JP2017116751A

JP2017116751A - 干渉型光回路およびその制御方法

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Publication number: JP2017116751A
Application number: JP2015252568A
Authority: JP
Inventors: 悠太上田; Yuta Ueda; 正樹神徳; Masaki Kamitoku
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: JP6499574B2

Abstract

【課題】光導波路へ加えるべき制御信号の強さを、入力光の偏波クロストークの影響を取り除いて決定する。【解決手段】少なくとも１つの入力ポートを有する分波器と、少なくとも２つの出力ポートを有する合波器と、前記分波器と前記合波器との間を接続する複数のアーム導波路とを含む干渉型光回路であって、前記２つの出力ポートのうち第１の出力ポートに接続され、特定の偏光状態の光のみを吸収する偏光フィルタ導波路と、前記偏光フィルタ導波路の出力に接続されたフォトディテクタを備え、前記フォトディテクタからの光電流に応じて前記アーム導波路に制御信号を印加することにより、前記２つの出力ポートのうち第２の出力ポート光出力を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、干渉型光回路およびその制御方法に関し、より詳細には、マッハツェンダ干渉計光導波路など光の干渉効果を利用する干渉型光回路およびその制御方法に関する。

マッハツェンダ干渉計光導波路に代表される、光の干渉効果を利用する干渉型光回路は、光デバイスの重要な構成要素である。例えば、マッハツェンダ干渉計は、適当な分波回路によって、入力された光を２分岐させ、アーム導波路と呼ばれる２本の光導波路を、別々に導波させる。２本のアーム導波路からの光を合波器で再び合波させるが、合波される２つの光波の位相差によって、合波器から出力される光の強度、位相が変化する。また、合波器が複数の出力導波路を有している場合には、合波器から出力される光の出力導波路が変化する。

マッハツェンダ干渉計を用いて、２つの光波の位相を外部信号によって変化させて、外部信号によって出力光の状態を制御したり、アーム導波路の位相特性に強い波長依存性を持たせて波長制御素子としたり、偏光依存性を持たせて偏光制御素子とすることができる。ただし、アーム導波路の位相特性を設計通りに作製することは、作製揺らぎの観点から困難であり、実際はアーム導波路に外部信号を加えることにより、その屈折率を変化させて、アーム導波路の位相誤差を補償する方法が採られている。

図１に、従来のマッハツェンダ干渉計を示す。マッハツェンダ干渉計ＭＺ１は、１つの入力ポートＩ１を有する分波器Ｃ１−１と、２つの出力ポートＯ１−１およびＯ１−２を有する合波器Ｃ１−２と、分波器Ｃ１−１と合波器Ｃ１−２との間を接続する２本のアーム導波路ＡＷ１１およびＡＷ１２とを備えている（例えば、非特許文献１参照）。ＭＺ１に入力された光は、所定の割合で出力ポートＯ１−１とＯ１−２とから出力されるが、一般的には、アーム導波路ＡＷ１１およびＡＷ１２の作製揺らぎにより、出力ポートＯ１−１とＯ１−２から出力される光の割合は、作製した素子毎にランダムな誤差を有する。

例えば、出力ポートＯ１−１からの光出力を最大化したい場合には、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２に適当な制御信号を印加することにより、マッハツェンダ干渉計ＭＺ１における光の干渉状態を変化させて、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２を伝搬する光の位相を制御する。原理的には、出力ポートＯ１−１からの光出力を最大化すると、出力ポートＯ１−２からの光出力が最小化される。このことから、出力ポートＯ１−２からの光出力の強度をモニタリングし、これを最小化するようにアーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２に加える信号を調整して、出力ポートＯ１−１からの光出力を最大化することができる。具体的には、出力ポートＯ１−２に光を吸収して電流に変換するモニタ用フォトディテクタを配置する。フォトディテクタからの光電流が最小値になるように、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２への信号を制御する。

しかしながら、実際には、出力ポートＯ１−２からの光出力が最小値を取る場合でも、出力ポートＯ１−１からの光出力が最大にならない場合がある。その原因の１つが光デバイスの偏光依存性である。一般に光デバイスは、偏光依存性、すなわち伝搬する光電界の振動方向によって特性が異なるという特性を有している。図１のマッハツェンダ干渉計ＭＺ１の場合を例にとると、入力される光の偏光状態の違いによって、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２に同一の信号を加えたとしても、出力ポートＯ１−１，Ｏ１−２への光の出力の割合が異なる現象が起こり得る。

図２に、従来のマッハツェンダ干渉計の透過特性を示す。図２（ａ）は、マッハツェンダ干渉計ＭＺ１のＴＥモード（光電界が導波路の水平方向に平行）に対する透過特性を示し、図２（ｂ）は、ＴＭモード（光電界が導波路の水平方向に垂直）に対する透過特性を示している。図２の横軸は、制御信号強度であり、入力ポートＩ１にＴＥモードの光を入力しておき、透過特性の繰り返し周期を一周期分変化させるために必要な、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２へ加える信号強度を１００％としている。実際には、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２へ加える電圧、電流の値に換算される。

図２（ａ），（ｂ）を比較すると、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２に信号を加えていない場合（制御信号強度０％）、出力ポートＯ１−１，Ｏ１−２への光出力の割合が、入力光のＴＥモードとＴＭモードという偏波によって異なる。また、アーム導波路ＡＷ１１，ＡＷ１２に同じ強度の制御信号を加えた場合、ＴＭモードの方がアーム導波路間の光の位相差が大きく、透過率の変化が大きいことがわかる。

M. G. Boudreau, M. Scheer, I. Betty, L. Langley, and R. Longone, "An integrated waveguide detector for power control in an InP Mach-Zehnder modulator based 10 Gb/s transmitter," in Int. Conf. on Indium Phosphide Related Materials, 2006, pp. 352-355. Chunsheng Ma, "Mode propagation and absorption loss in metal-clad periodic optical waveguides", J. Opt. Soc. Am. A, vol. 13, pp. 276-284, 1996. T. Ido, H. Sano, D. J. Moss, S. Tanaka, and A. Takai, "Strained InGaAdInAlAs MQW Electro-Absorption Modulators with Large Bandwidth and Low Driving Voltage", IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 6, pp.1207-1209, 1994. Y. Ueda, Takeshi Fujisawa, Kiyoto Takahata, Masaki Kohtoku, and Hiroyuki Ishii, "InP-based compact transversal filter for monolithically integrated light source array," OPTICS EXPRESS, Vol. 22, No. 7, pp.7844-7851, 2014.

図３に、従来のマッハツェンダ干渉計において偏波クロストークがある場合の透過特性を示す。図２に示した透過特性を有するマッハツェンダ干渉計ＭＺ１に、ＴＥモードの光とＴＭモードの光を１０：１の割合で入力した際の透過率を示している。マッハツェンダ干渉計ＭＺ１へ入力される光の偏波クロストークは１０ｄＢである。入力光に意図とは異なる偏波成分が含まれている状態、すなわち偏波クロストークを有していると、図３に示したように、偏光依存性のために、透過率の外部信号強度に対する曲線が歪んでいることが分かる。

図３において、偏波クロストークがある場合の出力ポートＯ１−２からの光出力は、制御信号強度が４０％程度で最小値を取っている。一方、図２（ａ）のＴＥモードの光のみの透過率は、制御信号強度が５０％で最小値を取っている。マッハツェンダ干渉計ＭＺ１にＴＥモードの光を入力し、上述したように、出力ポートＯ１−２をモニタリングして出力ポートＯ１−１の光出力を制御する場合、入力光にＴＭモードが混ざっていると、出力ポートＯ１−２のモニタリングだけでは、出力ポートＯ１−１の光出力を正確に制御できないことがわかる。

本発明の目的は、光導波路へ加えるべき制御信号の強さを、入力光の偏波クロストークの影響を取り除いて決定することができる干渉型光回路およびその制御方法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、少なくとも１つの入力ポートを有する分波器と、少なくとも２つの出力ポートを有する合波器と、前記分波器と前記合波器との間を接続する複数のアーム導波路とを含む干渉型光回路であって、前記２つの出力ポートのうち第１の出力ポートに接続され、特定の偏光状態の光のみを吸収する偏光フィルタ導波路と、前記偏光フィルタ導波路の出力に接続されたフォトディテクタを備え、前記フォトディテクタからの光電流に応じて前記アーム導波路に制御信号を印加することにより、前記２つの出力ポートのうち第２の出力ポートの光出力を制御することを特徴とする。

本発明によれば、特定の偏光状態の光のみを吸収する偏光フィルタ導波路とフォトディテクタとにより検出された光電流に応じて、アーム導波路に制御信号を印加するので、光導波路へ加えるべき制御信号の強さを、入力光の偏波クロストークの影響を取り除いて決定することができる。

従来のマッハツェンダ干渉計の模式図である。従来のマッハツェンダ干渉計の透過特性を示す図である。従来のマッハツェンダ干渉計において偏波クロストークがある場合の透過特性を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかる干渉型光回路を示す図である。第１の実施形態の干渉型光回路の光導波路を示す断面図である。第１の実施形態の干渉型光回路の偏光フィルタ導波路を示す断面図である。第１の実施形態の干渉型光回路において偏波クロストークがある場合の透過特性を示す図である。偏光フィルタ導波路の別の実施例を示す断面図である。

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干渉型光回路を示す。１ｘ２ポート構成のマッハツェンダ干渉計ＭＺは、１つの入力ポートＩを有する分波器Ｃ１と、２つの出力ポートＯ１およびＯ２を有する合波器Ｃ２と、分波器Ｃ１と合波器Ｃ２との間を接続する２本のアーム導波路ＡＷ１およびＡＷ２とを備えている。出力ポートＯ１には、偏光フィルタ導波路ＰＦＷを介して、モニタ用フォトディテクタＭＰＤがモノリシック集積されている。分波器Ｃ１は、１ｘ２のＹ分岐回路、２ｘ２の光カプラを用いることができる。合波器Ｃ２は、２ｘ２の光カプラを用いることができる。

入力ポートＩから入力された光は、マッハツェンダ干渉計ＭＺに入力されて、分波器Ｃ１から所定の割合で、アーム導波路ＡＷ１およびＡＷ２に出力される。入力光の波長は１．５５μｍであり、マッハツェンダ干渉計ＭＺは図２に示した透過特性を有しているとする。出力ポートＯ２が干渉型光回路のメイン出力であり、アーム導波路ＡＷ１，ＡＷ２に適当な制御信号を印加することにより、マッハツェンダ干渉計ＭＺにおける光の干渉状態を変化させて、アーム導波路ＡＷ１，ＡＷ２を伝搬する光の位相を制御する。出力ポートＯ１に接続されたモニタ用フォトディテクタＭＰＤからの光電流量に応じて制御信号を印加し、出力ポートＯ２からの光出力を制御する。

アーム導波路ＡＷ１，ＡＷ２における光の位相制御は、例えば、熱光学効果を利用する。アーム導波路ＡＷ１，ＡＷ２に沿ってヒータを配置し、ヒータへの電流を制御して、導波路内の屈折率を変化させ、導波路を伝播する光の位相を制御する。

図５は、第１の実施形態の干渉型光回路の光導波路を示す断面図である。基板Ｓ上にコア層ＣＯが形成され、さらにコア層ＣＯ上にクラッド層ＣＬが形成されている。基板Ｓとしては、ＩｎＰを選択する。基板Ｓの材料としては、シリコン、ガラスなどの他の材料でも構わない。コア層ＣＯは、０．５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰであり、クラッド層ＣＬは、２．０μｍ厚のＩｎＰである。ここで、光を閉じ込めるコア層ＣＯのＩｎＧａＡｓＰは、フォトルミネッセント評価において１．３μｍをピーク波長（バンドギャップ波長１．３μｍ）として発光する半導体組成を用いている。ドライエッチング工程などにより、図５の破線の形状に加工することにより、リッジ型の光導波路を形成する。このような構成の光導波路を用いて、分波器、合波器、アーム導波路、入出力ポートに接続される入出力導波路が形成されている。

偏光フィルタ導波路ＰＦＷの出力に接続されたモニタ用フォトディテクタＭＰＤは、出力ポートＯ１に接続された出力導波路に形成されている。ＩｎＰ基板Ｓ上に干渉型光回路を形成しているので、ＩｎＧａＡｓＰコア層ＣＯの一部を、光導波路のバンドギャップ波長とは異なる１．５５μｍに近いバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｓＰに置き換えることにより、モニタ用フォトディテクタＭＰＤをモノリシック集積している。基板Ｓがシリコンの場合は、コア層ＣＯとしてＳｉＧ層を堆積させることにより、フォトディテクタが得られる。基板Ｓがガラスの場合は、既存のベアチップ型のフォトディテクタを貼り付けることにより、フォトディテクタを集積することができる。このようにして、同一の基板Ｓ上に、分波器、合波器、アーム導波路等ともに、フォトディテクタをモノリシック集積することができる。

図６は、第１の実施形態の干渉型光回路の偏光フィルタ導波路を示す断面図である。偏光フィルタ導波路ＰＦＷは、出力ポートＯ１に接続された出力導波路において、図５に示したリッジ型の光導波路のクラッド層ＣＬを１．５μｍ取り除き、その上から金を蒸着して金属クラッドＭＣＬを形成してある。このようにして、同一の基板Ｓ上に、分波器、合波器、アーム導波路等ともに、偏光フィルタ導波路をモノリシック集積することができる。偏光フィルタは、特定の偏光の光を強く吸収するように設計されている。金属クラッドを有する導波路は、その損失に強い偏光依存性を有することが知られており、ＩｎＰ系導波路においては、ＴＥモードとＴＭモードの間で吸収係数の差が２桁程度異なることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

金属を光導波路のコア層の直上に付けることにより、ＴＭモードに対する吸収係数がＴＥモードに対する吸収係数に対して大きくなる。図６に示したリッジ型の光導波路の固有モードを計算すると、ＴＥモードの光パワーの減衰係数が２．５ｃｍ^-1であるのに対して、ＴＭモードの減衰量は８０ｃｍ^-1と計算される。従って、偏光フィルタ導波路ＰＦＷに沿って、光を３００μｍ程度伝搬させれば、ＴＭモードの光をＴＥモードと比較して１０ｄＢ減衰させることができる。

図７に、第１の実施形態の干渉型光回路において偏波クロストークがある場合の透過特性を示す。マッハツェンダ干渉計ＭＺにおける偏波クロストークは１０ｄＢであり、偏光フィルタ導波路ＰＦＷからの出力の光透過特性である。図３に示した透過特性と比較すると、偏光フィルタ導波路ＰＦＷによってＴＭモード成分が除去され、透過特性の曲線の歪が解消されているのが分かる。ＴＥモードの透過率が最小になる制御信号強度が５０％となっており、図２（ａ）に示した透過特性と等しいことが分かる。

従って、偏光フィルタ導波路ＰＦＷの出力に接続されたモニタ用フォトディテクタＭＰＤからの光電流が最小となるように、アーム導波路ＡＷ１，ＡＷ２へ制御信号を印加すれば、出力導波路Ｏ２からのＴＥモードの成分が最大になり、マッハツェンダ干渉計ＭＺを正確に制御することができる。

マッハツェンダ干渉計ＭＺにおける偏波クロストークが既知であれば、偏光フィルタ導波路ＰＦＷの導波路の長さを一意に決めることができる。また、偏波クロストークの値を正確に知ることができれば、アーム導波路ＡＷ１，ＡＷ２への制御信号を、偏波クロストークの値に応じて、調整することも考えられる。しかしながら、製造誤差、環境条件に依存する偏波クロストークの値を正確に知ることは難しい。

一方、偏波クロストークの値を正確に知ることができない場合でも、ＴＭモードの光をある程度（例えば、１０ｄＢ）減衰させることができる偏光フィルタ導波路を設置しておけば、偏波クロストークを減少させることができるので、出力導波路Ｏ２に対する制御の精度を向上させることができる。従って、本実施形態によれば、より簡便な方法により、偏波クロストークの影響を取り除くことができる。

図８に、偏光フィルタ導波路の別の実施例を示す。第１の実施形態では、偏光フィルタ導波路ＰＦＷをＴＥモードが透過しやすいように設計した。図５に示したリッジ型の光導波路の側面に金属クラッドＭＣＬ２１，ＭＣＬ２２を蒸着すれば、ＴＥモードを吸収してＴＭモードが透過しやすい偏光フィルタを実現することができる。従って、マッハツェンダ干渉計ＭＺをＴＭモードで動作させたい場合には、ＴＭモードの光に、偏波クロストークとしてＴＥモードが入力光に混ざっていても、上述のモニタリングの誤差を解消することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、偏光フィルタ導波路ＰＦＷから出力された光を、ＩｎＧａＡｓＰがコア層であるモニタ用フォトディテクタＭＰＤで受光していた。フォトディテクタの吸収係数を、強い偏光依存性を有するようにすることで、さらに、優先的に特定の偏光の光のみを吸収することができる。

半導体は薄膜化して量子井戸構造とすると、価電子帯の重い正孔と軽い正孔のエネルギーバンドの縮退が解けて、片方のみの正孔のバンドが光吸収に寄与する。一般に歪の無い、いわゆる無歪の量子井戸では、重い正孔が光吸収に強く影響し、軽い正孔の影響度は小さくなる。重い正孔は、ＴＭモードよりもＴＥモードの光を強く吸収する特徴があるために、フォトディテクタＭＰＤとして量子井戸の吸収層を持たせれば、ＴＥモードを強く吸収することができる。例えば、非特許文献３では、多重量子井戸の偏光依存性について調査しており、ＴＭモードの光を１ｄＢ程度吸収するとき、ＴＥモードの光を２０ｄＢ以上吸収しており、偏光依存性の強い光吸収特性を示すことが開示されている。

偏光フィルタ導波路ＰＦＷをＴＭモードを吸収するように設計しつつ、かつモニタ用フォトディテクタＭＰＤに無歪の量子井戸構造の半導体を用いる。この構成によれば、偏光フィルタ導波路ＰＦＷとモニタ用フォトディテクタＭＰＤの全体として、ＴＥモードの光を強く検知できるモニタ回路が得られる。

一方、図８に示した偏光フィルタ導波路ＰＦＷを用いて、マッハツェンダ干渉計ＭＺからの光からＴＭモードを取り出したいときは、フォトディテクタＭＰＤの量子井戸を圧縮歪とすればよい。このとき、軽い正孔による光吸収が強くなり、フォトディテクタＭＰＤは、ＴＭモードを優先的に吸収することになる。

（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、マッハツェンダ干渉計を適用した干渉型光回路を例に説明した。このほか、多入力多出力の第１のマルチモード干渉計（ＭＭＩ）と、多入力多出力の第２のＭＭＩと、第１および第２のＭＭＩの間を接続する複数のアーム導波路とを備えた干渉型光回路（例えば、非特許文献４参照）においても、本実施形態を適用することができる。第２のＭＭＩのいずれかの出力ポートに、偏光フィルタ導波路ＰＦＷを介してモニタ用フォトディテクタＭＰＤを接続する。モニタ用フォトディテクタＭＰＤからの光電流に応じて、アーム導波路への制御信号を調整すればよい。

ＭＺ，ＭＺ１マッハツェンダ干渉計
Ｉ，Ｉ１入力ポート
Ｃ１，Ｃ１−１分波器
Ｃ２，Ｃ１−２合波器
Ｏ１，Ｏ２，Ｏ１−１，Ｏ１−２出力ポート
ＡＷ１，ＡＷ２，ＡＷ１１，ＡＷ１２アーム導波路
ＰＦＷ偏光フィルタ導波路
ＭＰＤモニタ用フォトディテクタ
Ｓ基板
ＣＯコア層
ＣＬクラッド層
ＭＣＬ，ＭＣＬ２１，ＭＣＬ２２金属クラッド

Claims

少なくとも１つの入力ポートを有する分波器と、少なくとも２つの出力ポートを有する合波器と、前記分波器と前記合波器との間を接続する複数のアーム導波路とを含む干渉型光回路であって、
前記２つの出力ポートのうち第１の出力ポートに接続され、特定の偏光状態の光のみを吸収する偏光フィルタ導波路と、
前記偏光フィルタ導波路の出力に接続されたフォトディテクタを備え、
前記フォトディテクタからの光電流に応じて前記アーム導波路に制御信号を印加することにより、前記２つの出力ポートのうち第２の出力ポートの光出力を制御することを特徴とする干渉型光回路。
前記偏光フィルタ導波路は、前記第１の出力ポートに接続された光導波路のクラッド層として金属クラッドを有し、同一基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉型光回路。
前記偏光フィルタ導波路は、前記第１の出力ポートに接続された光導波路であってリッジ型の光導波路の側面に金属クラッドを有し、同一基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする請求項１に記載の干渉型光回路。
前記フォトディテクタは、前記第１の出力ポートに接続された光導波路のコア層を、異なるバンドギャップ波長を有するコア層に置き換え、同一基板上にモノリシックに集積されていることを特徴とする請求項１、２または３に記載の干渉型光回路。
前記フォトディテクタは、量子井戸構造を有し、前記偏光フィルタ導波路が吸収する特定の偏光状態の光と同じ偏光状態の光を吸収することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の干渉型光回路。
少なくとも１つの入力ポートを有する分波器と、少なくとも２つの出力ポートを有する合波器と、前記分波器と前記合波器との間を接続する複数のアーム導波路とを含む干渉型光回路の制御方法であって、
前記２つの出力ポートのうち第１の出力ポートに接続され、特定の偏光状態の光のみを吸収する偏光フィルタ導波路の出力に接続されたフォトディテクタからの光電流を取得するステップと、
前記フォトディテクタからの光電流に応じて前記アーム導波路に制御信号を印加することにより、前記２つの出力ポートのうち第２の出力ポートの光出力を制御するステップと
を備えたことを特徴とする干渉型光回路の制御方法。