JP3782247B2 - 光学干渉計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マッハツェンダー干渉計（Mach-Zehnder interferometer：ＭＺＩ）に関し、特に、基準波長装置として用いるコンパクトなマッハツェンダー干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバによる通信チャネルが、金属製ケーブルおよびマイクロウェーブの伝送リンクに、取って代わるにつれて、光学信号を直接処理する光学集積回路がますます重要となる。光学処理に特に有効なアプローチは、シリコン基板上に形成されたガラス導波路の集積構造を用いることである。このような集積装置の基本的構造は、C.H.Henry et al 著の“Glass Waveguides on Slilicon for Hybrid Optical Packaging”,7 J.Lightwave Technol.,pp.1530-1539(1989),に開示されている。これを要約すると、シリコン製基板がＳｉＯ₂製のベースを具備し、ドープしたシリカガラス製のコア層がこのＳｉＯ₂製酸化物層の上に堆積されている。このコア層は標準のリソグラフ技術を用いて、所望の導波路構造（通常４〜１０μｍ）の幅を有するよう構成され、ドープしたシリカガラス製の層がこのコアの上に堆積され上部クラッド層として機能する。導波路の正確な構造により、このようなデバイスは、ビーム分割、タッピング、多重化、分離化、フィルタリング等の様々な機能を実行できる。
【０００３】
マッハツェンダー干渉計は、ガラス製導波路の集積デバイス内の主要な要素である。ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）は、異なる長さの２本の導波路により接続された１対のカプラーを有する。図１には、従来技術を示し、同図においては、従来のＭＺＩは例えばシリコン製の基板１３の上に堆積された２本の導波路１１、１２を有する。この２本の導波路は、２個の領域１４、１５で近接して配置され、２個の方向性カプラー（通常３ｄＢカプラーと称する）を形成し、２本の導波路上を伝搬する光を分離したり再結合したりする。下側の導波路１２は下側アームとも称し、この光学長はＬである。上側の導波路１１はより長い光学長さＬ＋ΔＬを有し下側アームの導波路１２よりもより大きく湾曲している。
【０００４】
次に図１の動作について説明する。ＭＺＩは１個のフィルタとして機能する。最大伝送量は、出力用３ｄＢカプラーである領域１５に到達する、アームである導波路１１と導波路１２を伝搬する波長λ_iが位相差Δφ＝２πｍ（ｍは正数）の時に発生する。最低伝送量は、Δφがπの奇数倍の時のλ_jで発生する。このような周期的動作により、ＭＺＩは、シンプルな光フィルタ、波長分割マルチプレクサ、基準波長装置として機能する。適宜構成されたＭＺＩの連続体を用いて、様々な異なる特性を有するフィルタを形成できる。これに関しては、米国特許５５９６６６１号を参照のこと。
【０００５】
従来のＭＺＩにおける問題点は、ＭＺＩは基板表面の比較的長く、広い領域を占有する点である。より長い光学パス長さを得るために、一方のアーム（導波路）は通常湾曲している。しかしこの湾曲量は、曲げ損失と分散の影響により制限される。湾曲部分を光が伝搬すると、光は失われ、光学モードは半径方向から外側にシフトしてしまう。導波路コアにルーズに結合されたモード（ＴＭ）は、よりタイトに結合されたモード（ＴＥ）よりも損失が大きく、外側シフトの量も多い。従って、湾曲部の半径は大きく保たねばならず、その結果かなりの面積が所望のパス長差ΔＬを得るために必要である。
【０００６】
このような形状上の制約は、ＭＺＩを基準波長ソースとして適応する際に特に問題である。ＭＺＩは大型であるために、レーザ光ソースとＭＺＩは通常、別個の基板上に搭載される。しかしこの別個の基板は、異なる偏光シフト（通常応力複屈折に起因する）を生成してしまう。このため、この偏光差を補償するために別の装置が必要となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、小型のマッハツェンダー干渉型装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＭＺＩは、１対のカプラー間に配置された、１対の折り曲げられた導波路を有する。各折り曲げられた導波路は、反射器で交差する１つのセグメントを有する。このそれぞれの反射器は、カプラーから異なった位置に配置され、２本のアーム間に異なるパス長さの主要部を提供する。一実施例においては、反射器は、ポリシリコン製のミラーであり、交差した導波路をエッチングして、ポリシリコンを堆積することにより形成できる。本発明によれば、ＭＺＩは、共通のシリコン製の光学ベンチチップ上にレーザ光ソース用の多重波長基準装置として用いることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２に本発明の折り返し型ＭＺＩ２０を含む光学導波路集積装置１９の上面図を示す。本発明の折り返し型ＭＺＩ２０は、酸化物をコーティングしたシリコン製の基板２３の上に１対の折り返し型導波路２１，２２を有し、それらは、１対のカプラー２４、２５の間に配置されている。折り返し型導波路２１は、反射器２１Ｃにより光学的に接合された少なくとも２つの導波路セグメント２１Ａ、２１Ｂを有する。このセグメントは、反射器と交差している。折り返し型導波路２２も、折り返し型導波路２１に対応する同様な構成要素導波路セグメント２２Ａ〜反射器２２Ｃを有する。折り返し型導波路２１、２２は軸方向に延び、反射器２１Ｃ、２２Ｃは、結合器と反射器とを結ぶ方向に沿って軸方向距離ｄだけ互いに離れている。この距離ｄが、折り返し型導波路２１、２２の間のパス長差ΔＬの主要な部分となる。カプラー２４、２５は、折り返し型導波路２１、２２が互いに近づく領域であり、そこで光学結合が発生する。導波路間の距離と結合領域の長さは、一方の導波路から他方の導波路へ３ｄＢ結合が行われるよう選択される。
【００１０】
図２の構造は、前掲の Henry et al 著の文献に開示されたものである。シリコン製の基板は、高圧蒸気酸化により成長したＳｉＯ₂製の第１層（厚さ１５μｍ）を具備する。８％のリンをドープしたシリカからなる厚さが４〜８μｍのコア層をこの酸化物層の上にＬＰＣＶＤを用いて堆積した。その後コア層を適宜マスクして、ＲＩＥ等によりドライエッチングして、このコア層を所望の形状の導波路のパターン化した。このコア層のガラスをその後アニールして、さらにその後上部クラッド層（リンとボロンをドープしたシリカ製の７μｍ厚層）を導波路コアの上に堆積した。通常導波路コアは、４〜１０μｍの範囲の幅を有する。
【００１１】
反射器２１Ｃ、２２Ｃは、交差点近傍の導波路セグメントをエッチングし、切断した表面を金属化することにより形成できる。好ましくは反射器は、導波路がＲＩＥにより規定された直後にその切断面にポリシリコンを堆積することにより形成できる。
【００１２】
次にこれらの構成の動作について述べる。折り返し型導波路２１の入力点に入った光は、カプラー２４を通過し、そこで折り返し型導波路２１、２２の間で等分割される。各導波路上を光は、第１の導波路セグメント２１Ａ，２２Ａに沿って通過して、それぞれ反射器２１Ｃ、２２Ｃで反射され、導波路セグメント２１Ｂ、２２Ｂに至る。反射器２１Ｃ、２２Ｃは、結合領域（２４，２５）から異なる距離に配置されているために、導波路セグメント２１Ｂを通過する光と、導波路セグメント２２Ｂを通過する光は波長に依存して異なる位相で、第２の結合領域２５に到達する。位相（２πの正数倍の位相）で到達した光は、伝送量が最大となる。その位相からずれた光は、伝送量が最小となる。πシフトが一方の導波路から他方の導波路への結合の際現れるために、出力は相補的となる。
【００１３】
図３は、図２のデバイス１９を多重波長光ソースの基準波長装置として使用する例を示す。折り返し型ＭＺＩ２０への入力は、フィードバック制御が可能な光ソース４０（例、その波長が調整可能な多重波長レーザ）から放射される。このＭＺＩの遅延差は、所望のソースの波長において、相補的な出力が所定の比率で（例えば、好ましくは等比率で現れるよう）選択される。２つの出力が、光ダイオード４１、４２に加えられ、その結果得られた電気信号が比較器４３内で比較される。差を表す信号がフィードバックループ４４を介して光ソース４０に加えられ、それにより波長を一定にする。この実施例においては折り返し型ＭＺＩ２０と光ソース４０とは共通の基板４５上に配置されている。調整された光学出力は基板４５上に配置された増幅器／変調器チップ４６により増幅および／または変調される。光ソース４０は、複数のスペクトラム的に分離した波長を生成する、多重波長光ソースである。
【００１４】
次に本発明を以下の実験例を下に説明する。
【００１５】
【実施例】
図２の装置を前掲の C.H.Henry et al 著の論文に記載された、シリコン光学ベンチ技術（silicon optical bench techniques：ＳｉＯＢ）を用いて、シリコン製の基板上に形成した。２つのカプラー領域（図２の２４，２５に相当）が横方向（図２で上下方向に相当）に約２８０μｍ離れて配置され、縦方向（図２で左右方向に相当）に約１０００μｍ（図２のｄに相当）離れてエッチングしたミラー反射器（図２の２１Ｃ，２２Ｃに相当）を配置した。カプラー領域の導波路の幅は４．５μｍで、直線カプラー領域の長さは９００μｍで、それに沿った２本の導波路（図２の２４の部分の２１，２２に相当）間の中心間距離は９μｍであった。導波路（図２の２１，２２に相当）の厚さは約６．８μｍで、導波路の曲げ半径は１０ｍｍである。その結果、約２ｍｍのパス長差を有する折り曲げ型のＭＺＩ２０が得られ、その結果、１００ＧＨｚの自由空間範囲が得られた。
【００１６】
図３の装置においては、ＭＺＩ（２０）は、レーザ（４０）から下側カプラーのポートで安定化された光を受光し、上側出力カプラーの両方のブランチは、同調ミラーを介して、ＰＩＮディテクター（４１，４２）に向けられた。ＰＩＮディテクター（４１，４２）の信号の差が波長が変わるにつれて（交互に変わる傾斜でもって）、５０ＧＨｚごとに、ゼロを通る信号を提供し、その結果、高密度ＷＤＭソースのマルチチャネル基準として用いることができる。ＰＩＮ出力の和は、レーザーソースのフロントフェイスパワーミラーとして用いられる。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は従来の導波路基準波長装置に比較して、小型となる。この小型化により、ＭＺＩをレーザーと同一のシリコンチップ上に配置できる。エッチングされたミラーの製造許容誤差が広くなったことにより、容易に本発明のデバイスを製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のマッハツェンダー干渉計を表す図。
【図２】本発明による折り返し形式のマッハツェンダー干渉計を表す図。
【図３】多重波長光ソース内の基準波長装置としての図２の主要例を表す図。
【符号の説明】
１１、１２ 導波路
１３ 基板
１４、１５ 領域
１９ 光学導波路集積装置
２０ 折り返し型ＭＺＩ
２１、２２ 折り返し型導波路
２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ 導波路セグメント
２１Ｃ、２２Ｃ 反射器
２３ 基板
２４、２５ カプラー
４０ 光ソース
４１、４２ 光ダイオード
４３ 比較器
４４ フィードバックループ
４５ 基板
４６ 増幅器／変調器チップ

Claims (9)

1. 一対の光学カプラー領域（２４，２５）間に延びる一対の光学導波路（２１，２２）を有する光学干渉計（１９）において、
   前記一対の光学導波路（２１，２２）は、最大伝送量と最小伝送量を与える前記光学カプラー領域（２４，２５）間に異なる長さの光学パスを有し、
   前記一対の光学導波路の各導波路（２１，２２）は、第１セグメント（２１Ａ，２２Ａ）と、第２セグメント（２１Ｂ，２２Ｂ）と、前記第１セグメントと第２セグメントとを光学的に結合する反射器（２１Ｃ，２２Ｃ）とを有し、
   前記反射器は、前記導波路のセグメントの長軸方向を横切る方向に向けられ、前記各反射器は、互いに、前記長軸方向に関し、ある距離（ｄ）だけ離間して配置され、
   前記一対の光学カプラー領域の一方の光学入力カプラー領域（２５）から入射した光が第２セグメント（２１Ｂ，２２Ｂ）内を伝搬し、前記反射器（２１Ｃ，２２Ｃ）で反射されて、第１セグメント（２１Ａ，２２Ａ）を更に伝搬して、他方の光学出力カプラー領域（２４）から出力される
   ことを特徴とする光学干渉計。
2. 前記第１セグメント（２１Ａ，２２Ａ）と、第２セグメント（２１Ｂ，２２Ｂ）とは、前記反射器（２１Ｃ，２２Ｃ）に関し、折り返す状態に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の干渉計。
3. 前記導波路は、シリコンを含有する基板上に配置された、シリカガラス製の導波路を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の干渉計。
4. 前記反射器は、ポリシリコンを含有する
   ことを特徴とする請求項１記載の干渉計。
5. 電気的に制御可能な光学ソース（４０）と、
   前記光学ソースに光学的に結合された光学干渉計（２０）と、
   前記光学干渉計（２０）の出力を表す電気信号を生成する光ダイオード（４１，４２）と、
   前記電気信号により前記光学ソース（４０）を制御するフィードバックループ（４４）と、
   を有する光学ソース装置において、
   前記光学干渉計（２０）は、請求項１記載の干渉計（１９）である
   ことを特徴とする光学ソース装置。
6. 前記光学ソースは、多重波長光学ソースである
   ことを特徴とする請求項５記載の光学ソース装置。
7. 前記光学ソース（４０）と前記干渉計（２０）とは共通の基板（４５）上に配置される
   ことを特徴とする請求項５記載の光学ソース装置。
8. 前記光学ソース（４０）と前記干渉計（２０）とは、シリコンを含有する共通の基板（４５）上に配置される
   ことを特徴とする請求項５記載の光学ソース装置。
9. 前記光学ソース（４０）と前記干渉計（２０）と光ダイオード（４１，４２）とは、シリコンを含有する共通の基板（４５）上に一体に形成される
   ことを特徴とする請求項５記載の光学ソース装置。

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