JP4405976B2 - Optical signal processor - Google Patents
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Description
本発明は、偏波依存性を抑制した光信号処理器に関する。 The present invention relates to an optical signal processor that suppresses polarization dependence.
インターネットを代表とするデータ通信の爆発的な増加による、通信の長距離・大容量化へのさらなる要求から、波長多重通信は重要な技術となっている。この波長多重通信システムに必要不可欠なデバイスとして、光信号を波長によって合分波するための波長合分波フィルタがある。例えば、シンプルな波長合分波フィルタとしては、光導波路を用いたマッハツェンダ干渉計(MZI)を用いたものがある(非特許文献1参照)。 Wavelength division multiplexing has become an important technology due to further demands for long-distance and large-capacity communications due to the explosive increase in data communications represented by the Internet. As an indispensable device for this wavelength division multiplexing communication system, there is a wavelength multiplexing / demultiplexing filter for multiplexing / demultiplexing optical signals according to wavelengths. For example, as a simple wavelength multiplexing / demultiplexing filter, there is one using a Mach-Zehnder interferometer (MZI) using an optical waveguide (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、このようなマッハツェンダ干渉計においては、光導波路が複屈折率を有し、直交する2つの偏波、すなわちTE偏波とTM偏波では、異なる実効屈折率を有することになる。その結果、偏波によって光路長差が異なり、消光する波長に偏波依存性を生じるという問題があった。 However, in such a Mach-Zehnder interferometer, the optical waveguide has a birefringence, and two orthogonal polarizations, that is, TE polarization and TM polarization, have different effective refractive indexes. As a result, there is a problem in that the optical path length difference differs depending on the polarization, and polarization dependence occurs in the extinction wavelength.
このような偏波依存性を解消する手法として、マッハツェンダ干渉計のアーム導波路の中央に半波長板を挿入する手法がある(非特許文献2参照)。この手法では、光信号は、光導波路の半分の距離を一方の偏波(例えば、TM偏波)で伝搬する。その後、光信号は、半波長板で一方の偏波から他方の偏波へ偏波変換される。そして、光信号は、残りの半分の距離を他方の偏波(例えば、TE偏波)で伝搬する。これにより、この光信号は、いずれの偏波においても光路長が一定となり、光導波路における偏波依存性を解消することができる。 As a technique for eliminating such polarization dependence, there is a technique of inserting a half-wave plate in the center of an arm waveguide of a Mach-Zehnder interferometer (see Non-Patent Document 2). In this method, an optical signal propagates by one polarization (for example, TM polarization) for a half distance of the optical waveguide. Thereafter, the optical signal is polarization-converted from one polarization to the other by the half-wave plate. And an optical signal propagates the other half distance by the other polarization (for example, TE polarization). As a result, the optical signal has a constant optical path length in any polarization, and the polarization dependence in the optical waveguide can be eliminated.
しかしながら、上記の手法では、半波長板を用いて、TE偏波をTM偏波(あるいは、TM偏波をTE偏波)に完全に偏波変換することを前提としている。半波長板は、一般に膜厚が面内分布をもつことから、その偏波変換効率(ここでは、TE偏波からTM偏波(あるいは、TM偏波からTE偏波)へ変換する割合)は必ずしも「100%」ではない。また、場所によって偏波変換効率も異なる。このような波長板をマッハツェンダ干渉計のアーム導波路に挿入した場合、2本のアーム導波路間でその偏波変換効率に差が生じ、これによってマッハツェンダ干渉計の偏波依存性の低減が制限される。 However, the above method is based on the premise that the TE polarization is completely converted to TM polarization (or TM polarization to TE polarization) using a half-wave plate. Since the half-wave plate generally has an in-plane film thickness distribution, its polarization conversion efficiency (here, the rate of conversion from TE polarization to TM polarization (or TM polarization to TE polarization)) It is not necessarily “100%”. Also, the polarization conversion efficiency varies depending on the location. When such a wave plate is inserted into the arm waveguide of a Mach-Zehnder interferometer, a difference in polarization conversion efficiency occurs between the two arm waveguides, thereby limiting the reduction of the polarization dependence of the Mach-Zehnder interferometer. Is done.
例えば、消光する波長の周波数間隔(周期)をFSR(Frequency Spectral Range)、偏波に依存した消光する波長のずれ量の最大値をPDf(Polarization Dependent Frequency)と定義すると、FSRが10GHzの場合、上記の手法では、PDfが3GHzも発生してしまう。信号品質の劣化を避ける目的で、このPDfはFSRの100分の1以下が要求されており、従来の技術ではこの仕様を満たすことは困難であった。 For example, if the frequency interval (period) of the extinction wavelength is defined as FSR (Frequency Spectral Range) and the maximum shift amount of the extinction wavelength depending on the polarization is defined as PDf (Polarization Dependent Frequency), the FSR is 10 GHz. With the above method, PDf is generated as much as 3 GHz. In order to avoid the deterioration of signal quality, this PDf is required to be 1/100 or less of the FSR, and it has been difficult to satisfy this specification with the conventional technology.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、簡便な構成により、偏波依存性のさらに小さい光信号処理器を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical signal processor having a smaller polarization dependency with a simple configuration.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、2つの結合器と、前記2つの結合器を連結する2本の導波路と、前記2本の導波路に設けられた光フィルタとを備えた光信号処理器において、前記2本の導波路は、前記光フィルタが設けられた部分で近接したことを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention provides two couplers, two waveguides connecting the two couplers, and the two waveguides. In the optical signal processor provided with the optical filter, the two waveguides are close to each other at the portion where the optical filter is provided.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光信号処理器において、前記2本の導波路は、前記光フィルタが設けられた部分で緩やかに近接したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the optical signal processor according to the first aspect, the two waveguides are close to each other at a portion where the optical filter is provided.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光信号処理器において、前記2本の導波路は、前記光フィルタが設けられた部分で2000μm以下に近接したことを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the optical signal processor according to claim 1 or 2, wherein the two waveguides are close to 2000 μm or less at a portion where the optical filter is provided. And
また、請求項4に記載の発明は、請求項1ないし3のいずれかに記載の光信号処理器において、前記光フィルタは、光信号の半波長に相当する半波長板であり、前記半波長板は、光学主軸が導波路基板面と45度の角度をなすように設けられたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the optical signal processor according to any one of the first to third aspects, the optical filter is a half-wave plate corresponding to a half wavelength of an optical signal, and the half wavelength The plate is provided such that the optical principal axis forms an angle of 45 degrees with the waveguide substrate surface.
また、請求項5に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の光信号処理器において、前記結合器は、多モード干渉計であることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical signal processor according to any one of the first to fourth aspects, the coupler is a multimode interferometer.
また、請求項6に記載の発明は、請求項1ないし4のいずれかに記載の光信号処理器において、前記結合器は、方向性結合器であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical signal processor according to any one of the first to fourth aspects, the coupler is a directional coupler.
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
なお、以下の説明では、光導波路としてシリコン基板上に形成された石英系光導波路を例にとって説明する。これは、この組み合わせが安定で信頼性に優れた光導波路デバイスを作製するのに適しているからである。しかしながら、本発明はこの組み合わせに限定されるものではなく、シリコン、石英ガラス、ソーダガラスなどの基板上に、石英系光導波路やシリコン酸化窒化膜(SiON)などの光導波路、PMMAなどの有機系光導波路、シリコン光導波路を用いたものでも勿論かまわない。 In the following description, a silica-based optical waveguide formed on a silicon substrate will be described as an example of the optical waveguide. This is because this combination is suitable for producing an optical waveguide device which is stable and excellent in reliability. However, the present invention is not limited to this combination. On a substrate such as silicon, quartz glass, or soda glass, an optical waveguide such as a quartz optical waveguide or a silicon oxynitride film (SiON), or an organic system such as PMMA. Of course, an optical waveguide or a silicon optical waveguide may be used.
(比較例)
図1に、基本的なマッハツェンダ干渉計の概略図を示す。このMZI100は、2つの結合器110a、110bと、それらを結ぶ2本のアーム導波路120a、120bとから構成されている。ここで、マッハツェンダ干渉計の動作原理とその偏波依存性について説明する。
(Comparative example)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a basic Mach-Zehnder interferometer. The MZI 100 includes two
入力A1→出力B1をスルーパス、入力A1→出力B2をクロスパスと定義した場合、公知の干渉原理によって、それらの光出力(Ithrough,Icross)は、式(1)および式(2)のように記述できる。 When the input A1 → output B1 is defined as a through path, and the input A1 → output B2 is defined as a cross path, their optical outputs (I through , I cross ) are expressed by the equations (1) and (2) according to a known interference principle. Can be described as follows.
なお、I0は入力光の光強度、nは実効屈折率、ΔLは二本のアーム導波路の長さの差、λは使用波長を示す。また、結合器の結合率は50%とした。 Here, I 0 is the light intensity of the input light, n is the effective refractive index, ΔL is the difference in length between the two arm waveguides, and λ is the wavelength used. The coupling rate of the coupler was 50%.
上式は、言い換えれば、スルーパスではnΔL=λm、クロスパスではnΔL=λ(m+1/2)(mは整数)を満たす信号波長において、周期的に光信号が消光し、他方のパスへ出力され、波長合分波フィルタとして機能することを意味する。 In other words, the optical signal is periodically extinguished at the signal wavelength satisfying nΔL = λm in the through path and nΔL = λ (m + 1/2) (m is an integer) in the cross path and output to the other path. It means to function as a wavelength multiplexing / demultiplexing filter.
このようなデバイスに用いられる光導波路の作製方法には、例えば、次のようなものがある。シリコン基板上に火炎体積法を用いて、SiO2を主体とした下部アンダークラッド層にGeO2を添加したコア層を堆積する。そして、コア層を反応性イオンエッチングを用いてパターン化し、再度、火炎堆積法を用いて、オーバクラッド層を堆積して埋め込み型光導波路を作製する。 Examples of the method for manufacturing an optical waveguide used in such a device include the following. A core layer in which GeO 2 is added to the lower under cladding layer mainly composed of SiO 2 is deposited on the silicon substrate by using a flame volume method. Then, the core layer is patterned using reactive ion etching, and an overcladding layer is deposited again using a flame deposition method to produce a buried optical waveguide.
通常、このような光導波路は、コアの形状やシリコン基板と石英ガラスの熱膨張係数の差に起因する複屈折を有する。つまり、直交する2つの偏波であるTE偏波とTM偏波では、異なる実効屈折率(nTE,nTM)を有することになる。その結果、偏波によって光路長差(nTEΔL,nTMΔL)が異なり、消光する波長に偏波依存性が生じる。この偏波依存性は、偏波依存損失の発生要因となり、信号品質を大きく劣化させる。そのため、こうした光出力の偏波依存性を解消する手法が望まれている。 Usually, such an optical waveguide has birefringence due to the difference in thermal expansion coefficient between the shape of the core and the silicon substrate and quartz glass. That is, the TE polarization and TM polarization, which are two orthogonal polarizations, have different effective refractive indexes (n TE , n TM ). As a result, the optical path length difference (n TE ΔL, n TM ΔL) differs depending on the polarization, and the polarization dependency occurs in the extinction wavelength. This polarization dependency becomes a cause of generation of polarization dependent loss, and greatly degrades signal quality. Therefore, a method for eliminating the polarization dependence of the optical output is desired.
図2に、マッハツェンダ干渉計の偏波依存性を解消する従来の手法の一例を示す(非特許文献2)。このマッハツェンダ干渉計回路200は、2本のアーム導波路120aおよび120bの中央に、使用波長の1/2相当の半波長板230を備えており、この半波長板は基板の水平方向から光学主軸が45度傾くように挿入されている。これにより、光信号は、アーム導波路の半分の距離(ΔL/2)を一方の偏波(例えば、TM偏波)で伝搬し、半波長板で偏波変換され、残りの半分の距離(ΔL/2)を他方の偏波(例えば、TE偏波)で伝搬することになる。このように、伝搬した光信号は、いずれの偏波においても光路長差がnΔL=(nTE+nTM)ΔL/2となり、出力光の偏波依存性を解消することができる。
FIG. 2 shows an example of a conventional technique for eliminating the polarization dependence of the Mach-Zehnder interferometer (Non-Patent Document 2). The Mach-Zehnder
しかしながら、上記の技法では、半波長板を用いて、TE偏波をTM偏波(あるいは、TM偏波をTE偏波)に完全に偏波変換することを前提としている。しかし、一般に、半波長板は膜厚が面内分布をもつため、その偏波変換効率(TE偏波からTM偏波、あるいはTM偏波からTE偏波へ変換する割合)は必ずしも「100%」ではない。また、場所によって偏波変換効率も異なる。例えば、図3に示すポリイミド波長板230に関して、偏波変換効率の場所依存性を測定した結果を図4に示す。
However, the above technique is based on the premise that the TE polarization is completely converted to TM polarization (or TM polarization to TE polarization) using a half-wave plate. However, since the half-wave plate generally has an in-plane film thickness distribution, its polarization conversion efficiency (the rate of conversion from TE polarization to TM polarization or from TM polarization to TE polarization) is not necessarily “100%. "is not. Also, the polarization conversion efficiency varies depending on the location. For example, FIG. 4 shows the result of measuring the location dependence of the polarization conversion efficiency for the
図4からポリイミド波長板230の偏波変換効率は場所によって異なることが分かる。このような波長板をマッハツェンダ干渉計のアーム導波路に挿入した場合、2本のアーム導波路間でその偏波変換効率に差が生じ、これによってマッハツェンダ干渉計の偏波依存性に影響が及ぼされる。
It can be seen from FIG. 4 that the polarization conversion efficiency of the
例えば、消光する波長の周波数間隔(周期)をFSR(Frequency Spectral Range)、偏波に依存した消光する波長のずれ量の最大値をPDf(Polarization Dependent Frequency)と定義した場合、FSRが10GHzのマッハツェンダ干渉計回路において、図2の構成ではPDfが3GHzも発生する。信号品質の劣化を避けるために、PDfはFSRの100分の1以下が要求されており、従来の手法ではこの仕様を満たすことは困難である。 For example, when the frequency interval (period) of the extinction wavelength is defined as FSR (Frequency Spectral Range) and the maximum shift amount of the extinction wavelength depending on the polarization is defined as PDf (Polarization Dependent Frequency), the MSR of FSR is 10 GHz. In the interferometer circuit, PDf of 3 GHz is generated in the configuration of FIG. In order to avoid degradation of signal quality, PDf is required to be 1 / 100th or less of FSR, and it is difficult to satisfy this specification with the conventional method.
(実施例1)
図5は、本発明の第1の実施例によるマッハツェンダ干渉計の概略図である。このMZI500は、2つの多モード干渉計510a、510bと、多モード干渉計の間に挟まれた2本のアーム導波路520a、520bと、2本のアーム導波路を分断するように形成された溝に挿入されたポリイミド波長板530とから構成されている。この挿入したポリイミド波長板530は、光学主軸が基板の水平方向から45度に傾いており、遅軸と速軸を伝搬する偏波に対して信号光波長の半波長相当の位相差を与える。その結果、TM偏波をTE偏波(あるいは、TE偏波をTM偏波)に偏波変換する偏波モード変換器として機能する。また、このMZIは、FSRを10GHzとするため、2本のアーム導波路520aおよび520bの長さの差(ΔL)は20.7mmとした。
Example 1
FIG. 5 is a schematic diagram of a Mach-Zehnder interferometer according to a first embodiment of the present invention. The
本実施例の特徴は、2本のアーム導波路520a、520bが半波長板に向かって緩やかに接近し、半波長板の挿入部でアーム導波路間の距離を近接させたことである。すなわち、2本のアーム導波路間の距離を近接させることによって、半波長板の偏波変換効率の面内依存性による影響を抑制することができる。
The feature of this embodiment is that the two
実際に、2本のアーム導波路間の距離を700μmとした場合、波長1.55μm付近でPDfは30MHzまで抑制することができた。なお、比較例におけるMZI200では、波長板を分断する2本のアーム導波路の間隔は10mmであり、そのPDfは3GHzであった。このように、本発明によってMZIの偏波依存性を大きく改善することができる。
Actually, when the distance between the two arm waveguides was 700 μm, PDf could be suppressed to 30 MHz in the vicinity of the wavelength of 1.55 μm. In the
図6に、本発明の一実施例におけるアーム導波路の間隔に対するPDfの測定結果の一例を示す。この図より、PDfを100MHz(FSRの100分の1)以下にするためには、導波路間隔を2000μm以下とすることが好ましい。この測定結果においては、半波長板挿入部におけるアーム導波路の間隔を700μmまでとしたが、アーム導波路の間隔をさらに狭くすればPDfはさらに低減できることが容易に推測できる。
FIG. 6 shows an example of the measurement result of PDf with respect to the interval of the arm waveguide in one embodiment of the present invention. From this figure, in order to make
(実施例2)
図7に、本発明の第2の実施例によるマッハツェンダ干渉計の概略図を示す。このMZI700は、実施例1の場合と同様、2つの多モード干渉計710a、710bと、多モード干渉計の間に挟まれた2本のアーム導波路720a、720bと、2本のアーム導波路を分断するように形成された溝に挿入されたポリイミド波長板730とから構成されている。本実施例では、実施例1のMZI(図5)と比較すると、結合器710a、710bが対向していることを特徴としている。このMZI700においても、2本のアーム導波路間の距離を近接させることによって、実施例1の場合と同様の効果が得られた。具体的には、アーム導波路間隔を700μmとした場合、波長1.55μm付近でPDfは50MHzまで抑制することができた。
(Example 2)
FIG. 7 shows a schematic diagram of a Mach-Zehnder interferometer according to a second embodiment of the present invention. Similar to the first embodiment, the
ちなみに、図5の構成のメリットは、2つの多モード干渉計510aおよび510bが対向していないため、前段の結合器510aから放射された光が後段の結合器510bに再結合することがないので、大きな消光比が得られることである。一方、図7の構成のメリットは、2本のアーム導波路720aおよび720bの長さの差が小さいMZIの場合、よりコンパクトな構成が可能となり、アレイ化に適している。
Incidentally, since the two
以上、本発明について、具体的にいくつかの実施例について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施例は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記の実施例では、結合器として多モード干渉計を用いたが、方向性結合器、X型分岐回路等を用いても同様な効果が得られることは容易に類推できる。したがって、ここに例示した実施例は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。 While the present invention has been described with respect to several embodiments, the embodiments described herein are merely illustrative in view of many possible forms to which the principles of the present invention can be applied. It is not intended to limit the scope of the invention. For example, in the above embodiment, a multimode interferometer is used as a coupler, but it can be easily analogized that the same effect can be obtained even if a directional coupler, an X-type branch circuit, or the like is used. Therefore, the configuration and details of the embodiment illustrated here can be changed without departing from the spirit of the present invention. Further, the illustrative components and procedures may be changed, supplemented, or changed in order without departing from the spirit of the invention.
100 マッハツェンダ干渉計
110a,100b 結合器
120a,120b アーム導波路
200 マッハツェンダ干渉計
230 半波長板
500 マッハツェンダ干渉計
510a,510b 結合器
520a,520b アーム導波路
530 半波長板
700 マッハツェンダ干渉計
710a,710b 結合器
720a,720b アーム導波路
730 半波長板
100 Mach-
Claims (5)
前記半波長板は、光学主軸が導波路基板面と45度の角度をなすように設けられ、
前記2本の導波路は、前記半波長板が設けられた部分で近接したことを特徴とするマッハツェンダ干渉計。 In a Mach-Zehnder interferometer comprising two couplers, two waveguides connecting the two couplers, and a half-wave plate provided in the two waveguides,
The half-wave plate is provided such that the optical principal axis forms an angle of 45 degrees with the waveguide substrate surface,
The Mach-Zehnder interferometer, wherein the two waveguides are close to each other at a portion where the half-wave plate is provided.
前記2本の導波路は、前記半波長板が設けられた部分で緩やかに近接したことを特徴とするマッハツェンダ干渉計。 The Mach-Zehnder interferometer according to claim 1,
The Mach-Zehnder interferometer, wherein the two waveguides are close to each other at a portion where the half-wave plate is provided.
前記2本の導波路は、前記半波長板が設けられた部分で2000μm以下に近接したことを特徴とするマッハツェンダ干渉計。 The Mach-Zehnder interferometer according to claim 1 or 2,
The Mach-Zehnder interferometer, wherein the two waveguides are close to 2000 μm or less at a portion where the half-wave plate is provided.
前記結合器は、多モード干渉計であることを特徴とするマッハツェンダ干渉計。 In the Mach-Zehnder interferometer according to any one of claims 1 to 3 ,
The Mach-Zehnder interferometer , wherein the coupler is a multimode interferometer.
前記結合器は、方向性結合器であることを特徴とするマッハツェンダ干渉計。 In the Mach-Zehnder interferometer according to any one of claims 1 to 3 ,
The Mach-Zehnder interferometer , wherein the coupler is a directional coupler.
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