addition to low loss and low channel deviation.
これらの条件を満たす素子構造として、遅延マッハ・ツェンダ干渉計(DMZI:Delayed Mach−Zehnder Interferometer)を多段にカスケード接続した波長合分波器が報告されている。米国インテル社では、DMZI型合分波器を報告している(例えば、非特許文献1参照)。 As an element structure that satisfies these conditions, a wavelength multiplexer / demultiplexer in which a delayed Mach-Zehnder interferometer (DMZI) is cascade-connected in multiple stages has been reported. US Intel Corporation has reported a DMZI type multiplexer / demultiplexer (see, for example, Non-Patent Document 1).
ここで、図11を参照して、従来技術を用いて形成した1×4ChのDMZI型波長合分波器を説明する。図11は従来技術を用いて形成した1×4ChのDMZI型波長合分波器の概念的平面図であり、光路長の異なる2本のアーム導波路811,821を対向させて入力端側と出力端側に光カプラ831、841を形成してDMZI801を形成する。光路長の長いアーム導波路821は、光路長の短いアーム導波路811に対して遅延導波路となる。 Here, a 1 × 4 Ch DMZI type wavelength multiplexer / demultiplexer formed by using the prior art will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a conceptual plan view of a 1 × 4 Ch DMZI type wavelength multiplexer / demultiplexer formed by using a conventional technique. Two arm waveguides 81 1 and 82 1 having different optical path lengths are opposed to each other at the input end. The optical couplers 83 1 and 84 1 are formed on the side and the output end side to form the DMZI 80 1 . The arm waveguide 82 1 having a long optical path length is a delay waveguide with respect to the arm waveguide 81 1 having a short optical path length.
第1ステージのDMZI801に対して2つのDMZI802,803をカスケード接続した2段ステージのDMZIで波長合分波器を構成する。この時、2つのDMZI802,803の光路長差は、第1のDMZI801の光路長差の1/2とするとともに、一方のDMZI803に位相を制御する位相シフタ853を設けて第2のDMZI802に対してπ/2(=λ/4)の位相差を形成する。なお、この位相シフタ853は一般的には単に導波路長を調整して形成するほか、導波路幅をテーパ状に変化させて形成することもできる。
A wavelength multiplexer / demultiplexer is constituted by a two-stage DMZI in which two DMZIs 80 2 and 80 3 are cascade-connected to the
このような2段ステージ構造のDMZIで波長合分波器は、良好な合分波特性が得られるものの、スペクトル形状は放物線関数的になり、スペクトル平坦性は原理的に得られないという問題がある。 The wavelength multiplexer / demultiplexer with DMZI having such a two-stage structure can obtain good multiplexing / demultiplexing characteristics, but the spectrum shape becomes a parabolic function, and the spectral flatness cannot be obtained in principle. There is.
そこで、このような問題を解消するために、米国IBM社は、光路長差の異なるDMZIを助長に接続し、各DMZIにおける光結合率kiを適正化し、スペクトル平坦性を得ることを提案している(例えば、非特許文献2参照)。ここで、図12を参照して、提案による改良型波長合分波器を説明する。 To solve this problem, IBM Corporation connects different DMZI optical path length difference to facilitate and optimize the optical coupling ratio k i of each DMZI, it proposes to obtain spectral flatness (For example, refer nonpatent literature 2). Here, the proposed improved wavelength multiplexer / demultiplexer will be described with reference to FIG.
図12は、提案による改良型波長合分波器の概念的平面図であり、第1ステージのDMZI801に対して、光路長差が第1ステージのDMZI801より大きく且つ互いに位相差を有する2つのDMZI804,805を直列に接続する。また、第2ステージの2つのDMZI802,803にもそれぞれ光路長差が第2ステージのDMZI802,803より大きく且つ互いに位相差を有する2つのDMZI806,807を直列に接続する。なお、DMZI805及びDMZI807には位相シフタ855,857が形成されている。ここで、各光カプラ831〜833,841〜847の光結合係数kを図に示すように設定することによってスペクトル平坦性を得ている。
Figure 12 is a schematic plan view of an improved type wavelength demultiplexer according to the proposed, has for DMZI80 1 of the first stage, the optical path length difference to increase and the phase difference from each other than DMZI80 1 of the
また、DMZIの光路長の短い方のアーム導波路にリング共振器を光結合させて、オールパス型リング共振器(AP−MRR:All−Pass MicroRing Resonator)を構成することによって、スペクトル平坦性が得られることが知られている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, a spectral resonator can be obtained by optically coupling a ring resonator to an arm waveguide having a shorter optical path length of DMZI to form an all-pass type ring resonator (AP-MRR: All-Pass MicroRing Resonator). (For example, refer to Patent Document 1).
図13は、従来のオールパス型リング共振器の説明図であり、図13(a)は概念的平面図であり、図13(b)は光カプラからの光出力特性の説明図である。図13(a)に示すように、光路長の異なる2本のアーム導波路91,92を対向させて入力端側と出力端側に光カプラ93,94を形成したDMZI90の光路長の短いアーム導波路91にリング共振器96を光結合してAP−MRRを形成する。光カプラ93の入力ポートに複数の波長λ1〜λ6を含む波長多重光を入射すると、光カプラ94の2つの出力ポートから、1チャネル毎に振り分けられてλ1,λ3,λ5及λ2,λ4,λ6として出力される。
FIG. 13 is an explanatory diagram of a conventional all-pass ring resonator, FIG. 13 (a) is a conceptual plan view, and FIG. 13 (b) is an explanatory diagram of optical output characteristics from an optical coupler. As shown in FIG. 13A, an arm having a short optical path length of a
また、図13(b)に示すように、ほぼ全波長に対して平坦な透過スペクトル特性を示している。 Further, as shown in FIG. 13B, the transmission spectrum characteristics are flat for almost all wavelengths.
しかし、図11に示す波長合分波器の場合には、上述のようにスペクトル平坦性が原理的に得られないという問題がある。また、図12に示す改良型の波長号分波器はスペクトル平坦性は得られるものの、各DMZI段の光カプラにおける光結合率kの制御点数が多いほか、DMZIの数が必然的に増え、素子サイズが増すという問題がある。 However, the wavelength multiplexer / demultiplexer shown in FIG. 11 has a problem that spectral flatness cannot be obtained in principle as described above. In addition, although the improved wavelength branching filter shown in FIG. 12 provides spectral flatness, the number of control points of the optical coupling rate k in each optical coupler of each DMZI stage is large, and the number of DMZIs inevitably increases. There is a problem that the element size increases.
さらに、場合によっては、素子加工精度に伴う変形による特性劣化を補正する必要性が出てくるが特性劣化を補正するために、光出力のモニタリングが必要になる。しかし、過去の報告例の場合、モニタリングを行うことが極めて困難であり、実用上問題となる。 Furthermore, in some cases, it becomes necessary to correct the characteristic deterioration due to deformation accompanying the element processing accuracy. However, in order to correct the characteristic deterioration, it is necessary to monitor the light output. However, in the case of past reports, it is extremely difficult to perform monitoring, which is a problem in practice.
また、図13に示したAP−MRRも単独では、波長の異なる複数の光信号を合成して波長多重光を生成するとともに、波長多重光を分波して各波長毎の光信号を生成する波長合分波器としての機能を実現することはできないという問題がある。また、このAP−MRRをカスケード接続したとしても、スペクトル平坦性と低クロストーク特性を実現するための条件設定が非常に困難であるという問題がある。 In addition, the AP-MRR shown in FIG. 13 alone generates a wavelength multiplexed light by combining a plurality of optical signals having different wavelengths, and generates an optical signal for each wavelength by demultiplexing the wavelength multiplexed light. There is a problem that the function as a wavelength multiplexer / demultiplexer cannot be realized. Further, even if the AP-MRRs are cascade-connected, there is a problem that it is very difficult to set conditions for realizing spectral flatness and low crosstalk characteristics.
したがって、波長合分波器及び光集積回路装置において、素子サイズの増大の抑制とスペクトル平坦性の向上を両立するとともに、光出力のモニタリングを可能にすることを目的とする。 Accordingly, it is an object of the wavelength multiplexer / demultiplexer and the optical integrated circuit device to simultaneously suppress the increase in the element size and improve the spectral flatness and to monitor the optical output.
開示する一観点からは、光路長の異なる2本のアーム導波路を対向させて入力端側と出力端側に光カプラを形成した第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計と、前記相対的に光路長が短いアーム導波路に光結合されたアド・ドロップ型リング共振器と、前記第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方の光カプラを介してカスケード接続され、前記第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の光路長差の1/2の光路長差の第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計と、前記第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方に設けられた第1の位相シフタと、を少なくとも備え、前記アド・ドロップ型リング共振器のアドポート側の光結合率が、ドロップポート側への光結合率の10倍〜30倍であることを特徴とする波長合分波器が提供される。 From one aspect disclosed, a first delay Mach-Zehnder interferometer in which two arm waveguides having different optical path lengths are opposed to each other and optical couplers are formed on an input end side and an output end side, and the relative optical path An add / drop ring resonator optically coupled to a short arm waveguide and cascaded via one optical coupler of the first delay Mach-Zehnder interferometer, the first delay Mach-Zehnder A second delay Mach-Zehnder interferometer, a third delay Mach-Zehnder interferometer, a second delay Mach-Zehnder interferometer, a third delay Mach-Zehnder interferometer, and a third delay Mach-Zehnder interferometer; At least a first phase shifter provided on one side of the delay Mach-Zehnder interferometer, and the optical coupling rate on the add port side of the add / drop ring resonator is 10% of the optical coupling rate to the drop port side Double Wavelength demultiplexer, which is a 0-fold is provided.
また、開示する別の観点からは、上述の波長合分波器と、前記波長合分波器のカスケード接続を構成する最終段の各遅延マッハ・ツェンダ干渉計の出力端に受光器を接続して形成した受光器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置が提供される。 From another viewpoint to be disclosed, a light receiver is connected to the output terminal of each delay Mach-Zehnder interferometer constituting the cascade connection of the wavelength multiplexer / demultiplexer and the wavelength multiplexer / demultiplexer. There is provided an optical integrated circuit device characterized by comprising an optical receiver array formed in this manner.
開示の波長合分波器及び光集積回路装置によれば、素子サイズの増大の抑制とスペクトル平坦性の向上を両立と、光出力のモニタリングが可能になる。 According to the disclosed wavelength multiplexer / demultiplexer and the optical integrated circuit device, it is possible to monitor the optical output while simultaneously suppressing the increase in the element size and improving the spectral flatness.
ここで、図1乃至図3を参照して、本発明の実施の形態の波長合分波器を説明する。図1は、本発明に至る前の検討例の説明図であり。ここでは、図13に関して説明したAP−MRRを用いた波長合分波器について検討した。図1は、検討例の説明図であり、図1(a)は検討例の波長合分波器の概念的平面図であり、図1(b)は、アンチレゾナンス条件の説明図である。 Here, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 3, the wavelength multiplexer / demultiplexer of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is an explanatory diagram of a study example before reaching the present invention. Here, the wavelength multiplexer / demultiplexer using the AP-MRR described with reference to FIG. 13 was examined. FIG. 1 is an explanatory diagram of a study example, FIG. 1 (a) is a conceptual plan view of a wavelength multiplexer / demultiplexer of the study example, and FIG. 1 (b) is an explanatory diagram of an anti-resonance condition.
図1(a)に示すように、第1ステージのDMZI801にリング共振器86を光結合してAP−MRRを形成するとともに、カスケード接続する第2ステージのDMZI802,803を従来と同じ構造にしたものである。この場合、第1ステージのDMZI801とAP−MRRとの光結合は、リング共振器86のサイズ及び形状で決まる共振(レゾナンス)の影響を受けないようにアンチレゾナンス条件を満たす必要がある。即ち、図1(b)に示すように、AP−MRRのFSR(Free Spectral Range)をチャネル間隔に合わせ、且つ、その中心波長λMRRをπラジアンシフトさせる必要がある。
As shown in FIG. 1 (a), to form the AP-MRR by the
このように、第1ステージのDMZI801とリング共振器86によるAP−MRRがアンチレゾナンス条件を満たすと、図2に示すように、放物線型ではなく箱型の平坦な透過スペクトル特性が得られ、その結果、過剰損が生じなくなる。なお、ここでは、チャネル間隔を400GHzとし、光結合効率kMAを0.75とした計算例を示している。
Thus, AP-MRR by DMZI80 1 and the
しかし、図1(a)に示した構造の波長合分波器は、作製段階でDMZI801とリング共振器86との間に一定の位相誤差が生じると、透過スペクトル特性の劣化が避けられないという問題がある。さらに、入力チャネルからの光導波路が全て出力チャネルにつながっているため、合分波特性をモニターすることは極めて困難である。そのため、位相差が発生している場合に、劣化した透過スペクトル特性を補正することも容易ではない。
However, the wavelength demultiplexer having the structure shown in FIG. 1 (a), the constant phase error between the DMZI80 1 and the
そこで、本発明者は鋭意検討の結果、第1ステージのDMZIに結合するリング共振器をアド・ドロップ型リング共振器(AD−MRR:Add−Drop MicrRing Resonator)とすることで、上述の問題を解決した。 Therefore, as a result of intensive studies, the present inventor has made the ring resonator coupled to the first stage DMZI an add-drop type ring resonator (AD-MRR: Add-Drop MicroRing Resonator). Settled.
図3は、本発明の実施の形態の波長合分波器の説明図であり、ここでは、1×4ChのDMZI型波長合分波器として説明する。図3(a)は本発明の実施の形態の波長合分波器の概念的平面図であり、図3(b)は、透過スペクトル特性図である。図3(a)に示すように、光路長の異なる2本のアーム導波路111,121を対向させて入力端側と出力端側に光カプラ131、141を形成してDMZI101を形成する。光路長の長いアーム導波路121は、光路長の短いアーム導波路111に対して遅延導波路となり、両者の光路長差によりチャネル間隔が規定される。 FIG. 3 is an explanatory diagram of the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the embodiment of the present invention. Here, it will be described as a 1 × 4 Ch DMZI type wavelength multiplexer / demultiplexer. FIG. 3A is a conceptual plan view of the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the embodiment of the present invention, and FIG. 3B is a transmission spectrum characteristic diagram. As shown in FIG. 3A, two arm waveguides 11 1 and 12 1 having different optical path lengths are opposed to each other to form optical couplers 13 1 and 14 1 on the input end side and the output end side to form DMZI 10 1. Form. The long arm waveguide 121 of the optical path length becomes a delay waveguide for short arm waveguide 11 1 of the optical path length, channel spacing is defined by the optical path length difference between them.
本発明においては、光路長の短いアーム導波路111にリング導波路からなるリング共振器16を光結合させるとともに、光路長の短いアーム導波路111と対向する側に導波路17を光結合させてアド・ドロップ型のリング共振器とする。この場合もアンチレゾナンス条件を満たすように設計する。
In the present invention, the
第1ステージのDMZI101に対して従来と同様に2つのDMZI102,103をカスケード接続した2段ステージ構造のDMZIで波長合分波器を構成する。この時、2つのDMZI102,103の光路長差は、第1のDMZI101の光路長差の1/2とするとともに、一方のDMZI103に位相を制御する位相シフタ153を設けて第2のDMZI102に対してπ/2(=λ/4)の位相差を形成する。なお、この位相シフタ153は一般的には単に導波路長を調整して形成する。
Constituting the wavelength demultiplexer in DMZI conventional as well as two DMZI10 2, 10 3 the second stage structure cascaded with respect DMZI10 1 of the first stage. At this time, the difference between the optical path lengths of the two DMZIs 10 2 and 10 3 is ½ of the optical path length difference of the first DMZI 10 1 , and the
ここで、光路長の短いアーム導波路111とリング共振器16との光結合効率、即ち、アドポート側の光結合効率kMAと導波路17とリング共振器16との光結合効率、即ち、ドロップポート側の光結合効率kMBを非対称に設定する。
Here, the optical coupling efficiency between the arm waveguides 11 1 short optical path length and the
光結合効率kMAとは65%以上とし、光結合効率kMBは6.5%以下にし、且つ、kMA≫10kMBに設定する。kMA<10kMBの場合には、ドロップポートへの光の取り出しが大きすぎて過剰損が増大するとともに透過スペクトル特性の平坦性が失われる。一方、kMBは3%よりは大きく設定することが望ましく、kMBが小さすぎると、ドロップポート側への取り出し量が少なすぎて十分なモニター出力が得られなくなる。 The optical coupling efficiency k MA is set to 65% or more, the optical coupling efficiency k MB is set to 6.5% or less, and k MA >> 10 k MB is set. In the case of k MA <10 k MB , the extraction of light to the drop port is too large, the excess loss increases, and the flatness of the transmission spectrum characteristic is lost. On the other hand, it is desirable to set k MB larger than 3%. If k MB is too small, the amount taken out to the drop port side is too small to obtain a sufficient monitor output.
図3(b)は、チャネル間隔を400GHzとし、kMA=0.75(75%)、kMB=0.05(5%)に設定した場合の透過スペクトル特性図であり、図2に示した透過スペクトル特性とほぼ同様なスペクトル平坦性が得られることがわかる。また、このAD−MRRに伴う過剰損失は約0.05dBに過ぎず、ほとんど合分波特性に影響を与えない。 FIG. 3B is a transmission spectrum characteristic graph when the channel interval is set to 400 GHz, k MA = 0.75 (75%), and k MB = 0.05 (5%). It can be seen that substantially the same spectral flatness as the transmission spectral characteristics can be obtained. Further, the excess loss associated with the AD-MRR is only about 0.05 dB, and hardly affects the multiplexing / demultiplexing characteristics.
このように、第1ステージのDMZIにアド・ドロップ型のリング共振器を光結合してカスケード接続構造の波長合分波器とすることにより、小型サイズで、低損失かつ平坦な透過スペクトル特性を有し、且つ、モニタリングによる波形補正も可能になる。 In this way, an add / drop ring resonator is optically coupled to the DMZI of the first stage to form a cascade-connected wavelength multiplexer / demultiplexer, thereby achieving a small size, low loss and flat transmission spectrum characteristics. And waveform correction by monitoring is also possible.
なお、モニタリングのためには、導波路17の出力端にフォトダイオード等の受光素子を設ければ良い。また、モニタリングによる波形補正のためには、リング共振器16の屈折率を変えれば良く、加熱して良いし、紫外線を照射しても良いし、或いは、リング導波路のコア層に電流を注入しても良い。
For monitoring, a light receiving element such as a photodiode may be provided at the output end of the
リング共振器16を加熱する場合には、Ti等を用いたヒータパターンをリング共振器16の上に設ければ良く、パターン形状としては、通常のヒータのような蛇行パターンでも良いし、或いは、リング共振器16の形状に沿った形状のパターンでも良い。
When heating the
また、図3(a)の場合には、1×4Ch構成で示しているが、第2ステージの後段に第3ステージのDMZI等を更にカスケード接続して多段構造の波長合分波器としても良い。その場合、各ステージに設ける位相シフタ153の位相シフト量は、チャネル間隔を均等に分割するように設定する必要がある。
In addition, in the case of FIG. 3A, a 1 × 4 Ch configuration is shown, but a third stage DMZI or the like is further cascade-connected to the subsequent stage of the second stage, so that a multi-stage wavelength multiplexer / demultiplexer can be obtained. good. In that case, the amount of phase shift in the
また、最終段のDMZIの各出力端にフォトダイオード等の受光素子を設けることによって、パッシブ型の光集積回路装置を構成することができる。なお、このような各導波路構造は、一般的には、コア層として単結晶シリコンを用い、クラッド層としてSiO2を用いる。 Further, by providing a light receiving element such as a photodiode at each output end of DMZI in the final stage, a passive type optical integrated circuit device can be configured. Each waveguide structure generally uses single crystal silicon as a core layer and SiO 2 as a cladding layer.
次に、図4及び図5を参照して、本発明の実施例1の波長合分波器を説明する。図4は、本発明の実施例1の波長合分波器の概念的平面図である。図4に示すように、光路長の異なる2本のアーム導波路211,221を対向させて入力端側と出力端側に光カプラ231、241を形成してDMZI201を形成する。ここで、1.55μm近傍の波長でチャネル間隔を400GHzとした場合、DMZI201の光路長差LD1を90μmとする。
Next, the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a conceptual plan view of the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, two
光路長の短いアーム導波路211にリング導波路からなるリング共振器26を光結合させるとともに、光路長の短いアーム導波路211と対向する側に導波路27を光結合させてアド・ドロップ型のリング共振器とする。この場合のリング共振器26の周回長LM1を180μmとする。
この場合もアンチレゾナンス条件を満たすように設計し、kMA=0.75、kMB=0.05に設定する。
The
In this case as well, the anti-resonance condition is designed, and k MA = 0.75 and k MB = 0.05 are set.
このような光結合率に設定するためには、方向性結合器を形成し、それぞれの結合導波路の間隔を調整するものであり、結合導波路長を14μmとした場合、所望の光結合率を得るための結合導波路間の間隔(Gap)はそれぞれ0.16μm及び0.35μmになる。 In order to set such an optical coupling rate, a directional coupler is formed and the interval between the coupling waveguides is adjusted. When the coupling waveguide length is 14 μm, a desired optical coupling rate is obtained. The gaps (Gap) between the coupling waveguides for obtaining the above are 0.16 μm and 0.35 μm, respectively.
また、第1ステージのDMZI201に対して2つのDMZI202,203をカスケード接続して2段ステージ構造のDMZIで1×4Chの波長合分波器を構成する。この時、2つのDMZI202,203の光路長差は、それぞれ45μmとし、DMZI203に光路長を若干長くした位相シフタ253を設けてDMZI202に対してπ/2(=λ/4)の位相差を形成する。
Also, to configure two DMZI20 2, 20 3 and 1 × 4Ch wavelength demultiplexer in DMZI the second stage structure by cascade-connected to DMZI20 1 of the first stage. At this time, the two
次に、図5を参照して、本発明の実施例1の波長合分波器の製造工程を説明するが、ここでは、一つの導波路部の断面構造で説明する。まず、図5(a)に示すように、シリコン基板31上にSiO2膜32を介して厚さが0.25μmの単結晶シリコン層33を設けたSOI基板を準備する。
Next, a manufacturing process of the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5. Here, a cross-sectional structure of one waveguide portion will be described. First, as shown in FIG. 5A, an SOI substrate in which a single
次いで、図5(b)に示すように、露光プロセスによって幅が0.48μmの導波路ストライプ構造のレジストパターン34を形成し、ドライエッチングを行ってコア層35を形成してチャネル導波路構とする。次いで、図5(c)に示すように、レジストパターン34を除去したのち、全面にSiO2膜36を堆積することによってクラッド層とする。
Next, as shown in FIG. 5B, a resist
なお、図5(d)に示すように、コア層を形成する際に、0.05μmの高さのスラブ部37を残すことによりリブ導波路構造としても良い。このように、コア層35の両脇にスラブ部37を形成しておくと、電流注入により導波路の屈折率を変えることができる。
As shown in FIG. 5D, a rib waveguide structure may be formed by leaving a
このように、本発明の実施例1においては、第1ステージのDMZIにリング導波路を光結合してアド・ドロップ型のリング共振器を形成しているので、サイズの小型化と平坦な透過スペクトル特性を両立することができる、且つ、モニタリングも可能になる。 As described above, in the first embodiment of the present invention, the ring waveguide is optically coupled to the DMZI of the first stage to form the add / drop type ring resonator. Spectral characteristics can be compatible and monitoring is also possible.
次に、図6を参照して、本発明の実施例2の波長合分波器を説明するが、この実施例2の波長号分波器は、実施例1の波長合分波器の出力ポートに第3ステージのDMZIをカスケード接続したものである。 Next, the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. The wavelength multiplexer / demultiplexer according to the second embodiment is the output of the wavelength multiplexer / demultiplexer according to the first embodiment. A third stage DMZI is cascade-connected to the port.
図6は、本発明の実施例2の波長合分波器の概念的平面図であり、実施例1の波長合分波器の第2ステージのDMZI202,203にそれぞれ第3ステージのDMZI204〜207をカスケード接続する。この時、第3ステージのDMZI204〜207の光路長差は第2ステージのDMZI202,203の光路長差の1/2の22.5μmとする。また、DMZI205に設ける位相シフタ255は、DMZI204に対して+π/2の位相差が形成されるようにする。
Figure 6 is a schematic plan view of the wavelength demultiplexer of the second embodiment of the present invention, the
また、DMZI206に設ける位相シフタ256は、位相差が−π/4になるように設定し、DMZI207に設ける位相シフタ257は、位相差が+π/4になるように設定する。
The
このように、設定することによって、400GHzのチャネル間隔に波長が均等にずれた8つのチャネルを構成することができる。なお、更に多段にカスケード接続する場合には、順次光路長差を1/2にするとともに、各位相シフタによる位相差が順次±1/2だけ細分化するように設定する。 Thus, by setting, it is possible to configure eight channels whose wavelengths are evenly shifted at a channel interval of 400 GHz. In the case of cascade connection in more stages, the optical path length difference is set to 1/2 in turn, and the phase difference by each phase shifter is set to be subdivided by ± 1/2 sequentially.
次に、図7乃至図10を参照して、本発明の実施例3の光集積回路装置を説明する。図7は本発明の実施例3の光集積回路装置の概念的平面図であり、実施例1の波長合分波器の各出力端にフォトダイオードを接続したものである。また、ここでは、リング導波路上にヒータを設けて屈折率を変化させて位相制御を可能にしている。
Next, an optical integrated circuit device according to
図7に示すように、第2ステージのDMZI202,203の各出力ポートにフォトダイオード401〜404を接続するとともに、ドロップポート側の導波路27の出力端にもモニター用のフォトダイオード405を設けたものである。この場合の各フォトダイオード401〜405は、各出力ポートのコア層にバッドジョイント結合するようにゲルマニウム層を成長させてpin構造のフォトダイオードを形成すれば良い。また、リング共振器26の上には、投影的に重なるようにヒータ50を設ける。
As shown in FIG. 7,
図8は、ヒータの説明図であり、図8(a)は概略的平面図であり、図8(b)は図8(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。図に示すように、クラッド層となるSiO2膜36の上にTiパターン51を形成し、全面を再びSiO2膜52で覆ったのち、Tiパターン51の端部にAlコンタクト53を設けてヒータ50とする。
8A and 8B are explanatory views of the heater, FIG. 8A is a schematic plan view, and FIG. 8B is a schematic cross-section along the alternate long and short dash line connecting AA 'in FIG. 8A. FIG. As shown in the figure, a
このように、ドロップポート側に接続したフォトダイオード405を波長制御用モニターとして用いると、DMZI201とリング共振器26との間に意図しない位相ズレが生じても、そのズレを定量的にモニターできる。また、モニターした結果に基づいてヒータ50に流す電流量を制御することで、位相ズレを補償して劣化したスペクトル特性を補正することができる。なお、加熱により温度が上昇すると屈折率が高くなり、波長が長波長側にシフトする。
Thus, use of the
図9は、モニターの原理及び透過スペクトル特性の説明図である。図10(a)に示すように、作製工程の位相ズレに応じて透過スペクトル特性が大幅に劣化する。この場合、特性劣化の度合いは、モニター用のフォトダイオード405に流れる電流値を観測すれば良い。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the principle of the monitor and transmission spectrum characteristics. As shown in FIG. 10 (a), the transmission spectral characteristics are greatly deteriorated according to the phase shift in the manufacturing process. In this case, the degree of characteristic deterioration may be observed value of the current flowing through the
アンチレゾナンス条件を満たす場合、フォトダイオード405に流れる電流値は最小となるため、図9(b)に示すように、ヒータ50を駆動してフォトダイオード405に流れる電流値が最小になるまで調整する。その結果、図9(c)に示すように、所望の波長合分波特性を得ることができる。つまり、フォトダイオード405に流れる電流量が最小になるように制御するだけで、平坦な透過スペクトル特性を得ることができるため、極めて簡便に波形制御を行うことができる。
If anti-resonance condition is satisfied, since the current value is the minimum flow in the
図10は、1つのチャネルの透過スペクトル特性とクロストークの改善効果の説明図であり、図10(a)は透過スペクトル特性を示し、図10(b)は、クロストークを示している。図10(a)に示すように、モニター構造とヒータを設けることにより、製造工程で発生する位相ズレを補償しているので、図11に示した従来構造の波長合分波器の特性に比べて低損失で平坦な透過スペクトル特性が得られる。 FIG. 10 is an explanatory diagram of the transmission spectrum characteristic and crosstalk improvement effect of one channel, FIG. 10A shows the transmission spectrum characteristic, and FIG. 10B shows the crosstalk. As shown in FIG. 10A, the phase shift generated in the manufacturing process is compensated by providing a monitor structure and a heater, so that the characteristics of the wavelength multiplexer / demultiplexer having the conventional structure shown in FIG. And low transmission loss and flat transmission spectral characteristics.
また、図10(b)に示すクロストークXTも、-1dBと-10dBに対する帯域幅の比で定義されるシェイプファクタは〜0.74と見積もられ、従来素子の場合と比べて2倍以上大きくなっている。また、透過スペクトル平坦性により、一定値以下のXTが得られる帯域幅も広がる。この場合、全チャネルにおけるXTが-10dB以下となる帯域幅は、本発明素子の場合、2.4nm(波長間隔の75%)と見積もられ、従来素子の場合よりは2倍以上大きくなっている。 In addition, the crosstalk XT shown in FIG. 10B is estimated to have a shape factor defined by the ratio of the bandwidth to -1 dB and -10 dB to ˜0.74, which is more than twice that of the conventional device. It is getting bigger. Also, the transmission spectrum flatness increases the bandwidth for obtaining XT below a certain value. In this case, the bandwidth at which XT in all channels is -10 dB or less is estimated to be 2.4 nm (75% of the wavelength interval) in the case of the element of the present invention, and is twice or more larger than that in the case of the conventional element. Yes.
ここで、実施例1乃至実施例3を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。(付記1)光路長の異なる2本のアーム導波路を対向させて入力端側と出力端側に光カプラを形成した第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計と、前記相対的に光路長が短いアーム導波路に光結合されたアド・ドロップ型リング共振器と、前記第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方の光カプラを介してカスケード接続され、前記第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の光路長差の1/2の光路長差の第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計と、前記第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方に設けられた第1の位相シフタと、を少なくとも備え、前記アド・ドロップ型リング共振器のアドポート側の光結合率が、ドロップポート側への光結合率の10倍〜30倍であることを特徴とする波長合分波器。
(付記2)前記アドポート側の光結合率が、65%以上であり、且つ、ドロップポート側の光結合率が6.5%以下であることを特徴とする付記1に記載の波長合分波器。
(付記3)前記第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の前記カスケード接続の下流側にある光カプラに、前記第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の光路長差の1/2の光路長差の第4の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第5の遅延マッハ・ツェンダ干渉計をカスケード接続するとともに、前記第4の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第5の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方に第2の位相シフタを設け、且つ、前記第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の前記カスケード接続の下流側にある光カプラに、前記第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の光路長差の1/2の光路長差の第6の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第7の遅延マッハ・ツェンダ干渉計をカスケード接続するとともに、前記第6の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第7の遅延マッハ・ツェンダ干渉計に互いに位相シフト量が逆になる第3の位相シフタ及び第4の位相シフタを設けたカスケード接続構造を順次多段に構成することを特徴とする付記1または付記2に記載の波長合分波器。
(付記4)前記ドロップポートの出力端にモニター用受光器を設けたことを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1に記載の波長合分波器。
(付記5)前記アド・ドロップ型リング共振器の少なくとも一部を投影的に覆うように加熱部材を設けたことを特徴とする付記4に記載の波長合分波器。
(付記6)前記アーム導波路及びアド・ドロップ型リング共振器のコア層がシリコン単結晶からなり、前記コア層を覆うクラッド層がSiO2からなることを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1に記載の波長合分波器。
(付記7)付記1乃至付記6のいずれか1に記載の波長合分波器と、前記波長合分波器のカスケード接続を構成する最終段の各遅延マッハ・ツェンダ干渉計の出力端に受光器を接続して形成した受光器アレイとを備えたことを特徴とする光集積回路装置。
Here, the following supplementary notes are attached to the embodiments of the present invention including Examples 1 to 3. (Supplementary note 1) The first delay Mach-Zehnder interferometer in which two optical waveguides having different optical path lengths are opposed to each other and optical couplers are formed on the input end side and the output end side, and the optical path length is relatively short. An add / drop ring resonator optically coupled to the arm waveguide and one of the optical couplers of the first delay Mach-Zehnder interferometer are cascade-connected, and the first delay Mach-Zehnder interferometer A second delay Mach-Zehnder interferometer and a third delay Mach-Zehnder interferometer having an optical path length difference of ½ of the optical path length difference, and the second delay Mach-Zehnder interferometer and the third delay Mach At least a first phase shifter provided on one side of the Zehnder interferometer, and the optical coupling rate on the add port side of the add / drop ring resonator is 10 to 30 times the optical coupling rate to the drop port side Is double Wavelength demultiplexer according to claim and.
(Supplementary note 2) The wavelength multiplexing / demultiplexing according to
(Supplementary Note 3) An optical coupler on the downstream side of the cascade connection of the second delay Mach-Zehnder interferometer has an optical path length difference of ½ of the optical path length difference of the second delay Mach-Zehnder interferometer. A fourth delay Mach-Zehnder interferometer and a fifth delay Mach-Zehnder interferometer are cascade-connected, and a second one is connected to one of the fourth delay Mach-Zehnder interferometer and the fifth delay Mach-Zehnder interferometer. And an optical coupler on the downstream side of the cascade connection of the third delay Mach-Zehnder interferometer is half the optical path length difference of the third delay Mach-Zehnder interferometer. A sixth delay Mach-Zehnder interferometer and a seventh delay Mach-Zehnder interferometer having optical path length differences are cascade-connected, and the sixth delay Mach-Zehnder interferometer and the seventh delay map are connected. The wavelength according to
(Supplementary note 4) The wavelength multiplexer / demultiplexer according to any one of
(Supplementary note 5) The wavelength multiplexer / demultiplexer according to
(Supplementary note 6) Any one of
(Supplementary note 7) The wavelength multiplexer / demultiplexer according to any one of
101〜103 DMZI
111〜113,121〜123 アーム導波路
131〜133,141〜143 光カプラ
153 位相シフタ
16 リング共振器
17 導波路
201〜207 DMZI
211〜217,221〜227 アーム導波路
231〜237,241〜247 光カプラ
253,255〜257 位相シフタ
26 リング共振器
27 導波路
31 シリコン基板
32 SiO2膜
33 単結晶シリコン層
34 レジストパターン
35 コア層
36 SiO2膜
37 スラブ部
401〜405 フォトダイオード
50 ヒータ
51 Tiパターン
52 SiO2膜
53 Alコンタクト
801〜807 DMZI
811〜817,821〜827 アーム導波路
831〜837,841〜847 光カプラ
853,855,856,857 位相シフタ
86 リング共振器
90 DMZI
91,92 アーム導波路
93,94 光カプラ
96 リング共振器
10 1 to 10 3 DMZI
11 1 to 11 3 , 12 1 to 12 3 arm waveguides 13 1 to 13 3 , 14 1 to 14 3
21 1 to 21 7 , 22 1 to 22 7 arm waveguide 23 1 to 23 7 , 24 1 to 24 7
81 1-81 7, 82 1-82 7
91, 92
Claims (5)
前記相対的に光路長が短いアーム導波路の光結合されたアド・ドロップ型リング共振器と、
前記第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方の光カプラを介してカスケード接続され、前記第1の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の光路長差の1/2の光路長差の第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計と、
前記第2の遅延マッハ・ツェンダ干渉計及び第3の遅延マッハ・ツェンダ干渉計の一方に設けられた第1の位相シフタと、
を少なくとも備え、
前記アド・ドロップ型リング共振器のアドポート側の光結合率が、ドロップポート側への光結合率の10倍〜30倍であることを特徴とする波長合分波器。 A first delay Mach-Zehnder interferometer in which two arm waveguides having different optical path lengths are opposed to each other and optical couplers are formed on the input end side and the output end side;
An optically coupled add / drop ring resonator of an arm waveguide having a relatively short optical path length;
The second delay Mach is cascade-connected via one optical coupler of the first delay Mach-Zehnder interferometer, and has an optical path length difference of ½ of the optical path length difference of the first delay Mach-Zehnder interferometer. A Zehnder interferometer and a third delay Mach-Zehnder interferometer;
A first phase shifter provided in one of the second delay Mach-Zehnder interferometer and the third delay Mach-Zehnder interferometer;
Comprising at least
2. A wavelength multiplexer / demultiplexer according to claim 1, wherein an optical coupling factor on the add port side of the add / drop ring resonator is 10 to 30 times an optical coupling factor to the drop port side.
前記波長合分波器のカスケード接続を構成する最終段の各遅延マッハ・ツェンダ干渉計の出力端に受光器を接続して形成した受光器アレイと
を備えたことを特徴とする光集積回路装置。 The wavelength multiplexer / demultiplexer according to any one of claims 1 to 3,
An optical integrated circuit device comprising: a light receiver array formed by connecting a light receiver to an output end of each delay Mach-Zehnder interferometer constituting the cascade connection of the wavelength multiplexer / demultiplexer .
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