JP4545372B2

JP4545372B2 - 光回路

Info

Publication number: JP4545372B2
Application number: JP2002322734A
Authority: JP
Inventors: 正尋及川; 建山下; 浩一郎中村; チャンドラセカール・ロイシャドリ; ウラジミル・セリコフ
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: JP2003273390A; US6845186B2; US20030174926A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信用の光回路に関し、とくに波長多重光通信に使用する光回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信において、一本の光ファイバの伝送容量を拡大する方法として波長多重通信がある。これは、波長の異なる複数の搬送波をそれぞれ異なる信号で２値変調し、これを一本の光ファイバに多重化して伝送し、受信側でこの信号を波長ごとに分波し、それぞれの信号を取り出す方式である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
実際に光ファイバ通信に通常使用される１５５０ｎｍ帯の波長域では、周波数間隔１００〜５０ＧＨｚの搬送波を用いる波長帯域が規格化されている。周波数間隔Δν＝５０ＧＨｚは波長間隔約０．４ｎｍに相当し、少なくとも分解能Ｒ＝３８７（レイリー限界）をもつ波長分波手段が必要となる。このような合分波器としては、回折格子、ダイクロイックビームスプリッタ、アレイ導波路回折格子、縦続ファブリペロー・エタロンなど、標準的なデバイスが製品化されている。
【非特許文献１】
イヴァン・ピー・カミノウ（IVAN P.KAMINOW）、トーマス・エル・コッホ(THOMAS L.KOCH)編、「オプティカル・ファイバー・コミュニケーションズ IIIA (OPTICAL FIBER TELECOMMUNIVATIONS IIIA)」、(米国)、１９９７年、アカデミック・プレス(ACADEMIC PRESS)、第１５章、図１５−１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、変調速度も伝送容量を増大するために高速化している。しかし、時間領域で搬送波を高速変調することにより、搬送波の周波数領域でのスペクトルの広がりが生じる。このため、周波数間隔が小さく、波長が近接する搬送波のチャンネル間でクロストークが生じやすくなる。したがってＷＤＭにおいては、チャンネル密度の増大（すなわち、チャンネル間隔の近接化）とチャンネル当たりのデータ伝送速度の増大（すなわち、信号の短パルス化）とを両立させることには限界があった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するため、周波数間隔が小さく、かつ高速変調を行う波長多重光通信においても、クロストークの発生が少ない光分波、検出が可能な光回路を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光回路は、第２高調波発生素子と、光分波機能を有する光放射手段を具備した光導波路と、受光素子と、を順に光が伝搬結合するように同一基板上に形成した基本単位からなり、波長多重光通信における特定の光を波長変換して他の光と光分波し、検出するための光回路であって、
前記基板がＳｉ基板であり、
前記光導波路がＳｉＯ _２を主成分とする材料からなり、
前記光分波機能を有する光放射手段が回折格子であり、かつ、該回折格子が前記光導波路の表面に形成されており、
前記受光素子が前記Ｓｉ基板上に形成したｐｎ接合からなり、
前記第２高調波発生素子が、下記（１）式で定義される周期Λの屈折率変化を前記光導波路に導入した擬似位相整合素子からなる。
Λ＝（λ／２）／（Ｎ（２ν）−Ｎ（ν））・・・（１）
（ここで、λ＝ｃ／ν（ｃは光速）、Ｎ（ν）は周波数νの光に対する実効屈折率、Ｎ（２ν）は周波数２νの光に対する実効屈折率）
【０００７】
この光回路により、入射された波長多重光は第２高調波発生素子により、特定の周波数の光のみが２倍の周波数に変換される。この周波数変換された光信号は光放射手段によって光導波路から放射され、受光素子によって電気信号に変換される。複数の波長多重光を処理するためには上記光回路を基本単位とし、これを直列に接続し、その後上記の基本単位の光回路によって処理する。
【０００８】
この光回路の基板はＳｉであり、光導波路はＳｉＯ_２を主成分とする材料からなる。また、第２高調波発生素子には、周期的屈折率変化構造を導入したＳｉＯ_２を主成分とする光導波路をＳｉ基板上に形成して用いる。尚、本発明において、「主成分」とは当該材料が最も含有率が高いことを意味する。
【０００９】
受光素子はＳｉ基板上に形成したｐｎ接合を有するものであり、光導波路からの光放射手段は、光導波路表面に形成した回折格子である。
【００１０】
以上の光回路は、第２高調波発生素子を備えているため、光通信分野で使用される１５５０ｎｍ帯の波長の光を７８０ｎｍ帯の波長域に変換する。このため受光素子として汎用のＳｉ系素子が使用できるようになる。さらに光回路全体を、Ｓｉを基板として構成できるため、製造が容易で、かつＳｉ系の電子回路との集積化が容易となる。すなわち、波長多重通信における波長分波、光検出から電気信号の処理までを一基板上に集積化したチップ上で行えるという大きな特徴を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１２】
先ず、本発明の光回路が適用される光通信システムの基本構成を図１に示す。以下、光通信システムの基本構成を説明するために最低限必要な、２つの周波数の搬送波をもつ２チャンネルのシステムについて述べるが、本発明の光回路は本来、周波数の近接した多数のチャンネルを備えた光通信システムに対して効果を奏する。チャンネル数の多い実際のシステムにおけるより具体的な構成については後述する。
【００１３】
図１に示すように、送信局側において、光源は、互いに異なる２つの周波数ν1、ν2の光源１−１、１−２で構成されている。これらの光源の発する搬送波の周波数領域でのスペクトルを図２(a)に示す。これらの搬送波に対し、光変調器２−１、２−２により、それぞれパルス時系列Ｘ1、Ｘ2で２値振幅変調を行う。このパルス時系列の変調速度をＢビット/秒とすると、変調後の搬送波の周波数領域でのスペクトルは、図２(b)に示すようにＢ（Ｈｚ）程度に広がる。したがって、周波数間隔ΔνがＢ（Ｈｚ）より小さい場合は隣接チャンネル間でクロストークが発生しやすくなる。
【００１４】
変調された搬送波は、送信局側で波長合波器３により合波されて波長多重光ｘとなり、光ファイバ４に入力され伝送される。この波長多重光ｘは途中長距離伝送による減衰を補償するため、また次に述べる第２高調波の発生を高効率で行うために、光ファイバ増幅器５により適宜増幅される。
【００１５】
受信局側で、波長多重光ｘは、光ファイバ増幅器６で適宜増幅され、第２高調波発生器(Second Harmonic Generator(SHG)：以下ＳＨＧ素子という)７−１に入射する。ＳＨＧ素子７−１は一方の搬送波の波長に位相整合されており、例えばν１の周波数成分が２倍の周波数に変換され、２ν１となる（波長は１／２になる）。次いで、周波数変換された搬送波と未変換の搬送波は、波長分波器８により分離され、周波数変換された搬送波を変調している光信号が光検出器９−１により電気信号（Ｘ1）に変換、復調される。一方、周波数変換されなかった周波数ν２の搬送波は、この搬送波の周波数ν２に位相整合されたＳＨＧ素子７−２に入射し、２ν２の周波数に変換された後、光検出器９−２によってその光信号が電気信号に変換される。周波数ν２の搬送波をそのまま光検出器９−２に入射させてもよいが、後述の理由で周波数変換するのが望ましい。
【００１６】
図３に示すように、周波数変換後の２つの搬送波の周波数間隔は変換前の２倍（２Δν）になるため、２つのチャンネル間でのクロストーク発生を抑えることができる。さらに、周波数変換前のチャンネル間の周波数間隔Δν（＝ν２−ν１）が非常に狭い場合、周波数変換された搬送波と未変換の搬送波との周波数間隔はおよそν１となり、Δνに比べて非常に広くなっているので、波長分波器８に要求される分解能は著しく緩和されるという効果がある。
【００１７】
以上のような本発明の基本構成に基づき、光通信システムの具体的実施例を説明する。
【００１８】
図４に示すように、光源として、周波数ν1 (193400ＧＨｚ、波長：λ1＝1550.12ｎｍ)、周波数ν2 (193450ＧＨｚ、波長：λ2＝1549.72ｎｍ)、周波数ν3（193500ＧＨｚ、波長：λ3＝1549.32ｎｍ）の各半導体レーザ１１−１、１１−２、１１−３を用いる。周波数間隔Δνは５０ＧＨｚ、波長間隔Δλは約０．４ｎｍである。以下、簡単のため、３チャンネル分の数値だけを例示するが、実際には図示のように必要チャンネル数（ｎ）だけ５０ＧＨｚ間隔の光源を用いる。光源の半導体レーザとしては波長安定化した分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ等が好適である。
【００１９】
これらの搬送波は、ＬｉＮｂＯ₃等を用いた光変調器１２−１、１２−２、１２−３、…、１２−ｎにより、それぞれ変調速度１０Ｇｂｐｓのパルス時系列Ｘ1、Ｘ2、Ｘ3、…、Ｘｎで２値振幅変調される。これにより、図５（ａ）に示すように、各スペクトルの広がりは１０ＧＨｚ程度となる。
【００２０】
次いで、変調された各搬送波は波長合波器１３により合波されて波長多重光ｘとなり、光ファイバ１４に入力され伝送される。波長多重光ｘは伝送による減衰を考慮してエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１５により適宜増幅しておく。本実施例では、さらに目的とする距離の伝送を行った後、ＥＤＦＡ１６を用いて、約１００ｍＷの強度となるように増幅した。
【００２１】
次いで、この波長多重光ｘはＳＨＧ素子１７−１に入力される。このＳＨＧ素子１７−１は周波数ν１を中心とする極めて狭い帯域にのみ位相整合しているため、周波数ν1だけが２倍の周波数２ν１に変換される。波長はλ1／２＝775.06ｎｍとなる。一方、ＳＨＧ素子１７−１はν2〜νnの周波数には位相整合しないため、周波数ν1の搬送波以外の搬送波は周波数変換されない。尚、他のＳＨＧ素子１７−２、・・・、１７−ｎは、ＳＨＧ素子１７−２が周波数ν2に、以下同様にＳＨＧ素子１７−ｎが周波数νnにそれぞれ位相整合されている。
【００２２】
次いで、周波数２ν1に変調された搬送波は波長分波器１８−１により、周波数変換されていない残りの波長多重光と分離される。分離された変調光信号は受光素子１９−１により電気信号に変換される。２ν1とν2の周波数間隔は193350ＧＨｚで元のν1とν2の周波数間隔５０ＧＨｚに比して非常に大きいため、波長分波器１８−１の要求性能は大幅に緩和され、波長分解能の比較的小さい分波器でも使用できる。また、周波数変換後の波長域が７８０ｎｍ程度となるので、光検出器１９−１としては、Ｓｉを用いた汎用の受光素子が使用できる。
【００２３】
次いで、周波数ν2の搬送波がＳＨＧ素子１７−２によって周波数変換され、波長分波器１８−２によって分離され、受光素子１９−２により電気信号に変換される。その他の周波数ν3〜νn-1の搬送波ｙは、同様に、それぞれＳＨＧ素子１７−３〜１７−(ｎ-1)によって周波数変換され、波長分波器１８−３〜１８−（ｎ−１）によって分離され、受光素子１９−２〜１９−（ｎ−１）によって電気信号に変換される。最後に周波数νnの搬送波がＳＨＧ素子１７−ｎに入射し、２νnの周波数に変換された後、光検出器１９−ｎによってその光信号が電気信号に変換される。最後の周波数νnの搬送波は、そのまま光検出器１９−ｎに入射させて電気信号に変換してもよいが、光検出器１９−ｎに他と共通なＳｉ受光素子を使用することがシステム設計上望ましいため、他と同様にして変換した。
【００２４】
このような光通信システムにおいては、各ＳＨＧ素子により、各チャンネルの周波数のみが変換されるため、チャンネル間のクロストーク発生はほぼ完全に防止できる。また未変換のチャンネルの波長とは波長差が大きいので、容易に分離ができる。さらに１５５０ｎｍ帯の波長が７８０ｎｍ帯に変換されるので、光検出器として汎用のＳｉ系受光素子が使用できる。
【００２５】
本発明はこの点に着目し、図４の破線で囲まれた範囲を光回路としてＳｉ基板上に集積することを特徴とする。この場合、点線で区切られた範囲が本光回路の基本単位５０となり、搬送波の数によってこの基本単位５０を複数５０−１、５０−２、…、５０−ｎのように縦続するかまたは並列に設ける。
【００２６】
図５は光回路の基本単位５０を縦続し、Ｓｉ基板上に集積化した光回路１００の光の伝搬方向に沿った断面図を示している。ただし、入射光ファイバ１４から出射する波長多重光を、導波路端面に結合し、入射するための集光光学系８０は本発明の光回路には含まれない。
【００２７】
この光回路１００の基本単位５０をその製造手順に沿って説明する。図６は図５のＡ−Ａ’、図７はＢ−Ｂ’の各位置における光回路の断面構造図である。
【００２８】
初めに、Ｓｉ基板３０上の予め定めた位置に受光素子２９となるｐｎ接合３２を形成する。不純物の拡散によるか、またはイオン注入法による。
【００２９】
次いで、ＳｉＯ₂を主成分とする光導波路４０を形成する。光導波路４０の形成に際し、初めにＳｉ基板３０の表面に化学気相成長法等によりＳｉＯ₂層を厚さ１０μｍ程度形成する。このＳｉＯ₂層には、屈折率の調整のためにＢ₂Ｏ₃などを添加してもよい。この層は光導波路４０の下側クラッド層３４となる。次に、下側クラッド層３４の表面に、ＧｅＯ₂を約１０％添加したＳｉＯ₂層を厚さ６μｍ形成する。この層は下側クラッド層３４より屈折率が高く、光導波路４０のコア層３６となるが、さらにＳｎＯ₂等を添加することが、後続の光誘起屈折率変化を生じさせるために望ましいことが、国際特許公開公報ＷＯ９６／３４３０４号等に開示されている。
【００３０】
チャンネル導波路を形成するため、このＧｅ添加ＳｉＯ₂層をフォトリソグラフィー法によりパターニングする。すなわち、幅６μｍのストライプ状にＧｅ添加ＳｉＯ₂層を残して、他の部分をエッチングにより除去する。エッチングにはフッ酸系エッチング液を用いた液相エッチング法、もしくは反応性イオンエッチングなどの気相エッチング法を用いる。他の部分のＧｅ添加ＳｉＯ₂層が完全に除去されたところでエッチングを停止し、コア層３６が形成される。
【００３１】
次いで、コア層３６の予め定めたＳＨＧ素子２７となる部分にＰをイオン注入する。
【００３２】
次いで、下側クラッド層３４及びコア層３６の全体を下側クラッド層３４と同一材料で覆い、上側クラッド層３８を形成する。また、図７に示すように、Ｓｉ基板上のｐｎ接合３２に受光素子２９の電極を設けるため、該当する部分の下側クラッド層３４及び上側クラッド層３８にｐｎ接合３２に達する貫通孔を形成し、この貫通孔を金属で充填してｐｎ接合３２上に金属電極４２を形成する。この金属電極４２の形成には、蒸着法等を用いることができる。
【００３３】
ＳＨＧ素子２７は、光導波路４０のコア層３６内に光の伝搬方向に沿って屈折率が所定の周期で変化した構造を導入することにより実現される。この光の伝搬方向に対して周期的に屈折率が変化した構造を導入する方法として、ＫｒＦエキシマレーザによる紫外光を後述の所定の周期をもつ位相マスクを介して照射する方法を用いる。前述のコア層３６のＰをドープした領域にこの光照射を行うことにより周期構造が形成され、後述のように周期の設定により特定の周波数の搬送波のみが２倍の周波数に変換される。
【００３４】
また、このＳＨＧ素子２７に接続する部分に、変換された周波数の搬送波を回折し光導波路４０の外へ放出するような回折格子２８、例えばブラッグ回折格子を設ける。この回折格子２８の位置は、その直下に形成されているｐｎ接合３２に合わせる。この回折格子２８の周期は上記のＳＨＧ素子２７と同様に光誘起屈折率変化を利用して屈折率の周期構造を作製してもよい。この場合、上側クラッド層３８を形成した後に光照射によって形成できる。
【００３５】
ただしこの回折格子２８は７８０ｎｍ帯の波長の光を回折させるため、上記のＳＨＧ素子２７の構造周期より短く、これに対応した位相マスクを準備しにくい場合がある。このような場合は、Ｈｅ−Ｃｄレーザ等を光源とする２光束干渉露光法によって、いわゆるレリーフ型の回折格子をコア層３６の表面に形成してもよい。この方法の場合は上側クラッド層３８を形成する前に加工を行う必要がある。加工方法としては、光導波路４０のコア層３６の表面にフォトレジストを塗布し、干渉縞周期が所定値となるように干渉露光を行い、感光したフォトレジストを現像して周期構造のマスクを作製した後、エッチングによりコア層３６の表面に周期的な凹凸構造を設ける。
【００３６】
この回折格子２８は、特定の波長の光を反射する分波素子としての機能と、反射した光を導波路外に放出する手段としての機能を合わせ持つ。
【００３７】
なお、導波路の伝搬損失を補償するため、図４の光増幅器１６−１、１６−２、…、１６−ｎに対応して、上記基本単位５０の入力光導波路２０に光増幅機能を付与するのが望ましい。これはエルビウムなどをコア層３６に予め添加することにより実現できる。
【００３８】
以上が本発明の光回路１００の基本単位５０である。
【００３９】
この基本単位５０と同じ光回路を繰り返してν2、ν3…と順に波長変換、光検出を行えるように複数の基本単位５０を縦続する。すなわち、図４に示すように、光を端面に結合する入射導波路２０−１、２０−２、…に続いて、ＳＨＧ素子２７−１，２７−２…、回折格子２８−１，２８−２…、受光素子２９−１、２９−２、…をＳｉ基板３０上に形成した光回路の基本単位５０−１，５０−２，…を必要数、縦続して形成する。その際、全ての光回路を同一基板上に形成してもよいが、適当数の基本単位５０を同一基板上に形成しておき、必要に応じてこれを互いに結合させてもよい。これにより図４の破線で囲われた部分を集積した光回路１００が形成できる。
【００４１】
本発明による上記システムを構成するには、各搬送波の周波数に対してだけ位相整合するように調整されたＳＨＧ素子が必要となる。ＳＨＧ素子としては、ＳｉＯ₂の光導波路に周期的な屈折率変化を導入した疑似位相整合（Quasi-Phase Matching、ＱＰＭ）素子を用いることができる。ＧｅＯ₂を含有したＳｉＯ₂にＰをドープしたコアを有する光ファイバにおけるＱＰＭの条件についてはJ.Modern Optics, 37巻、3号、p.327、(1990)などに開示されている。同様なコア層を有する導波路においてもこのＱＰＭ素子は形成できる。本発明では、コア層３６のＰを添加した部分（長さＬ）に、以下に示す所定の周期の屈折率変化を形成する。
【００４２】
周波数ν1を２倍に変換する場合には、周期Λ１はつぎのように決定される。周波数ν1、および２ν1の光に対する導波路の伝搬定数をβ₁(ν)、β₁(2ν)とすると、位相整合条件は、
２β₁(ν)＋Ｋ₁＝β₁(2ν)
となる。ここで、Ｋ₁＝２π／Λ１である。伝搬定数を実効屈折率Ｎ₁(ν)、Ｎ₁(2ν)を使って書き表せば、上式は、
Λ１＝（λ1／２）／（Ｎ₁(2ν)−Ｎ₁(ν)）
となる。ただしλ1はν1に対応する波長である（λ1＝ｃ／ν1、ｃは光速）。
【００４３】
周波数ν2（波長λ2）の隣接チャンネルでも同様な関係が成り立ち、分極反転の周期Λ２が決定される。いま、両チャンネルの波長間隔をΔλ（＝λ2−λ1）、実効屈折率の変化分をそれぞれΔＮ₁₂(ν)，ΔＮ₁₂(2ν)とすると上式は、
Λ２＝〔（λ１＋Δλ）／２〕／〔（Ｎ₁(2ν)−Ｎ₁(ν)）＋（ΔＮ₁₂(2ν)−ΔＮ₁₂(ν)）〕
となる。コア層の屈折率は波長分散があるため、１５５０ｎｍと７８０ｎｍの波長帯では屈折率の絶対値も異なるが、波長に対する変化率も異なる。Δλ（＝０．４ｎｍ）はλ１（＝１５５０ｎｍ）に比して無視できるほど小さいが、（ΔＮ₁₂(2ν)−ΔＮ₁₂(ν)）は（Ｎ₁(2ν)−Ｎ₁(ν)）に比して無視できない。すなわち、Δλ程度の波長変化に対してもΛ１≠Λ２である。
【００４４】
したがって周波数ν１のチャンネル用に設計されたＳＨＧ素子は隣接チャンネルの周波数に対しては第２高調波の発生効率が極めて低くなる。ＳＨＧ出力が最大値の１／２になる波長幅は周期構造領域の長さＬに依存するが、この長さＬが５ｃｍ程度であれば、波長幅は０．２ｎｍ以下となり、チャンネル間隔０．４ｎｍの場合には充分使用できる。周波数ν１〜νｎに対して構造周期Λ１〜ΛｎのＱＰＭ素子を用意すれば図１のような光通信システムを構成することができる。
【００４５】
ＱＰＭ素子としては従来、ＬｉＮｂＯ₃等の結晶基板に形成した光導波路中に一定周期のドメイン反転構造を導入したものが知られている。あるいは有機材料に周期構造を導入することによっても形成できる。この場合は、ＳｉＯ₂導波路の一部を取り除き、そこにこのようなＱＰＭ素子を挿入、固定することによって同様な機能を有する光回路が構成できる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は、波長多重光を構成する個々の搬送波の波長に位相整合した第２高調波発生素子を用い、波長変換された光信号を受光素子により電気信号に変換するため、同一基板上に第２高調波発生素子と受光素子とを集積した光回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光回路が適用される光通信システムの基本構成を示す概略図である。
【図２】２つの搬送波（ａ）およびその変調された搬送波（ｂ）の周波数スペクトルを示す図である。
【図３】波長変換前後の２つの変調された搬送波の周波数スペクトルを示す図である。
【図４】本発明の光回路を光通信システムに適用した実施例を示す概略図である。
【図５】基板上に集積された光回路とその基本単位の断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ´位置における断面図である。
【図７】図５のＢ−Ｂ´位置における断面図である。

Claims

第２高調波発生素子と、光分波機能を有する光放射手段を具備した光導波路と、受光素子と、を順に光が伝搬結合するように同一基板上に形成した基本単位からなり、波長多重光通信における特定の光を波長変換して他の光と光分波し、検出するための光回路であって、
前記基板がＳｉ基板であり、
前記光導波路がＳｉＯ _２を主成分とする材料からなり、
前記光分波機能を有する光放射手段が回折格子であり、かつ、該回折格子が前記光導波路の表面に形成されており、
前記受光素子が前記Ｓｉ基板上に形成したｐｎ接合からなり、
前記第２高調波発生素子が、下記（１）式で定義される周期Λの屈折率変化を前記光導波路に導入した擬似位相整合素子からなることを特徴とする光回路。
Λ＝（λ／２）／（Ｎ（２ν）−Ｎ（ν））・・・（１）
（ここで、λ＝ｃ／ν（ｃは光速）、Ｎ（ν）は周波数νの光に対する実効屈折率、Ｎ（２ν）は周波数２νの光に対する実効屈折率）
請求項１に記載の基本単位を複数互いに直列接続したことを特徴とする光回路。