JP2017181611A - 光集積回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】入射する光の任意の偏波状態の光波を特定の直線偏波に変換し光変調を行なう光集積回路のフットプリントを縮小するとともに量産性を向上することができる光集積回路を提供する。
【解決手段】実施形態の光集積回路が、第1光導波路の出射端に接続され、第1光導波路からのTE0モードの光を変換せずに第2光導波路に出射し、第1光導波路からのTM0モードの光をTE0モードに変換して第3光導波路に分岐するモード変換分岐部と、第2光導波路からの光と第3光導波路からの光とを一つの合波光に合波して、合波光を第4光導波路と第5光導波路とに分岐する光合波分岐部と、第4光導波路と第5光導波路との少なくとも一方に設けられ、導波する光の位相を電気信号によって変調するように構成される位相変調部と、第4光導波路と第5光導波路からの光を一つに合波する光合波部とを有する。
【選択図】図1
【解決手段】実施形態の光集積回路が、第1光導波路の出射端に接続され、第1光導波路からのTE0モードの光を変換せずに第2光導波路に出射し、第1光導波路からのTM0モードの光をTE0モードに変換して第3光導波路に分岐するモード変換分岐部と、第2光導波路からの光と第3光導波路からの光とを一つの合波光に合波して、合波光を第4光導波路と第5光導波路とに分岐する光合波分岐部と、第4光導波路と第5光導波路との少なくとも一方に設けられ、導波する光の位相を電気信号によって変調するように構成される位相変調部と、第4光導波路と第5光導波路からの光を一つに合波する光合波部とを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光集積回路に関する。
現在、光通信で伝送される情報量は増加の一途を辿っている。情報量の増加に対応するため、伝送速度の高速化や、波長多重通信によるチャネル数の増設などの対策が進められている。特に、高速度の情報通信を目的とした次世代の100Gbpsデジタルコヒーレント伝送技術においては、電界が直交する2つの偏波モードに情報を載せる偏波多重方式が利用されている。偏波多重方式を用いることで、単一の偏波を利用した光伝送システムと比較して単位時間当たりの情報量を2倍にすることができる。
このような偏波多重方式を含む高速通信用の光変調方式においては、小型化や低コスト化の観点から基板型光導波路素子を用いた光集積回路の研究が行われている。
特に高速でかつ大容量の光ファイバーネットワークを実現するため、基板型光導波路素子において、入射する光の任意の偏波状態かつ単一モードの光波を特定の直線偏波に変換し、光信号処理を行なう技術の改良が進められている。
特に高速でかつ大容量の光ファイバーネットワークを実現するため、基板型光導波路素子において、入射する光の任意の偏波状態かつ単一モードの光波を特定の直線偏波に変換し、光信号処理を行なう技術の改良が進められている。
特許文献1には、干渉計により構成された光回路を用いて偏光度モニタやOSNR(optical signal-to-noise ratio)モニタを構成し、入射する光の任意の偏波状態の光波を特定の直線偏波に変換することが開示されている。特に特許文献1の光回路では、光分岐部に偏波ビームスプリッタを設けて2本のアーム導波路にそれぞれ異なる偏波の光波を出力し、これらのアーム導波路のうちの一方に偏波面を90°回転する偏波回転器が挿入されている。
しかしながら、特許文献1の光回路の構成では偏波回転器が設けられているため、前段の対称型マッハツェンダ干渉計の各アーム導波路の長さがその分冗長となるおそれがある。この場合、アーム導波路の長さを短縮できないため、フットプリントを縮小できず、回路全体の小型化が困難である。また、アーム導波路の長さが短縮できないと、マッハツェンダ干渉計の加工誤差や導波路コアの膜厚分布などにより生ずる位相誤差を解消することが困難である。このため、製造歩留りが低下して製造コストが上昇するおそれがある。また、温度依存性を低減することも困難となり、光素子としての安定動作を確保することができないおそれがある。
また、特許文献1の光回路では、少なくともひとつの出力ポートから出力される光信号の強度を検知することによって、光位相器が制御される。このような原理および構成に基づいて偏光度モニタやOSNRモニタなどの光素子を構成すると、光素子のフットプリントの縮小は光検出器により制限されるおそれがある。また光検出器を導入することにより光素子の製造コストが上昇することも考えられる。
さらに、特許文献1の光回路では、仮に光検出器を導入しようとすると、光検出器を駆動・制御するための電子回路が必要となり、電子回路による寸法増大およびコスト上昇に加えて電子回路を駆動する電力が必要となり、消費電力の低減が困難となりうる。
従って、特許文献1の光回路では、光信号処理を行なう光回路のフットプリントを縮小すること、製造コストを低減すること、動作安定性を確保すること、および消費電力を低減することが困難となりうる。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型化、製造コストの低減、動作安定性の向上、および消費電力の低減を実現できる偏波変換素子および光集積回路を提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る光集積回路は、任意の偏波状態の光を導波する第1光導波路と、前記第1光導波路の出射端に接続され、前記第1光導波路からのTE0モードの光を変換せずに第2光導波路に出射し、前記第1光導波路からのTM0モードの光をTE0モードに変換して第3光導波路に出射するモード変換分岐部と、前記第2光導波路と前記第3光導波路とに接続され、前記第2光導波路からの光と前記第3光導波路からの光とを一つの合波光に合波して、前記合波光を第4光導波路と第5光導波路とに分岐する光合波分岐部と、前記第4光導波路及び前記第5光導波路の少なくとも一方に設けられ、導波する光の位相を電気信号によって変調するように構成される位相変調部と、前記第4光導波路と前記第5光導波路とに接続され、前記第4光導波路と前記第5光導波路からの光を一つに合波する光合波部と、を備える。
前記モード変換分岐部は、前記第1光導波路の出射端に接続され、前記第1光導波路からのTM0モードの光をTEnモードの光に変換するモード変換部と、前記モード変換部の後段に設けられ、前記モード変換部からのTE0モードの光を変換せずに第2光導波路に出射し、前記モード変換部からの前記TEnモードの光を前記第3光導波路に出射することでTE0モードの光に変換するモード分岐部と、を有してもよい。
ここで、nは自然数を表す。
ここで、nは自然数を表す。
上記態様に係る光集積回路は、前記第2光導波路及び前記第3光導波路の少なくとも一方に設けられ、前記光合波分岐部に入射する光の位相を調整するように構成される位相調整部をさらに備えてもよい。
上記態様に係る光集積回路は、前記位相変調部に生じる光電流を検出するモニタ部をさらに備えてもよい。
上記態様に係る光集積回路は、前記位相変調部にそれぞれ電気的に接続されるバイアス電源と接地電極とをさらに備え、前記モニタ部は、前記位相変調部と前記バイアス電源との間、又は前記位相変調部と接地電極との間に配置されてもよい。
上記態様に係る光集積回路は、前記モニタ部によって検出された前記光電流の強度に応じて前記位相調整部にDC電圧もしくはDC電流を印加してフィードバック制御するフィードバック機構をさらに備えてもよい。
前記第2光導波路の光路長と前記第3光導波路の光路長とが異なってもよい。
前記光合波部に少なくとも一つの出射端が設けられ、前記第1光導波路が連続光を導波する場合に、前記位相変調部で変調された光信号が前記光合波部の少なくとも一つの前記出射端から出力されるように構成されてもよい。
前記光合波部に少なくとも二つの出射端が設けられ、前記第1光導波路が光変調された光信号を導波する場合に、前記位相変調部で変調された光信号を前記光合波部の出射端のうちの一方が選択されて出力されるように構成されてもよい。
本発明の上記態様によれば、入射する光の任意の偏波状態の光波を特定の直線偏波に変換し光変調を行なう光集積回路のフットプリントを縮小するとともに量産性を向上することができる。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る光集積回路1の構成図である。
光集積回路1は、光導波路101〜110と、モード変換分岐部2と、光合波分岐部(第1光合波分岐部)4と、位相変調部5A、5Bと、光合波部6と、を備える。
図1は、本発明の第1実施形態に係る光集積回路1の構成図である。
光集積回路1は、光導波路101〜110と、モード変換分岐部2と、光合波分岐部(第1光合波分岐部)4と、位相変調部5A、5Bと、光合波部6と、を備える。
光集積回路1に入射する光波の偏波状態は、直交する二つの直線偏波状態にある光を基底として表される。この二つの直線偏波状態は横電界(transverse−electric, TE)モードおよび横磁気(transverse−magnetic, TM)モードと呼ばれる。
本実施形態に係る光集積回路1は、平面を有する基板上に形成される。この基板の平坦な平面を水平面とする。TEモードでは、光波の電界が水平面に平行である。一方、TMモードでは、光波の電界が水平面に垂直である。図1の光集積回路1に入射する光波はTEモードの光波およびTMモードの光波に分解される。光導波路101の入射端から図1の光集積回路1に入射する光波は基本次すなわち0次のTE(TE0)モードの導波光及び0次のTM(TM0)モードの導波光として光導波路101中を伝搬する。ここで、図1の光集積回路1に入射する光は連続光であり、TE0モードおよびTM0モードの光も連続光である。
なお、TE0モードはTEモードの中で実効屈折率が一番大きなモードである。また、TM0モードはTMモードの中で実効屈折率が一番大きなモードである。
光導波路(第1光導波路)101は、任意の偏波状態の光を導波可能であり、光導波路11の出射端はモード変換分岐部2の入射ポートに接続される。
モード変換分岐部2は、光導波路101の出射端に接続され、光導波路101からのTE0モードの光を変換せずにそのまま光導波路102に出射する。一方、モード変換分岐部2は、光導波路101からのTM0モードの光をTE0モードに変換して光導波路103に出射(分岐)する。
光導波路102の出射端には、位相調整部3Aの入射端が接続される。位相調整部3Aの出射端には、光導波路104の入射端が接続される。光合波分岐部4は二つの入射ポートを有し、光合波分岐部4の一方の入射ポートには光導波路104の出射端が接続される。光導波路102の入射端から光導波路104の出射端までが第一段すなわち前段のマッハ‐ツェンダ干渉計の一方のアーム導波路(第2光導波路)21を構成する。
光導波路103の出射端には、位相調整部3Bの入射端が接続される。位相調整部3Bの出射端には、光導波路105の入射端が接続される。光合波分岐部4の他方の入射ポートには光導波路105の出射端が接続される。光導波路103の入射端から光導波路105の出射端までが前段のマッハ‐ツェンダ干渉計の他方のアーム導波路(第3光導波路)22を構成する。
位相調整部3A、3Bでは、例えばDC電圧やDC電流が印加されることで光合波分岐部4に入射する2つのTE0モードの光の位相が調整される。
本実施形態では、位相調整部は2つのアーム導波路21、22の両方に設けられているがこれに限定されない。2つのアーム導波路21、22のうちのどちらか一方のみに設けられていてもよい。また、例えば2つのアーム導波路21,22巻に適正な光路差を与えることで2つのTE0モードの光間の位相差をなくすことができれば、位相調整部を含めない構成を採用してもよい。
本実施形態では、位相調整部は2つのアーム導波路21、22の両方に設けられているがこれに限定されない。2つのアーム導波路21、22のうちのどちらか一方のみに設けられていてもよい。また、例えば2つのアーム導波路21,22巻に適正な光路差を与えることで2つのTE0モードの光間の位相差をなくすことができれば、位相調整部を含めない構成を採用してもよい。
光合波分岐部4は二つの入射ポートを有し、光導波路104及び光導波路105から出射される2つのTE0モードの光を一つの光に合波する。
さらに、光合波分岐部4は二つの出射ポートを有する。光合波分岐部4の一方の出射ポートには光導波路106の入射端が接続され、光合波分岐部4の他方の出射ポートには光導波路107の入射端が接続される。これにより、光合波分岐部4は、合波された光を光導波路106と光導波路107とに分岐する。
さらに、光合波分岐部4は二つの出射ポートを有する。光合波分岐部4の一方の出射ポートには光導波路106の入射端が接続され、光合波分岐部4の他方の出射ポートには光導波路107の入射端が接続される。これにより、光合波分岐部4は、合波された光を光導波路106と光導波路107とに分岐する。
なお、光合波分岐部4において、光のモード変換は行われず、合波されたTE0モードの光が二つの光に分岐される。分岐比としては等分率で分岐することが好ましい。光合波分岐部4からの出射光が等分率であれば、後述する光合波部6からの出射光のON/OFFの制御ができる。
光導波路106の出射端には位相変調部5Aの入射端が接続される。位相変調部5Aの出射端には光導波路108の入射端が接続される。光合波部6は二つの入射ポートを有し、光合波部6の一方の入射端には光導波路108の出射端が接続される。光導波路106の入射端から光導波路108の出射端までが第二段すなわち後段のマッハ‐ツェンダ干渉計の一方のアーム導波路(第4光導波路)23を構成する。
光導波路107の出射端には位相変調部5Bの入射端が接続される。位相変調部5Bの出射端には光導波路109の入射端が接続される。光合波部6の他方の入射端には光導波路109の出射端が接続される。光導波路107の入射端から光導波路109の出射端までが後段のマッハ‐ツェンダ干渉計の他方のアーム導波路(第5光導波路)24を構成する。
位相変調部5A、5Bでは、例えば入力されるACの変調電気信号や、印加されるDC逆バイアスによって光合波部6に入射する2つのTE0モードの光の位相が調整される。
なお本実施形態では、位相変調部が2つのアーム導波路の両方に設けられているがこれに限定されない。2つのアーム導波路のうちのどちらか一方のみに位相変調部が設けられていてもよい。
光合波部6は光導波路108と光導波路109とから出射される光を一つに合波する。光合波部6の出射端には光導波路110の入射端が接続される。本実施形態では、光導波路110の出射端が光集積回路1の出射ポートとなる。
位相変調部5A、5Bに入力されるACの変調電気信号や、印加されるDC逆バイアスによって、光合波部6に入射する2つのTE0モードの光の位相を調整することで、光合波部6から出力される光信号のON/OFFを制御することができる。これは光合波部6において2つのTE0モードの光が干渉することを利用する。
上記構成を用いることで、マッハ‐ツェンダ干渉計の前段で、マッハ‐ツェンダ干渉計に入射する光のモードをすべてTE0モードに変換することが可能である。従って、偏波回転器などをマッハ‐ツェンダ干渉計内に配置する必要がない。
それにより、光集積回路1のフットプリントを縮小するとともに量産性を向上することができる。
それにより、光集積回路1のフットプリントを縮小するとともに量産性を向上することができる。
[モード変換分岐部2の構成]
モード変換分岐部2の一例について図2を用いて詳細に説明する。
光導波路101の出射端はモード変換分岐部2の光導波路201の入射端に接続される。
モード変換分岐部2の一例について図2を用いて詳細に説明する。
光導波路101の出射端はモード変換分岐部2の光導波路201の入射端に接続される。
光導波路201の入射端はモード変換分岐部102の入射ポートを構成する。光導波路201の出射端はモード変換部2Aの入射端に接続される。モード変換部2Aでは、TM0モードの導波光のみが高次のTEモード、例えばTE1モードの導波光に変換され、モード変換部2Aの出射端から光導波路202に出射される。一方、TE0モードの導波光は変換されずにTE0モードのままモード変換部2Aの出射端から光導波路202に出射される。
モード変換部2Aの出射端には光導波路202の入射端が接続される。光導波路202の出射端はモード分岐部2Bの入射端に接続される。
モード分岐部2Bは2つの出射ポートを有し、一方の出射ポートからはTE0モードの導波光のみが光導波路203に対して出射される。他方の出射ポートからはTE1モードの導波光のみが分岐されることでTE0モードに変換された後、光導波路204に対して出射される。そして光導波路203の出射端は図1における光導波路102に接続される。また、光導波路204の出射端は図1における光導波路103に接続される。
なおモード変換部2Aにおいて、TM0モードの導波光から変換されるモードはTE1モードに限定されず、高次のTEモード(TEnモード、ここで、nは自然数を表す。)であればよい。
モードの次数が大きくなると導波路の幅を広くする必要があり、設計上困難である。したがって、設計の容易性の観点では、TE1に変換することが好ましい。
一方、モード分岐部2Bでの変換前後の次数が近いと分岐されずに光導波路205に高次モードが混在するおそれがある。そのため、モード分岐部2Bでの分岐比を高めて、消光比を高める観点では、例えばモード変換部2AにおいてTE2モードなどの次数が離れたモードに変換することが好ましい。
なお、導波路回路を用いたモード変換部およびモード分岐部としては、例えば、特許第5697778号公報に提示されている構成を用いることができる。
モードの次数が大きくなると導波路の幅を広くする必要があり、設計上困難である。したがって、設計の容易性の観点では、TE1に変換することが好ましい。
一方、モード分岐部2Bでの変換前後の次数が近いと分岐されずに光導波路205に高次モードが混在するおそれがある。そのため、モード分岐部2Bでの分岐比を高めて、消光比を高める観点では、例えばモード変換部2AにおいてTE2モードなどの次数が離れたモードに変換することが好ましい。
なお、導波路回路を用いたモード変換部およびモード分岐部としては、例えば、特許第5697778号公報に提示されている構成を用いることができる。
このように、本実施形態では、まず偏波モードの変換を行った後に単一偏波でのモード分岐・変換を行なう。それにより、マッハ‐ツェンダ干渉計の各アームに導波光が入射する前に偏波モードの変換が完了する。
よって、従来技術の光回路のアーム導波路に装入された偏波回転器を省略することができ、各アーム導波路の長さを短縮することが可能となる。この構成は広い波長帯域で機能し、例えば、光通信のCおよびLバンド全域で機能することが可能であり、広波長帯域の光情報処理に適している。
また、各アーム導波路21、22ではTE0モードの光が導波する。モード変換分岐部2のそれぞれの出力ポート間の位相差を解消するには、モード変換及びモード分岐にともなう位相差も解消する必要がある。
この場合、アーム導波路21の光路長とアーム導波路22の光路長とを異ならせてもよい。これにより、各アーム導波路21、22間の光路長はたがいに不均等になり、前段のマッハ‐ツェンダ干渉計は非対称となる。
特に本実施形態では、モード変換分岐部2の高次モードが変換されたTE0を導波するアーム導波路22の光路長を長くすることで、モード変換およびモード分岐にともなう位相差を解消することが好ましい。
この場合、アーム導波路21の光路長とアーム導波路22の光路長とを異ならせてもよい。これにより、各アーム導波路21、22間の光路長はたがいに不均等になり、前段のマッハ‐ツェンダ干渉計は非対称となる。
特に本実施形態では、モード変換分岐部2の高次モードが変換されたTE0を導波するアーム導波路22の光路長を長くすることで、モード変換およびモード分岐にともなう位相差を解消することが好ましい。
本実施形態では、モード変換およびモード分岐にともなう位相差を位相調整部3A、3Bによって解消することもできる。
一方、上述のようにアーム導波路21の光路長とアーム導波路22の光路長とを異ならせてこの位相差の解消しておけば、位相調整部3A、3Bの省略や、光路長が等しい場合と比べて位相調整部3A、3Bの駆動に必要な電力の低減を実現できる。従って、アーム導波路21の光路長とアーム導波路22の光路長とを異ならせることで省電力化を実現することができる。
一方、上述のようにアーム導波路21の光路長とアーム導波路22の光路長とを異ならせてこの位相差の解消しておけば、位相調整部3A、3Bの省略や、光路長が等しい場合と比べて位相調整部3A、3Bの駆動に必要な電力の低減を実現できる。従って、アーム導波路21の光路長とアーム導波路22の光路長とを異ならせることで省電力化を実現することができる。
[フィードバック機構12による位相の制御]
本実施形態において、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計が光変調用の干渉計である。
本実施形態において、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計が光変調用の干渉計である。
強度変調を行なう場合、光信号の品質を高めるには出射ポートから出力される変調光の消光比を高めることが必要である。消光比を高めるには、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のアーム導波路23、24のそれぞれに入射する導波光の強度が等しくなるように制御することが好ましい。
本実施形態では、図1に示すフィードバック機構12によって、位相調整部3A、3Bの少なくとも一方の位相を調節して前段のマッハ‐ツェンダ干渉計中の位相を制御してもよい。それにより、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のアーム導波路23、24に入射する光の強度を調節することができる。
フィードバック機構12は、制御部7A、7Bと、電気信号源8A、8Bと、バイアスティ9A、9Bと、モニタ部10A、10Bと、バイアス電源11A、11Bとを含んでいる。
制御部7A、7Bは位相調整部3A、3Bに対してDC電圧又はDC電流を印加し、位相調整部3A、3B内を導波するそれぞれの光の位相を調節する。
位相調整部3A、3Bが例えば逆バイアス駆動可能なPN接合を有する光導波路からなる場合はDC電圧により位相を調節することができる。また、順バイアス駆動PN接合を有する光導波路あるいはヒータを有する熱光学導波路の場合はDC電流により、調節することができる。
光変調信号を発生するには、位相変調部5A、5Bの少なくとも一方に変調電気信号を印加する。10Gbaud以上の高速のシンボルレートで光変調するには、逆バイアス駆動PN接合を有する光導波路により位相変調部5A、5Bを構成することができる。
電気信号源8A、8Bは、バイアスティ9A、9Bを介して位相変調部5A、5BのそれぞれにACの変調電気信号を入力する。
バイアス電源11A、11Bは、バイアスティ9A、9Bを介して位相変調部5A、5BのそれぞれにDC逆バイアスを印加する。
逆バイアス下のPN接合に、導波光が伝搬すると二光子吸収により光電流が発生する。この光電流を位相変調部5A、5Bに接続されるモニタ部10A、10Bによって検出する。そして、モニタ部10A、10Bに接続される制御部7A、7Bに検出結果をフィードバックすることにより後段マッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度を制御することができる。
モニタ部10A、10Bは、例えば不図示の電流計と制御用電気回路とから構成される。
モニタ部10A、10Bを流れる電流がそれぞれ等しくなるように、制御部7A、7Bに制御電気信号をフィードバックし、印加するDC電圧又はDC電流を調整する。それにより、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度を等しくすることができる。
モニタ部10A、10Bを流れる電流がそれぞれ等しくなるように、制御部7A、7Bに制御電気信号をフィードバックし、印加するDC電圧又はDC電流を調整する。それにより、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度を等しくすることができる。
本実施形態において、位相変調部5A、5Bは変調光信号を発生するためだけでなく、導波光の強度をモニタするための光検出器としても機能することができる。これによって、従来のように光検出器を導入する必要がないため、フットプリント縮小および製造コストの低減が可能である。
後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度が等しくなるように制御する方法を以下に示す。
モード変換分岐部2の二つの出射ポートから光導波路102、103に入射する電界をそれぞれE1およびE2とし、位相調整部3A、3Bで生ずる位相をそれぞれφ1およびφ2とする。この場合、光合波分岐部4の二つの入射ポートに入射する光の電界E3およびE4は以下の式(1)のように表される。
また、光合波分岐部4の二つの出射ポートから光導波路106、107へと入射される光の電界E5およびE6は以下の式(2)のように表される。
さらに、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度が等しくなる場合は以下の式(3)を満たす。
これより、位相調整部3A、3Bで生じる位相に対して以下の式(4)に示す条件が得られる。
ここで、Nは整数であり、2πの周期性は無視できるので、N=0とおける。光の全強度を1に規格化すると、E5およびE6は以下の式(5)のように表される。
上述の式(5)が満たされるように制御部7A、7Bに適切な制御電気信号を出力することで、後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度を等しくすることができる。
このようにフィードバック機構12を用いて後段のマッハ‐ツェンダ干渉計のそれぞれのアーム導波路23、24に入射する導波光の強度を制御することで光集積回路1の動作をより安定させることができる。また、位相変調部5A、5Bにおいて変調光信号を発生させるだけでなく、導波光の光強度も検出することができ、導波光の光強度を検出するための別の装置を配置する必要がない。
[位相変調部5A、5Bの構造]
図3は、位相変調部5A、5Bの断面構造を示す。
図3は、位相変調部5A、5Bの断面構造を示す。
図3に示すように位相変調部5A、5Bにおいてはリブ導波路が形成されている。
基板30はアンドープシリコンである。
基板30の上表面(水平面)に、シリカからなる例えば厚み2μmの下部クラッド31が設けられている。
下部クラッド31上にリブ部を有するシリコン層37が設けられる。基板30、下部クラッド31およびシリコン層37は、それぞれ、silison−on−insulator(SOI)ウエファの基板、BOX層、およびSOI層を利用している。
基板30はアンドープシリコンである。
基板30の上表面(水平面)に、シリカからなる例えば厚み2μmの下部クラッド31が設けられている。
下部クラッド31上にリブ部を有するシリコン層37が設けられる。基板30、下部クラッド31およびシリコン層37は、それぞれ、silison−on−insulator(SOI)ウエファの基板、BOX層、およびSOI層を利用している。
リブ部は、基本モードを伝搬させるシリコンコアの主要部である。リブ部の側方には、スラブ部が接続されている。
本実施形態のリブ導波路はリブ部およびスラブ部からなる。リブ部の幅Wribは概ね500nm〜600nmの範囲にあることが好ましい。コア底面からのリブ部の厚みtribは例えば220nmであり、スラブ部の厚みtslabは例えば95nmである。
コアには、PNダイオードを構成するP型半導体部32AおよびN型半導体部32Bが存在する。P型半導体部32AおよびN型半導体部32Bの境界にPN接合が形成される。
P型半導体部32AおよびN型半導体部32Bのドーピング密度は、例えばともに約1018cm−3である。
P型半導体部32AおよびN型半導体部32Bのドーピング密度は、例えばともに約1018cm−3である。
P型半導体部32AのPN接合が形成されている側とは反対の領域には、P型導体部33Aが接続されている。またN型半導体部32BのPN接合が形成されている側とは反対の領域には、N型導体部33Bが接続されている。
P型導体部33A及びN型導体部33Bは、高速化を阻害する要因である電気抵抗を低減するように高ドープされる必要があり、ドーピング密度は例えばともに約1020cm−3である。
P型導体部33A及びN型導体部33Bは、高速化を阻害する要因である電気抵抗を低減するように高ドープされる必要があり、ドーピング密度は例えばともに約1020cm−3である。
P型導体部33AとN型導体部33Bとの間隔WPNは例えば約2μmで、WPNの中点は概ねリブ中央にある。
リブ部およびスラブ部の上には、シリカからなる例えば厚み1〜2μmの上部クラッド34が設けられている。上部クラッド34は、例えば、CVDなどの製造方法を用いてシリカを堆積することで作製される。
P型導体部33Aの上面には垂直金属接続部35Aの一端が接続されている。また、N型導体部33Bの上面には垂直金属接続部35Bの一端が接続されている。
垂直金属接続部35A、35Bは上部クラッド34を貫通している。垂直金属接続部35A、35Bの他端には金属電極36A、36Bがそれぞれ接続される。
垂直金属接続部35A、35Bは上部クラッド34を貫通している。垂直金属接続部35A、35Bの他端には金属電極36A、36Bがそれぞれ接続される。
なお、位相調整部3A、3Bにも同様の断面構造を有する光導波路を利用することができる。ただし、位相調整部3A、3Bはこの構成に限定されず、ヒータを有する熱光学導波路であってもよい。
なお、P型半導体部32AおよびN型半導体部32B中を導波光が伝搬する際に二光子吸収により発生する光電流をモニタする場合、図3に示すようにバイアスティ9A、9Bとモニタ部10A、10Bとを配置するとよい。
図3では、P型半導体部32Aに接続される金属電極36Aにバイアスティ9A、9Bが接続される。またN型半導体部32Bに接続される金属電極36Bにモニタ部10A、10Bが接続される。
この構成により、電気信号源8A、8B及びバイアス電源11A、11Bに接続されるバイアスティ9A、9Bから、位相変調部5A、5Bに電気信号の入力またはバイアス電圧の印加が行われる。
この構成により、電気信号源8A、8B及びバイアス電源11A、11Bに接続されるバイアスティ9A、9Bから、位相変調部5A、5Bに電気信号の入力またはバイアス電圧の印加が行われる。
また、図3ではモニタ部10A、10Bは位相変調部5A、5Bの接地電極GND側(位相変調部5A、5Bと接地電極GNDとの間)に設けられ、二光子吸収により発生する光電流を検出できる。
ただし、図1に示すようにモニタ部10A、10Bをバイアスティ9A、9B(位相変調部5A、5B)とバイアス電源11A、11Bとの間にそれぞれ設けてもよい。この場合でも二光子吸収により発生する光電流を検出できる。
ただし、図1に示すようにモニタ部10A、10Bをバイアスティ9A、9B(位相変調部5A、5B)とバイアス電源11A、11Bとの間にそれぞれ設けてもよい。この場合でも二光子吸収により発生する光電流を検出できる。
これにより、位相変調部5A、5Bにおいて変調光信号を発生させるだけでなく、導波光の光強度も検出することができる。
[矩形導波路とリブ導波路との接続]
[矩形導波路とリブ導波路との接続]
本実施形態における光導波路101〜117は矩形導波路である。矩形導波路の幅はWribに等しい。また矩形導波路の厚みはtribに等しい。
光集積回路1を構成するには、光導波路101〜117を構成する矩形導波路と、位相調整部3A、3Bや位相変調部5A、5Bとを構成するリブ導波路との接続が必要になる。図4に、矩形導波路に接続されるリブ導波路の斜視図を模式的に示す。
矩形導波路40はリブ導波路42と同じ幅と同じ厚みを有する。矩形導波路40からリブ導波路42への遷移領域41では、スラブ部43の幅がゼロから徐々に増してリブ導波路42と接続する。
遷移領域41では、スラブ部43の幅は光の伝搬方向に沿って線形的にあるいは二次関数的に増加する。線形的にスラブ部43の幅を変化させる場合は、容易に導波路を設計することができる。一方、二次関数的にスラブ部43の幅を変化させる場合、光損失をさらに低減することができる。
遷移領域41では、スラブ部43の幅は光の伝搬方向に沿って線形的にあるいは二次関数的に増加する。線形的にスラブ部43の幅を変化させる場合は、容易に導波路を設計することができる。一方、二次関数的にスラブ部43の幅を変化させる場合、光損失をさらに低減することができる。
遷移領域41の長さは光の波長と比較して充分に長くする必要がある。例えば20μm程度であることが挙げられるが、特に限定されない。
[第2実施形態]
図5は、本発明の第2実施形態に係る光集積回路1Aの構成図である。第1実施形態に係る光集積回路1の構成と異なる個所にのみ新たな番号を付して説明する。
図5は、本発明の第2実施形態に係る光集積回路1Aの構成図である。第1実施形態に係る光集積回路1の構成と異なる個所にのみ新たな番号を付して説明する。
第2実施形態に係る光集積回路1Aは、入射する光の任意の偏波状態の光波を特定の直線偏波に変換し、異なる経路に光信号を切り替える光スイッチ型の光集積回路がシリコン導波路をベースに構成される。
本実施形態では、光導波路101に入射する光波は連続光ではなく、すでに光変調された光信号である。また、本実施形態では、光合波部6の代わりに第2光合波分岐部16が設けられる点で第1実施形態と異なる。
第2光合波分岐部16は二つの入射ポートおよび二つの出射ポートを有する。
第2光合波分岐部16の一方の入射端には光導波路108の出射端が接続され、第2光合波分岐部16の他方の入射端には光導波路109の出射端が接続される。
また、第2光合波分岐部16の一方の出射端には光導波路111の入射端が接続され、第2光合波分岐部16の他方の出射端には光導波路112の入射端が接続される。
位相調整部3A、3B、及び位相変調部5A、5Bの断面構造は第1実施形態と同様である。光信号は光導波路111の出射端または光導波路112の出射端から出力される。
第2光合波分岐部16の一方の入射端には光導波路108の出射端が接続され、第2光合波分岐部16の他方の入射端には光導波路109の出射端が接続される。
また、第2光合波分岐部16の一方の出射端には光導波路111の入射端が接続され、第2光合波分岐部16の他方の出射端には光導波路112の入射端が接続される。
位相調整部3A、3B、及び位相変調部5A、5Bの断面構造は第1実施形態と同様である。光信号は光導波路111の出射端または光導波路112の出射端から出力される。
位相変調部5A、5Bに入力されるACの変調電気信号や、印加されるDC逆バイアスを制御して、第2光合波分岐部16に入射する2つのTE0モードの光の位相を調整することで、例えば第2光合波分岐部16から光導波路111と光導波路112とのどちらに光信号を出力するかを選択することができる。また、位相変調部5A、5Bに入力されるACの変調電気信号や、印加されるDC逆バイアスを制御して、光導波路111と光導波路112との両方に任意の分岐比で光信号を出力することもできる。
これは第1実施形態と同様に、第2光合波分岐部16において2つのTE0モードの光が干渉することを利用する。
これは第1実施形態と同様に、第2光合波分岐部16において2つのTE0モードの光が干渉することを利用する。
上記実施形態を用いることで、入射する光の任意の偏波状態の光信号を特定の直線偏波に変換し異なる経路に光信号を切り替える光スイッチ型の光集積回路のフットプリントを縮小するとともに量産性を向上することができる。
以上、本発明の光ファイバ素線の製造方法及び製造装置について説明してきたが、本発明は前記の例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
1…光集積回路、2…モード変換分岐部、2A…モード変換部、2B…モード分岐部、3A、3B…位相調整部、4…光合波分岐部、5A、5B…位相変調部、6…光合波部、12…フィードバック機構、16…第2光合波分岐部、21…アーム導波路(第2光導波路)、22…アーム導波路(第3光導波路)、23…アーム導波路(第4光導波路)、24…アーム導波路(第5光導波路)、101…光導波路(第1光導波路)。
Claims (9)
- 光集積回路であって、
任意の偏波状態の光を導波する第1光導波路と、
前記第1光導波路の出射端に接続され、前記第1光導波路からのTE0モードの光を変換せずに第2光導波路に出射し、前記第1光導波路からのTM0モードの光をTE0モードに変換して第3光導波路に出射するモード変換分岐部と、
前記第2光導波路と前記第3光導波路とに接続され、前記第2光導波路からの光と前記第3光導波路からの光とを一つの合波光に合波して、前記合波光を第4光導波路と第5光導波路とに分岐する光合波分岐部と、
前記第4光導波路及び前記第5光導波路の少なくとも一方に設けられ、導波する光の位相を電気信号によって変調するように構成される位相変調部と、
前記第4光導波路と前記第5光導波路とに接続され、前記第4光導波路と前記第5光導波路からの光を一つに合波する光合波部と、を備える光集積回路。 - 請求項1に記載の光集積回路であって、
前記モード変換分岐部は、
前記第1光導波路の出射端に接続され、前記第1光導波路からのTM0モードの光をTEnモードの光に変換するモード変換部と、
前記モード変換部の後段に設けられ、前記モード変換部からのTE0モードの光を変換せずに第2光導波路に出射し、前記モード変換部からの前記TEnモードの光を前記第3光導波路に出射することでTE0モードの光に変換するモード分岐部と、を有する光集積回路。
ここで、nは自然数を表す。 - 請求項1又は2に記載の光集積回路であって、
前記第2光導波路及び前記第3光導波路の少なくとも一方に設けられ、前記光合波分岐部に入射する光の位相を調整するように構成される位相調整部をさらに備える光集積回路。 - 請求項3に記載の光集積回路であって、
前記位相変調部に生じる光電流を検出するモニタ部をさらに備える光集積回路。 - 請求項4に記載の光集積回路であって、
前記位相変調部にそれぞれ電気的に接続されるバイアス電源と接地電極とをさらに備え、
前記モニタ部は、前記位相変調部と前記バイアス電源との間、又は前記位相変調部と接地電極との間に配置される光集積回路。 - 請求項4又は5に記載の光集積回路であって、
前記モニタ部によって検出された前記光電流の強度に応じて前記位相調整部に印加するDC電圧又はDC電流をフィードバック制御するフィードバック機構をさらに備える光集積回路。 - 請求項1から6のいずれか一項に記載の光集積回路であって、
前記第2光導波路の光路長と前記第3光導波路の光路長とが異なる光集積回路。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の光集積回路であって、
前記光合波部に少なくとも一つの出射端が設けられ、
前記第1光導波路が連続光を導波する場合に、前記位相変調部で変調された光信号が前記光合波部の少なくとも一つの前記出射端から出力されるように構成される光集積回路。 - 請求項1から7のいずれか一項に記載の光集積回路であって、
前記光合波部に少なくとも二つの出射端が設けられ、
前記第1光導波路が光変調された光信号を導波する場合に、前記位相変調部で変調された光信号を前記光合波部の出射端のうちの一方が選択されて出力されるように構成される光集積回路。
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