JP2024043453A - 光集積回路及び光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】偏波が特定されない入力に対して、性能良く波長分離を実施できる光集積回路及び光トランシーバを提供する。【解決手段】光集積回路２００は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能、又は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離した後で少なくとも一部の偏波を回転させる機能を有する第１素子８２と、電磁波に含まれる複数の波長の成分を各波長の成分に分離する機能を有する第２素子８３とを備える。第１素子８２と第２素子８３とが縦続的に接続されている。【選択図】図８

Description

本開示は、光集積回路及び光トランシーバに関する。

有効波長帯域を拡大できる波長合分波素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０２０－１９４０９２号公報

特許文献１に記載されている構成において、偏波が特定されていない入力に対して波長分離の性能が維持されない。

本開示は、偏波が特定されない入力に対して、性能良く波長分離を実施できる光集積回路及び光トランシーバを提供することを目的とする。

本開示の一実施形態に係る光集積回路は、第１素子と、第２素子とを備える。前記第１素子は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能、又は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離した後で少なくとも一部の偏波を回転させる機能を有する。前記第２素子は、電磁波に含まれる複数の波長の成分を各波長の成分に分離する機能を有する。前記第１素子と前記第２素子とは縦続的に接続されている。

本開示の一実施形態に係る光トランシーバは、前記光集積回路を備えてよい。

本開示の一実施形態に係る光集積回路及び光トランシーバによれば、偏波が特定されない入力に対して、性能良く波長分離が実施され得る。

一実施形態に係る光集積回路の構成例を示すブロック図である。 入力部としてエッジカプラを有する場合の光集積回路の構成例を示すブロック図である。 入力部として二次元グレーティングカプラを有する場合の光集積回路の構成例を示すブロック図である。 図２の構成例において遅延器を更に備える場合の光集積回路の構成例を示すブロック図である。 図４の構成例において偏光スプリッタローテータを偏光スプリッタに置き換えた場合の光集積回路の構成例を示すブロック図である。 図４の構成例においてフォトダイオードの前に接続される遅延器を可変減衰器に置き換えた場合の光集積回路の構成例を示すブロック図である。 図６の構成例においてフォトダイオードの前に接続される可変減衰器とフォトダイオードとの間に遅延器を更に備える場合の光集積回路の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る光集積回路の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る偏光スプリッタローテータの構成例を示す平面図である。 図９のＢ－Ｂ断面図である。 図９のＣ－Ｃ断面図である。 図９のＤ－Ｄ断面図である。 図９のＥ－Ｅ断面図である。 図９のＦ－Ｆ断面図である。 一実施形態に係る偏光スプリッタローテータの出力特性のシミュレーション結果の一例を示すグラフである。 一実施形態に係る偏光スプリッタローテータの出力特性の実測結果の一例を示すグラフである。 一実施形態に係る分波器の構成例を示すブロック図である。 分波器の損失特性の実測結果の一例を示すグラフである。 ストリップ型導波路の一例を示す断面図である。 リブ型導波路の一例を示す断面図である。 図１７の分波器の波長合分波素子及びポートの配置例を示す図である。 波長合分波素子の導波路の配置例を示す図である。 リブ型導波路を伝搬する電磁波の各偏波の成分の損失の大きさの実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＥモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ１の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＥモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ３の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＥモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ４の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＥモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ２の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＭモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ１の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＭモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ３の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＭモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ４の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータで分離したＴＭモードの偏波について、さらに分波器によって分離した波長がλ２の成分の実測結果の一例を示すグラフである。 図８の光集積回路において偏光スプリッタローテータを偏光スプリッタに置き換えた構成例を示すブロック図である。

データセンター内の光通信において、デジタルシグナルプロセッサが簡便かつ低消費電力であることから、直接変調直接検波方式が広く用いられている。一方で、データセンター内光通信のトラフィック増大に伴い、より高密度なデータ伝送が求められており、シリコンを用いた光集積回路、特に小型の波長多重光回路を有する光トランシーバが検討されている。この中で、シリコンによって実現される波長多重光回路として、直列マッハツェンダー型干渉系又はアレイ導波路型グレーティングなどが用いられ得る。これらの波長多重光回路は、いずれも光の偏波によって特性が大きく変化するという特徴を有する。一方で、データセンター内の既設の光ファイバ網はシングルモード光ファイバが広く用いられている。しかし、この光ファイバは偏波保持特性を有していない。したがって、配線の曲げ部分又は接続部分を光が通過するたびに光の偏波がランダムに変化する。そこで、どのような偏波に対しても光集積回路の特性が均一になるように、光集積回路が設計される必要がある。どのような偏波に対しても特性が均一になる光集積回路は、光回路の前段に偏光スプリッタローテータを設け、入射した光をＴＥ（Transverse Electric）成分とＴＭ（Transverse Magnetic）成分とに分離し、それぞれを別々の波長多重光回路に入射させ、波長多重光回路の出力をフォトダイオードで受光し、各偏波成分に対応するフォトダイオードの出力の和を検出することによって実現される。

また、偏波成分の分離度（消光比）が低い場合、適切に波長が分離されなくなることがある。また、前の信号フレームと後の信号フレームとが干渉する、ジッタとも称される現象が起こることがある。そのため、消光比を高めることが求められる。

本開示の一実施形態に係る光集積回路１（図１等参照）は、光通信システムにおいて、光信号を送信する構成と組み合わせて用いられてよい。光信号を送信する構成は、光源及び変調器を含んでよい。

光源は、例えば、ＬＤ（Laser Diode）又はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の半導体レーザを含んでよい。光源は、可視光に限られず種々の波長の電磁波を射出するデバイスを含んでよい。変調器は、電磁波の強度を変化させることによって変調する。変調器は、例えば、電磁波をパルス変調してもよい。

光信号を送信する構成は、信号入力部を更に含み得る。信号入力部は、外部装置等からの信号の入力を受け付ける。信号入力部は、例えばＤ／Ａコンバータを含んでよい。信号入力部は、変調器に信号を出力する。変調器は、信号入力部で取得した信号に基づいて、電磁波を変調する。

（光集積回路１の構成例）
光集積回路１は、光信号を受信するように構成される。以下、本開示の一実施形態に係る光集積回路１の構成例が説明される。

図１に示されるように、光集積回路１は、入力部８１と、偏光スプリッタローテータ（ＰＳＲ：Polarizing Splitter Rotator）８２と、分波器（デマルチプレクサ又はＤＥＭＵＸ）８３と、フォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）１０とを備える。

入力部８１は、上述した変調器等によって生成された光信号の入力を受け付けるように構成される。偏光スプリッタローテータ８２は、入力された光信号に含まれるＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号とを分離し、ＴＭモードの光信号をＴＥモードの光信号に変換する。分波器８３は、偏光スプリッタローテータ８２において分離されたＴＥモードの光信号、及び、偏光スプリッタローテータ８２において分離されたＴＭモードの光信号から変換されたＴＥモードの光信号のそれぞれを波長毎に分離する。図１において、分波器８３は、光信号を、λ１～λｎで表されるｎ種類の波長の光に分離するように構成されるとする。

フォトダイオード１０は、各波長の光に対応するフォトダイオード１０－１～１０－ｎを含む。各フォトダイオード１０は、ＴＥモードの光信号を波長毎に分離する分波器８３と、ＴＭモードの光信号を変換したＴＥモードの光信号を波長毎に分離する分波器８３とに接続される。ＴＥモード又はＴＭモードのそれぞれの偏波成分は、別々のフォトダイオード１０で検出されてよいし、１つのフォトダイオード１０で検出されてもよい。

（光集積回路１の構成例）
図２に示されるように、光集積回路１は、２方向に位置する入力ポートを有するフォトダイオード１０を用いて構成され得る。光集積回路１は、入力部８１としてエッジカプラ８１１を備える。エッジカプラ８１１は、チップ端面から光を入力するように構成される。光集積回路１は、偏光スプリッタローテータ（ＰＳＲ）８２と、分波器（ＤＥＭＵＸ）８３とを更に備える。光集積回路１において、光信号をフォトダイオード１０に入力する前に処理する回路は、まとめて光回路とも称される。光回路は、光集積回路１に入力される光信号をＴＥモードで伝搬する光信号とＴＭモードで伝搬する光信号とに分離する。本実施形態に係る光集積回路１において、ＴＥモードで伝搬する光信号は、第１光信号に対応づけられるとする。ＴＭモードで伝搬する光信号は、第２光信号に対応づけられるとする。

光集積回路１において、エッジカプラ８１１に、ＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号とが混在し、かつ、ｎ個の波長が混合している光信号が入力されるとする。偏光スプリッタローテータ８２は、ＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号とを分離する。また、偏光スプリッタローテータ８２は、ＴＭモードの光信号をＴＥモードの光信号に変換する。分波器８３は、偏光スプリッタローテータ８２で分離された光信号のそれぞれを、ｎ個の波長毎に更に分離する。

フォトダイオード１０－１～ｎのそれぞれに、ＴＥモードの光信号を波長毎に分離した信号と、ＴＭモードの光信号をＴＥモードの光信号に変換して波長毎に分離した信号とが入力される。その結果、フォトダイオード１０－１～ｎのそれぞれは、エッジカプラ８１１に入力されたＴＥモードとＴＭモードとが混在した光信号を波長毎に分離した信号の強度に応じた電気信号を出力する。

本実施形態に係る光集積回路１は、フォトダイオード１０から出力される電気信号を変換するトランスインピーダンスアンプを更に備えてもよい。本実施形態に係る光集積回路１は、各波長についてＴＥモードの光信号及びＴＭモードの光信号それぞれを検出する２個の受光素子を用いる場合と比較して、各波長について１個のフォトダイオードで光信号を検出できる。このようにすることで、寄生容量の低減による高速化、又は、消費電力の低減及び回路サイズの低減が実現され得る。

図３に示されるように、光集積回路１は、入力部８１として、二次元グレーティングカプラ（２ＤＧＣ：2-dimensional grating couplers）８１２を備えてもよい。二次元グレーティングカプラ８１２は、入力される光信号を２つの偏光成分Ｐｘ及びＰｙに分離し、各偏光成分をＴＥモードの偏波の光信号として出力する。分波器８３は、各偏光成分の光信号を波長毎に分離する。フォトダイオード１０－１～ｎのそれぞれに、偏光成分Ｐｘの光信号を波長毎に分離した信号と、偏光成分Ｐｙの光信号を波長毎に分離した信号とが入力される。その結果、フォトダイオード１０－１～ｎは、二次元グレーティングカプラ８１２に入力されたＴＥモードとＴＭモードとが混在した光信号を波長毎に分離した信号の強度に応じた電気信号を出力する。光集積回路１は、二次元グレーティングカプラ８１２を備える場合、偏光スプリッタローテータ８２を備えなくてよい。

図４に示されるように、光集積回路１は、偏光スプリッタローテータ８２と２つの分波器８３それぞれとの間、及び、分波器８３とｎ個のフォトダイオード１０－１～ｎそれぞれとの間に、遅延器８４を更に備えてよい。遅延器８４は、光信号の伝搬を遅延させる。光集積回路１は、導波路の製造誤差によって生じる光信号の遅延のずれを遅延器８４によって補償する。光集積回路１は、遅延器８４を備えることによって、フォトダイオード１０から出力される、ＴＥモードの光信号と、ＴＭモードの光信号を変換したＴＥモードの光信号とを合わせた信号のジッタを低減できる。

遅延器８４は、例えば、所定の長さを有する導波路として構成され、かつ、ヒータによって導波路の実効屈折率を調整可能に構成されてよい。遅延器８４は、所定の長さを有する位相変調器として構成され、かつ、電圧の印加によって位相変調量を調整可能に構成されてよい。

図５に示されるように、光集積回路１において、偏光スプリッタローテータ８２が偏光スプリッタ（ＰＳ：Polarizing Splitter）８２２に置き換えられてよい。偏光スプリッタ８２２は、入力された光信号を、ＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号とに分離する。ＴＥモードの光信号の伝搬速度とＴＭモードの光信号の伝搬速度とは、互いに異なる。光集積回路１は、ＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号との遅延のずれを補償するように、遅延器８４を備えてよい。

図６に示されるように、図２に例示される光集積回路１において分波器８３とｎ個のフォトダイオード１０－１～ｎそれぞれとの間に接続されていた遅延器８４が、可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）８５に置き換えられてよい。可変光減衰器８５は、例えばシリコンのｐｉｎダイオードを含んで構成されてよい。可変光減衰器８５は、電流を注入することによって光を吸収し、光強度を減衰させる。各可変光減衰器８５に注入する電流を調整することによって、偏光スプリッタローテータ８２又は分波器８３において生じる光損失が補償され得る。したがって、偏光スプリッタローテータ８２又は分波器８３における光損失が光信号の偏波又は波長の違いに起因して均一ではない場合でも、光損失が大きい条件の光信号が通過する可変光減衰器８５の電流値を小さくし、光損失が小さい条件の光信号が通過する可変光減衰器８５の電流値を大きくすることによって、任意の偏波又は波長の光信号の受光感度を均一に近づけ得る。

図７に示されるように、光集積回路１は、分波器８３とｎ個のフォトダイオード１０－１～ｎそれぞれとの間に、可変光減衰器８５と遅延器８４とを両方とも備えてもよい。

（光集積回路２００の構成例）
一実施形態に係る光集積回路２００は、図８に例示されるように、偏光スプリッタローテータ（ＰＳＲ）８２と、分波器（ＤＥＭＵＸ）８３とを備える。偏光スプリッタローテータ８２は、後述するように、偏光スプリッタ８２２に置き換えられてもよい。光集積回路２００は、前段の入力部８１と、後段の検出素子２１０との間に接続される。検出素子２１０は、ＶＯＡ８５とＰＤ１０とを含んで構成されるとする。検出素子２１０は、ＰＤ１０を含むもののＶＯＡ８５を含まずに構成されてもよい。光集積回路２００は、ＰＤ１０（光検出器）を更に備えてもよい。偏光スプリッタローテータ８２又は偏光スプリッタ８２２は、第１素子とも称される。分波器８３は、第２素子とも称される。言い換えれば、光集積回路２００は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能、又は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離した後で少なくとも一部の偏波を回転させる機能を有する第１素子を備える。また、光集積回路２００は、電磁波に含まれる複数の波長の成分を各波長の成分に分離する機能を有する第２素子を備える。光集積回路２００において、第１素子と第２素子とが縦続的に接続されている。光集積回路２００は、第１素子と第２素子との間に挿入されている偏光子を更に備えてもよい。偏光子は、特定の方向の直線偏光を通す素子である。

入力部８１は、ＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを含む電磁波を受け付ける。偏光スプリッタローテータ８２は、入力部８１に入力された電磁波をＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とに分離し、ＴＭモードの偏波をＴＥモードの偏波に回転させ、分波器８３に出力する。光集積回路２００が偏光スプリッタ８２２を備える場合、偏光スプリッタ８２２は、入力部８１に入力された電磁波をＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とに分離して分波器８３に出力する。分波器８３は、複数の波長の成分を含む各偏波を各波長の成分に分離して検出素子２１０に出力する。検出素子２１０は、ＴＥモードの偏波の各波長の成分、及び、ＴＭモードの偏波（又は分離されたＴＭモードの偏波を回転させたＴＭモードの偏波）の各波長の成分のそれぞれを検出する。

＜偏光スプリッタローテータ８２の構成例＞
図９、並びに、図１０、図１１、図１２、図１３及び図１４に例示されるように、一実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、第１導波路１４０と、第２導波路１４２とを備える。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、基板１５０の絶縁層１５１の上に形成されているとする。基板１５０は、シリコン等の種々の材料で構成されてよい。絶縁層１５１は、二酸化シリコン等の種々の材料で構成されてよい。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、少なくとも一部において、第１方向（Ｚ軸方向）に沿って延在する。第１導波路１４０の少なくとも一部と第２導波路１４２の少なくとも一部とは、互いに平行に並んで位置してよい。

第１導波路１４０は、図１１、図１２及び図１３に例示されるように、第１方向（Ｚ軸方向）を法線とする断面において非対称になる、非対称部分１４１を有する。また、第１導波路１４０は、第１方向を法線とする断面において、基板５０の表面の法線に対して線対称になっていない。本実施形態において、第１導波路１４０の断面形状が非対称であるが、第２導波路１４２の断面形状が非対称であってよい。第１導波路１４０又は第２導波路１４２の少なくとも一方の断面形状が非対称であってよい。

第１導波路１４０は、Ｚ軸の負の方向の側の端に第１ポート１４３を有し、Ｚ軸の正の方向の側の端、つまり第１ポート１４３と反対側の端に第２ポート１４４を有する。

第２導波路１４２は、第１導波路１４０に沿って位置する第１部分１４６と、Ｚ軸の正の方向に進むにつれて第１導波路１４０から離れる第２部分１４７とを有する。第２部分１４７は、曲線状の曲線部として構成されてもよいし、第１導波路１４０が延在する方向に対して傾斜する直線状に構成されてもよい。第２部分１４７は、第１部分１４６よりもＺ軸の正の方向の側に位置する。第２部分１４７は、第１部分１４６に接続する側の反対側の端に第３ポート１４５を有する。

第１導波路１４０の第１ポート１４３は、電磁波を入力可能に構成されてよい。第２ポート１４４は、電磁波を出力可能に構成されてよい。第２導波路１４２の第３ポート１４５は、電磁波を出力可能に構成されてよい。第１ポート１４３に入力された電磁波は、第１導波路１４０をＺ軸の正の方向に進行する。第１導波路１４０を進行する電磁波の少なくとも一部は、第２導波路１４２に乗り移る。第１導波路１４０に残った電磁波は、第２ポート１４４まで進行し、第２ポート１４４から出力される。第２導波路１４２に乗り移った電磁波は、第３ポート１４５まで進行し、第３ポート１４５から出力される。

第１導波路１４０の第２ポート１４４は、電磁波を入力可能に構成されてよい。第２導波路１４２の第３ポート１４５は、電磁波を入力可能に構成されてよい。第１導波路１４０の第１ポート１４３は、電磁波を出力可能に構成されてよい。第２ポート１４４に入力された電磁波は、第１導波路１４０をＺ軸の負の方向に進行する。一方で、第３ポート１４５に入力された電磁波は、第２導波路１４２の第１部分１４６をＺ軸の負の方向に進行しつつ、第１導波路１４０に乗り移る。その結果、第１導波路１４０において、第２ポート１４４に入力された電磁波と第３ポート１４５に入力された電磁波とを合わせた合成電磁波がＺ軸の負の方向に進行する。合成電磁波は、第１ポート１４３まで進行し、第１ポート１４３から出力される。

ここで、第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、第１ポート１４３に第１の偏波と第２の偏波とを含む電磁波が入力された場合に、それぞれの偏波を分離して、第１の偏波を第２ポート１４４から出力し、第２の偏波を第３ポート１４５から出力するように構成されてよい。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、逆に、第２ポート１４４に第１の偏波の電磁波が入力され、かつ、第３ポート１４５に第２の偏波の電磁波が入力された場合に、それぞれの偏波を合成した電磁波を第１ポート１４３から出力するように構成されてよい。上述した構成は、例えば、第１導波路１４０の非対称部分１４１の形状、又は、第１導波路１４０と第２導波路１４２とが互いに沿って並んでいる部分の長さ若しくは間隔等を適宜設計することによって実現され得る。本実施形態において、第１の偏波はＴＥモードの偏波であるとする。第２の偏波はＴＭモードの偏波であるとする。

図１５に、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２の特性をシミュレーションした結果が示される。図１５のグラフにおいて、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸は接続損失（Insertion Loss：ＩＬ）を表す。接続損失の単位はｄＢ（デシベル）である。シミュレーションにおいて、第１ポート１４３にＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを含む電磁波が入力されている。第２ポート１４４から出力されるＴＥモードの偏波の成分は、一点鎖線で示される。第２ポート１４４から出力されるＴＭモードの偏波の成分は、二点鎖線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＥモードの偏波の成分は、実線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＭモードの偏波の成分は、破線で示される。図１５のグラフに示されるように、第２ポート１４４から出力される電磁波は、ＴＥモードの偏波を多く含む。第３ポート１４５から出力される電磁波は、ＴＭモードの偏波を多く含む。つまり、シミュレーションによれば、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、ＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを分離できている。

図１６に、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２の特性を実測した結果が示される。図１６のグラフにおいて、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸は挿入損失（Insertion Loss：ＩＬ）を表す。挿入損失の単位はｄＢ（デシベル）である。実測に際して、第１ポート１４３にＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを含む電磁波が入力されている。第２ポート１４４から出力されるＴＥモードの偏波の成分の実測値は、一点鎖線で示される。第２ポート１４４から出力されるＴＭモードの偏波の成分の実測値は、二点鎖線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＥモードの偏波の成分の実測値は、実線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＭモードの偏波の成分の実測値は、破線で示される。図１６のグラフに示されるように、第２ポート１４４から出力される電磁波は、ＴＥモードの偏波を多く含む。第３ポート１４５から出力される電磁波は、ＴＭモードの偏波を多く含む。つまり、実測した結果においても、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、ＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを分離できている。

本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、第１導波路１４０と第２導波路１４２とを備えてよい。第１導波路１４０の少なくとも一部と、第２導波路１４２の少なくとも一部とは、第１方向（図８のＺ軸方向）に沿って並んで位置してよい。第１導波路１４０は、第１の偏波（例えばＴＥモードの偏波）と第２の偏波（例えばＴＭモードの偏波）とを含む電磁波の入力又は出力が可能に構成される第１ポート１４３と、分離した第１の偏波の出力、又は、第１の偏波の入力が可能に構成される第２ポート１４４とを有してよい。第２導波路１４２は、分離した第２の偏波若しくは分離して回転させた第２の偏波の出力、又は、第２の偏波の入力が可能に構成される第３ポート１４５を有してよい。第１導波路１４０又は第２導波路１４２の少なくとも一方の、第１方向（図８のＺ軸方向）を法線とする断面の形状は、線対称でなくてよい。また、第１導波路１４０の、第１方向（図８のＺ軸方向）を法線とする断面の形状は、非対称であってよい。

第２導波路１４２の第１部分１４６は、線路幅が一定でないように構成されてよい。第１部分１４６は、例えば、第１ポート１４３の側で細くなり、第２部分１４７に接続する側で太くなるテーパ状に構成されてよい。第１部分１４６は、断熱性テーパ導波路（Adiabatic tapered waveguide）として構成されてもよい。第２導波路１４２は、第１導波路１４０から分離されたＴＭモードの偏波を回転させてＴＥモードの偏波として第３ポート１４５から出力するように構成されてもよい。

第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、シリコンを含んで形成されてよい。また、第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、シリコンの基板１５０の上に形成されてよい。導波路がシリコンによって形成されることによって、偏光スプリッタローテータ８２を含む素子がシリコンフォトニクスの技術で容易に製造され得る。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、シリコンに限られず他の種々の誘電体材料を含んで形成されてもよい。

一実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、非対称な方向性結合器構造を有してよい。偏光スプリッタローテータ８２は、両側に入出力ポートを有する第１導波路１４０の形状が非対称であり、片側に入出力ポートを有して第１導波路１４０から分岐したり第１導波路１４０に合流したりする第２導波路の形状が対称であるように構成されてよい。言い換えれば、偏光スプリッタローテータ８２は、クロスアウトプットのポートを対称形状の導波路としてよい。偏光スプリッタローテータ８２がこのように構成されることによって、非対称形状の導波路の幅が太くされ得る。例えば、非対称形状の導波路の幅が３００ナノメートル（３００ｎｍ）以上とされ得る。その結果、偏光スプリッタローテータ８２は、商用のファウンダリにおいて作製可能な構造を有し得る。商用のファウンダリは、規模にかかわらず量産が可能なファウンダリを意味してよい。

商用のファウンダリにおいて量産される素子の寸法又は形状は製造公差を有する。製造公差を緩和するための構造として、対称形状の導波路幅が一定でないように設計されてよい。このようにすることで、素子が製造公差に対してロバストな構造となる。

以上述べてきたように、非対称な方向性結合器構造を用いることによって、単純な構造の偏光スプリッタローテータ８２が実現され得る。また、偏光スプリッタローテータ８２は、対称形状の導波路幅が一定でないように設計されることによって、商用ファウンダリにおいて作製可能となる。

＜分波器８３の構成例＞
分波器８３は、図１７に例示されるように、カスケード遅延マッハツェンダー干渉計（ＣＭＺＩ）を含んで構成されてよい。分波器８３に入力される電磁波が４つの波長の成分を含むとする。各波長は、λ１、λ２、λ３及びλ４と表されるとする。本構成例において、各波長の値は以下のとおりであるとする。
λ１＝１．２７μｍ
λ２＝１．２９μｍ
λ３＝１．３１μｍ
λ４＝１．３３μｍ

分波器８３は、ＣＭＺＩ８３１－１、ＣＭＺＩ８３１－２及びＣＭＺＩ８３１－３を組み合わせた構成によって電磁波を２つに分離し、一方をＣＭＺＩ８３１－２から出力し、他方をＣＭＺＩ８３１－３から出力するように構成されてよい。図１７の例において、ＣＭＺＩ８３１－２から、λ１とλ３とを含む電磁波が出力される。ＣＭＺＩ８３１－３から、λ２とλ４とを含む電磁波が出力される。

分波器８３は、ＣＭＺＩ８３１－２から出力された電磁波を、ＣＭＺＩ８３２－１、ＣＭＺＩ８３１－３及びＣＭＺＩ８３１－４を組み合わせた構成によって２つに分離し、一方をＣＭＺＩ８３２－３から出力し、他方をＣＭＺＩ８３２－４から出力するように構成されてよい。図１７の例において、ＣＭＺＩ８３２－３から、λ１を含む電磁波が出力される。ＣＭＺＩ８３２－４から、λ３を含む電磁波が出力される。

分波器８３は、ＣＭＺＩ８３１－３から出力された電磁波を、ＣＭＺＩ８３２－２、ＣＭＺＩ８３１－５及びＣＭＺＩ８３１－６を組み合わせた構成によって２つに分離し、一方をＣＭＺＩ８３２－５から出力し、他方をＣＭＺＩ８３２－６から出力するように構成されてよい。図１７の例において、ＣＭＺＩ８３２－６から、λ２を含む電磁波が出力される。ＣＭＺＩ８３２－５から、λ４を含む電磁波が出力される。

図１８に、本実施形態に係る分波器８３の損失特性を実測した結果が示される。図１８のグラフにおいて、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸はパワーを表す。パワーの単位はｄＢｍ（デシベルミリワット）である。縦軸の値が大きいほど（グラフのプロットが上であるほど）、損失が小さい。実測に際して、ＣＭＺＩ８３１－１に、波長がλ１～λ４の成分を含む電磁波が入力されている。入力される電磁波は太い実線（Ｒｅｆ）として表される。ＣＭＺＩ８３２－３から出力される成分の実測値は、実線で示される。ＣＭＺＩ８３２－４から出力される成分の実測値は、一点鎖線で示される。ＣＭＺＩ８３２－５から出力される成分の実測値は、二点鎖線で示される。ＣＭＺＩ８３２－６から出力される成分の実測値は、破線で示される。図１８のグラフに示されるように、各ＣＭＺＩから出力される成分は、各波長の成分を多く含む。つまり、実測結果においても、本実施形態に係る分波器８３は、λ１～λ４の各波長の成分を分離できている。

＜リブ型導波路の特性＞
分波器８３の導波路は、図１９Ａに示されるようにストリップ型導波路として構成されてよいし、図１９Ｂに示されるようにリブ型導波路として構成されてよい。ストリップ型導波路の断面形状は、矩形状である。リブ型導波路の断面形状は、少なくとも一部に凸型の形状を有する。導波路は、凸型の形状を有する部分と、矩形の形状を有する部分と、凸型の形状と矩形の形状とを滑らかに変形させるように接続する部分とを有してよい。

導波路は、偏光スプリッタローテータ８２又は偏光スプリッタ８２２を含む第１素子と、分波器８３を含む第２素子との間を接続する部分、又は、第２素子の中で波長合分波素子を接続する部分において、凸型の形状を有してよい。導波路は、第１素子と第２素子との間を接続する部分、又は、第２素子の中で波長合分波素子を接続する部分において、凸型の形状を有する部分と、矩形の形状を有する部分と、凸型の形状と矩形の形状とを滑らかに変形させるように接続する部分とを有してよい。導波路は、第１素子と第２素子との間を接続する部分、又は、第２素子の中で波長合分波素子を接続する部分において、曲線部を有してもよい。

分波器８３の導波路及びポートは、図２０に例示されるように配置されてよい。また、各波長合分波素子は、図２１に例示されるように構成されてよい。波長合分波素子は、２本の導波路が互いに沿って位置するように構成される第１導波部と、２本の導波路の長さが異なるように遅延線１７０を含んで構成される第２導波部とを備える。図２１に例示される波長合分波素子は、４つの第１導波部と、各第１導波部の間の３つの第２導波部とを備える。図２１において、４つの第１導波部のそれぞれの長さは、Ｌｃ１、Ｌｃ２、Ｌｃ３及びＬｃ４として表される。３つの第２導波部のそれぞれにおける２本の導波路の片道の長さの差は、ΔＬ１、ΔＬ２及びΔＬ３として表される。つまり、３つの第２導波部のそれぞれにおける２本の導波路の往復の長さの差は、ΔＬ１×２、ΔＬ２×２及びΔＬ３×２として表される。単位はμｍ（マイクロメートル）であるとする。波長合分波素子の構造は、これらの７つのパラメータによって特定され得る。

波長合分波素子は、物理的に接続する２本の導波路を有する。２本の導波路は、第１導波部において電磁的に結合している。２本の導波路のうち一方の導波路に入力された電磁波がそのまま同じ導波路から出力される場合、その出力ポートはストレートポートとも称される。言い換えれば、波長合分波素子は、方向性結合器のストレート側に出力ポートを有する。ストレートポートは、電磁波の入力ポートから導波路によって物理的に接続されているポートである。

２本の導波路のうち一方の導波路に入力された電磁波が他方の導波路に乗り移って出力される場合、その出力ポートはクロスポートとも称される。言い換えれば、波長合分波素子は、方向性結合器のクロス側に出力ポートを有する。クロスポートは、電磁波の入力ポートから導波路によって電磁的に結合されているものの物理的に接続されていないポートである。

分波器８３に含まれる複数の波長合分波素子のうち２段目より後ろに接続されている波長合分波素子は、方向性結合器のストレート側に出力ポートを有してよい。また、分波器８３の第１グループがＮ段に接続する波長合分波素子を備え、かつ、第２グループがＭ段に接続する波長合分波素子を備える場合、Ｍ＋１段目からＭ＋Ｎ段目までに接続されている波長合分波素子は、方向性結合器のストレート側に出力ポートを有してよい。

クロスポートへの出力は、素子の製造公差に対して敏感である。言い換えれば、素子の製造公差に対するクロスポートへの出力の感度が大きい。分波器８３が方向性結合器のストレート側に出力ポートを有することによって、素子の製造公差の影響が低減され得る。例えば、ＣＭＺＩ８３１－２は、ＣＭＺＩ８３１－１のクロスポートへ出力される側（ＣＭＺＩ８３１－２の側）がＣＭＺＩ８３１－２においてストレートポートへ出力されるように設計されてよい。

図２２に、ＴＥモードの偏波及びＴＭモードの偏波のそれぞれがリブ型導波路を伝搬するときの損失の大きさの実測結果が示される。図２２のグラフにおいて、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸はパワーを表す。パワーの単位はｄＢｍ（デシベルミリワット）である。縦軸の値が大きいほど（グラフのプロットが上であるほど）、損失が小さい。図２２によれば、第１導波路１４０を進行するＴＥモードの偏波の損失は、広い波長範囲でＴＭモードの偏波の損失よりも小さい。言い換えれば、リブ型導波路は、広い波長範囲でＴＭモードの偏波を放射して減衰できる。

リブ型導波路において、ＴＭモードの偏波の損失が大きくなり得る。リブ型導波路を用いた分波器８３を偏光スプリッタローテータ８２の後段に接続することによって、偏光スプリッタローテータ８２で分離しきれなかったＴＭモードの偏波が放射され得る。分波器８３でＴＭモードの偏波が放射されることによって、広帯域で消光比が高くされ得る。その結果、偏波に依存しない波長多重光集積回路が実現され得る。

＜光集積回路２００の特性＞
光集積回路２００の特性は、偏光スプリッタローテータ８２と分波器８３とによって分離された各成分の接続損失として表され得る。図２３、図２４、図２５及び図２６に、偏光スプリッタローテータ８２のＴＥモードの偏波を出力するポートに接続した分波器８３によってＴＥモードの偏波を各波長の成分に分離したときの特性が実測結果として示される。図２７、図２８、図２９及び図３０に、偏光スプリッタローテータ８２のＴＭモードの偏波を出力するポートに接続した分波器８３によってＴＭモードの偏波を各波長の成分に分離したときの特性が実測結果として示される。図２３～図３０において、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸は挿入損失（Insertion Loss：ＩＬ）を表す。挿入損失の単位はｄＢ（デシベル）である。実測に際して、偏光スプリッタローテータ８２に、ＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを含み、かつ、少なくともλ１～λ４の各波長の成分を含む電磁波が入力されているとする。

図２３において、偏光スプリッタローテータ８２のＴＥモードの偏波を出力するポートに接続した分波器８３のＣＭＺＩ８３２－３から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２４において、分波器８３のＣＭＺＩ８３２－４から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２５において、分波器８３のＣＭＺＩ８３２－５から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２６において、分波器８３のＣＭＺＩ８３２－６から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２３～図２６によれば、光集積回路２００は、偏光スプリッタローテータ８２によってＴＭモードの偏波の成分を減衰させてＴＥモードの偏波の成分を分離できている。

図２７において、偏光スプリッタローテータ８２のＴＭモードの偏波を出力するポートに接続した分波器８３のＣＭＺＩ８３２－３から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２８において、分波器８３のＣＭＺＩ８３２－４から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２９において、分波器８３のＣＭＺＩ８３２－５から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図３０において、分波器８３のＣＭＺＩ８３２－６から出力されるＴＥモードの偏波の成分が実線で示される。ＴＭモードの偏波の成分が破線で示される。図２７～図３０によれば、光集積回路２００は、偏光スプリッタローテータ８２によってＴＥモードの偏波の成分を減衰させてＴＭモードの偏波の成分を分離できている。

＜光トランシーバ＞
本実施形態に係る光集積回路２００は、光トランシーバに用いられてよい。言い換えれば、本実施形態に係る光トランシーバは、本実施形態に係る光集積回路２００を備えてよい。

（光集積回路２００の他の構成例）
一実施形態に係る光集積回路２００は、図３１に例示されるように、偏光スプリッタ（ＰＳ）８２２と、分波器（ＤＥＭＵＸ）８３とを備える。図３１に例示される光集積回路２００は、図８に例示される光集積回路２００において偏光スプリッタローテータ８２が偏光スプリッタ８２２に置き換えられた回路に相当する。偏光スプリッタ８２２は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能を有する第１素子に対応する。つまり、光集積回路２００は、第１素子として、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能を有する偏光スプリッタ８２２を備えてよい。図８に例示される光集積回路２００と図３１に例示される光集積回路２００とは、図８の偏光スプリッタローテータ８２が図３１の偏光スプリッタ８２２に置き換えられている点だけで異なっており、その他の構成において同じである。

＜小括＞
以上述べてきたように、本実施形態に係る光集積回路２００は、リブ型導波路によって広い波長範囲でＴＭモードの偏波を放射して減衰できる。その結果、広帯域で消光比が改善され得る。また、本実施形態に係る光集積回路２００において、偏光スプリッタローテータ８２又は偏光スプリッタ８２２と、分波器８３とが縦続的に接続されている。このようにすることで、本実施形態に係る光集積回路２００を備える光トランシーバは、シリコンフォトニクスのファウンダリの標準的な工程で作製可能な偏波ダイバーシティと波長多重とを同時に実現し得る。

本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１導波路１４０は、第２導波路１４２と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

本開示において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。本開示に係る構成は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸によって構成される直交座標系を用いて説明されてきた。本開示に係る各構成の位置関係は、直交関係にあると限定されるものではない。

一実施形態において、（１）光集積回路は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能、又は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離した後で少なくとも一部の偏波を回転させる機能を有する第１素子と、電磁波に含まれる複数の波長の成分を各波長の成分に分離する機能を有する第２素子とを備え、前記第１素子と前記第２素子とが縦続的に接続されている。

（２）上記（１）に記載の光集積回路において、前記第１素子は、第１導波路と第２導波路とを有してよい。

（３）上記（２）に記載の光集積回路において、前記第１導波路と前記第２導波路とは、平行に並んで位置してよい。

（４）上記（２）又は（３）に記載の光集積回路において、前記第１導波路及び前記第２導波路のうち少なくとも一方の断面は線対称でなくてよい。

（５）上記（２）から（４）までのいずれか１つに記載の光集積回路において、前記第１素子と前記第２素子との間、又は、前記第２素子に含まれる導波路は、曲線部を含んでよい。

（６）上記（２）から（５）までのいずれか１つに記載の光集積回路において、前記第１素子と前記第２素子との間、又は、前記第２素子に含まれる導波路は、少なくとも一部において凸型の形状を有してよい。

（７）上記（６）に記載の光集積回路において、前記第１素子と前記第２素子との間、又は、前記第２素子に含まれる導波路は、前記凸型の形状を有する部分と、矩形の形状を有する部分と、前記凸型の形状と前記矩形の形状とを滑らかに変形させるように接続する部分とを有してよい。

（８）上記（１）から（７）までのいずれか１つに記載の光集積回路は、前記第１素子と前記第２素子との間に挿入されている偏光子を備えてよい。

（９）上記（１）から（８）までのいずれか１つに記載の光集積回路は、シリコンフォトニクスの技術によって形成されていてよい。

（１０）上記（１）から（９）までのいずれか１つに記載の光集積回路は、光検出器を備えてよい。

一実施形態において、（１１）光トランシーバは、上記（１）から（１０）までのいずれか１つに記載の光集積回路を備えてよい。

１、２００ 光集積回路（８１：入力部、８１１：エッジカプラ、８１２：二次元グレーティングカプラ（２ＤＧＣ）、８２：偏光スプリッタローテータ（ＰＳＲ）、８２２：偏光スプリッタ（ＰＳ）、８３：分波器（ＤＥＭＵＸ）、８３１－１～３：ＣＭＺＩ、８３２－１～６：ＣＭＺＩ、８４：遅延器、８５：可変光減衰器（ＶＯＡ））
１０ フォトダイオード
５０ 基板
１４０ 第１導波路（１４１：非対称部分、１４３：第１ポート、１４４：第２ポート）
１４２ 第２導波路（１４５：第３ポート、１４６：第１部分、１４７：第２部分）
１５０ 基板（１５１：絶縁層）
１７０ 遅延線
２１０ 検出素子

Claims (11)

1. 複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離する機能、又は、複数の偏波を含む電磁波から各偏波を分離した後で少なくとも一部の偏波を回転させる機能を有する第１素子と、電磁波に含まれる複数の波長の成分を各波長の成分に分離する機能を有する第２素子とを備え、前記第１素子と前記第２素子とが縦続的に接続されている、光集積回路。
2. 前記第１素子は、第１導波路と第２導波路とを有する、請求項１に記載の光集積回路。
3. 前記第１導波路と前記第２導波路とは、平行に並んで位置する、請求項２に記載の光集積回路。
4. 前記第１導波路及び前記第２導波路のうち少なくとも一方の断面は線対称でない、請求項２に記載の光集積回路。
5. 前記第１素子と前記第２素子との間、又は、前記第２素子に含まれる導波路は、曲線部を含む、請求項２に記載の光集積回路。
6. 前記第１素子と前記第２素子との間、又は、前記第２素子に含まれる導波路は、少なくとも一部において凸型の形状を有する、請求項２に記載の光集積回路。
7. 前記第１素子と前記第２素子との間、又は、前記第２素子に含まれる導波路は、前記凸型の形状を有する部分と、矩形の形状を有する部分と、前記凸型の形状と前記矩形の形状とを滑らかに変形させるように接続する部分とを有する、請求項６に記載の光集積回路。
8. 前記第１素子と前記第２素子との間に挿入されている偏光子を備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の光集積回路。
9. シリコンフォトニクスの技術によって形成されている、請求項１から７までのいずれか一項に記載の光集積回路。
10. 光検出器を備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の光集積回路。
11. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の光集積回路を備える、光トランシーバ。

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