JP5811273B2 - 光素子、光送信素子、光受信素子、ハイブリッドレーザ、光送信装置 - Google Patents
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Description
例えば、高性能サーバ、スーパーコンピュータ、パソコン等の情報処理機器の高性能化によって今後予想されるチップ間及びボード間の通信容量不足を解決すべく、低損失かつ小型なシリコン細線導波路をベースとした大規模なシリコン光通信素子の実現が期待されている。
この場合、シリコン導波路コアの幅を周期的に変化させて、シリコン導波路コアの側面から突出する部分によって回折格子を形成することが考えられる。
そこで、シリコン導波路コアを備える光素子、光送信素子、光受信素子、ハイブリッドレーザ、光送信装置において、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子を歩留まり良く実現できるようにしたい。
本光送信素子は、上記光素子を複数備え、複数の光素子のそれぞれに1つずつ接続された複数のリング光変調器と、複数のリング光変調器のそれぞれに接続された光合波器と、光合波器に接続された出力導波路とを備えることを要件とする。
[第1実施形態]
まず、第1実施形態にかかる光素子について、図1〜図8(C)を参照しながら説明する。
本光素子は、図1に示すように、シリコン導波路コア1と、誘電体導波路コア2と、分布ブラッグ反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)を構成する回折格子3とを備える。このような光素子4を反射型光フィルタ素子ともいう。つまり、シリコン導波路コア1を備える光素子4に、シリコン導波路コア1とは材料が異なる誘電体導波路コア2を設けて、これらの異なる材料からなる2つの導波路コア1、2によって光導波路を構成している。なお、シリコン導波路コア1を、シリコン細線導波路コア又は入力導波路コアともいう。
ここでは、シリコン導波路コア1と、これを覆う誘電体導波路コア2とによって、導波路が構成される。これをシリコン導波路、シリコン細線導波路又は入力導波路という。なお、シリコン導波路コア1のテーパ部1X以外の部分を誘電体導波路コア2によって覆わない場合には、シリコン導波路コア1と、その周囲の空気又はクラッド層とによって、導波路が構成される。
なお、ここでは、テーパ部1Xを、幅テーパ型のシリコン導波路コアとしているが、これに限られるものではなく、シリコン導波路コア1の厚さが徐々に薄くなる厚さテーパ型のシリコン導波路コアとしても良い。
そして、誘電体導波路コア2は、シリコン導波路コア1の全体を覆ってシリコン導波路コア1に連なるように設けられている。つまり、誘電体導波路コア2は、シリコン導波路コア1のテーパ部1Xが設けられている側の反対側の端部(入力側の端部)からシリコン導波路コア1が設けられていない領域、即ち、回折格子3が設けられている領域まで延びている。そして、回折格子3が設けられている領域のシリコン導波路コア1が設けられている側の反対側で終端されている。この誘電体導波路コア2が延びる方向、即ち、誘電体導波路コア2の長手方向と、シリコン導波路コア1が延びる方向、即ち、シリコン導波路コア1の長手方向とは一致している。つまり、誘電体導波路の光伝搬方向と、シリコン導波路の光伝搬方向とは一致している。ここでは、誘電体導波路コア2は、シリコン導波路コア1を内包している。
また、回折格子3は、誘電体導波路コア2によって構成される単一モード導波路に設けられている。この回折格子3は、シリコン導波路コア1を内包する誘電体導波路コア2の中のシリコン導波路コア1が存在しない領域に設けられている。つまり、回折格子3は、シリコン導波路コア1が存在せず、誘電体導波路コア2のみが存在する光導波路領域に設けられている。
そして、シリコン導波路内を伝搬してきた光は、シリコン導波路コアがテーパ形状になっている遷移領域9においてシリコン導波路から誘電体導波路コア2によって構成される誘電体導波路に高効率に遷移し、遷移領域9の終端ではほぼ全ての光パワーが誘電体導波路の導波モード(基本モード)に乗り移る。この現象は、例えば上述の非特許文献1で報告されているスポットサイズ変換器と同様の原理である。
なお、ここでは、シリコン導波路に基本導波モードの信号光を入力し、遷移領域9を経た後の光導波モード分布を、ビーム伝搬法を用いて計算した。また、光導波モード分布を光モード分布ともいう。また、ここでは、図3(A)に示すように、遷移領域9のシリコン導波路コア1のテーパ部1X及び誘電体導波路コア2を覆うようにクラッド層12を設けたものに基づいて計算を行なっているが、クラッド層12を設けていないものも同様の結果が得られる。また、ここでは、遷移領域9に備えられるシリコン導波路コア1のテーパ部1Xの全部を誘電体導波路コア2で覆っていないものに基づいて形成を行なっているが、テーパ部1Xの全部を誘電体導波路コア2で覆っている場合も同様の結果が得られる。なお、このように、遷移領域9のシリコン導波路コア1のテーパ部1Xの一部を誘電体導波路コア2で覆うようにしても良いし、全部を覆うようにしても良い。
なお、図4(A)は、回折格子3がない領域の光導波モード分布を示しており、図4(B)は、回折格子3がある領域の光導波モード分布を示している。ここでは、誘電体導波路コア2としてのSiON導波路コア(高さ約3μm、幅約3μm)及び回折格子3(Si層;高さ約250nm、幅約3μm)の周囲には十分に厚いクラッド層12(SiO2層)が設けられている。
一方、分布ブラッグ反射鏡で反射されない波長成分の光は、誘電体導波路内を直進し、誘電体導波路の終端(素子端部)にて外部へ放射されるため、シリコン導波路に再び混入することはない。
図6(A)に示すように、誘電体導波路コア2は、シリコン導波路コア1に比べて、クラッドとの屈折率差(屈折率コントラスト)が小さく、かつ、断面サイズが大きいため、標準的な導波路形成の加工精度である±0.1μmの導波路幅変化に対して、等価屈折率の変動は0.1%オーダと非常に小さい。
図6(B)に示すように、加工精度の範囲内である±0.1μmの導波路幅変化に対して、ブラッグ波長の変動量は約2nm程度となっており、十分に小さい。これは、後述するように、本光素子4をハイブリッドレーザなどの波長選択反射鏡として用いる場合に、リング共振器のピーク周期であるFSR(>10nm)に比べて十分に小さい。
上述の具体的な構造では、周期約520nm、結合係数約78cm−1の回折格子3を備える、長さ約500μmの分布ブラッグ反射鏡を用いることになる。この場合、図7に示すように、約3.5nmの反射波長帯域幅と、約90%以上の高い反射率が得られることが分かる。これは、後述のように、本光素子4をハイブリッドレーザなどの波長選択反射鏡として用いる場合にも、十分な特性である。
まず、SOI基板8上に、図示しないSiO2ハードマスク層を形成し、このハードマスク層に、例えばフォトリソグラフィや電子ビーム露光によって、テーパ部1Xを備えるシリコン導波路コア1及び回折格子3のパターンを形成する。
次いで、図8(B)に示すように、全面に例えばプラズマCVD法などによって、例えばSiONからなり、厚さ約3μmの誘電体層2Aを形成する。
したがって、本実施形態にかかる光素子によれば、シリコン導波路コア1を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子3を歩留まり良く実現できるという利点がある。
例えば、上述の実施形態では、回折格子3を、シリコン導波路コア1と同一面上に設けられ、誘電体導波路コア2の幅と同一の幅を有するシリコン膜を、周期的に設けることによって構成しているが、これに限られるものではない。
また、回折格子3、即ち、回折格子3を構成する膜を、誘電体導波路コア2の上面に設けるようにしても良い。
例えば、図11に示すように、回折格子3を、誘電体導波路コア2の側面から突出した部分によって構成しても良い。つまり、回折格子3を、誘電体導波路コア2の導波路幅を周期的に変調した、いわゆる側壁回折格子(誘電体側壁回折格子)としても良い。この場合、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子3の形成するために、他の材料からなる膜を形成する必要がなく、誘電体導波路コア2を形成するためのマスクパターンを変更するだけで、簡易に回折格子3を形成することが可能となる。
また、回折格子3は、その周期や構造をチャープさせたものであっても良く、これにより、分布ブラッグ反射鏡の反射スペクトル特性を変化させることが可能である。このように、分布ブラック反射鏡は、その周期又は結合係数が光伝搬方向に沿って変化する、チャープされた分布ブラッグ反射鏡であっても良い。なお、このため、回折格子3の「周期的」とは、一定周期のものだけでなく、周期が変化するものも含むものとする。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態にかかる光素子及びハイブリッドレーザについて、図14〜図17を参照しながら説明する。
ここで、利得媒質31は、発光と光増幅を行なうものであり、例えば半導体光増幅器(SOA)である。このSOA31は、上述の光素子40の入力導波路21に光学的に接続されている。つまり、SOA31は、例えば突合せ光結合やファイバ光結合によって、上述の光素子40に光結合されている。なお、利得媒質31を、発光素子ともいう。また、SOA31を、化合物半導体を用いた発光素子ともいう。
この反射鏡32は、上述の光素子40のシリコン導波路コア1、リング共振器フィルタ20、光カプラ23及びSOA31を挟んで、回折格子3によって構成される分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられており、レーザ共振器を構成する。つまり、回折格子3によって構成される分布ブラッグ反射鏡と反射鏡32とによってレーザ共振器が構成され、レーザ共振器の中に、シリコン導波路コア1、リング共振器フィルタ20、光カプラ23及びSOA31が設けられている。
例えば、波長選択反射鏡として、図16に示すように、シリコン導波路コア1の幅を周期的に変化させて、シリコン導波路コア1の側面から突出する部分によって回折格子300を形成することによって構成される分布ブラッグ反射鏡を用いることが考えられる。なお、図16に示したものを、比較例のハイブリッドレーザという。
そして、回折格子の周期Λは、エッチングに使用するマスクの精度で決まるため、ウエハ上で非常に均一で再現性も良好であるが、導波路の等価屈折率neqはシリコン導波路コア1の幅や厚さで大きく変化する。
図17(C)に示すように、わずか15nm程度の導波路幅ズレによってリング共振器のピーク周期(FSR)と同程度のブラッグ波長シフトが生じてしまう。つまり、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長は、わずかに導波路幅がずれてしまうと分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長も大きく変化してしまうという、大きな導波路幅依存性を有する。
このように、波長選択反射鏡として、シリコン導波路コア1に設けられた側壁回折格子300によって構成される分布ブラッグ反射鏡を用いる場合、その反射中心波長が非常に強い導波路形状依存性を持つ。このため、現状のプロセス精度において安定して設計通りのブラッグ波長を得ることが困難であり、ハイブリッドレーザへの適用時にはレーザ特性の大幅な劣化を生じさせることになる。
したがって、本実施形態にかかるハイブリッドレーザによれば、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図9〜図12)を備えるため、上述の第1実施形態の場合と同様に、シリコン導波路コア1を備えるものにおいて、設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子3を歩留まり良く実現できるという利点がある。このため、現状のプロセス精度において安定して設計通りのブラッグ波長を有する分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子3を形成することが可能となり、ハイブリッドレーザ30のレーザ特性を向上させることが可能となる。
この場合、図18に示すように、光素子41は、上述の第1実施形態の変形例の光素子4(例えば図13)に、さらに、リング共振器フィルタ20と、入力導波路21と、出力導波路22とを備えた光集積素子とすれば良い。そして、上述の第1実施形態の変形例の光素子4(例えば図13)に備えられる分布ブラッグ反射鏡のピーク反射率を例えば約10〜約50%程度に設定しておけば良い。また、リング共振器フィルタ20の一方のバス導波路20Bを、上述の第1実施形態の変形例の光素子4(例えば図13)の一方の側のシリコン導波路コア1によって構成されるシリコン導波路に接続し、他方のバス導波路20Cを、入力導波路21に接続すれば良い。つまり、リング共振器フィルタ20の一方には、上述の第1実施形態の変形例の光素子4(例えば図13)を接続し、他方には、入力導波路21を接続すれば良い。また、上述の第1実施形態の変形例の光素子4(例えば図13)の他方の側のシリコン導波路コア1Aによって構成されるシリコン導波路に、出力導波路22を接続すれば良い。なお、この構成では、回折格子3によって構成される分布ブラッグ反射鏡が上述の実施形態の光カプラ23としての機能も有するため、リング共振器フィルタ20とSOA31との間に光カプラ23を設けなくても良くなる。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態にかかる光送信素子、光受信素子及び光送信装置について、図19を参照しながら説明する。
ここで、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図5、図9〜図12)は、リング共振器フィルタ20の周期的な透過ピーク波長の中の1つを選択するために用いられる。このため、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図5、図9〜図12)を波長選択反射鏡ともいう。また、この波長選択反射鏡4と、リング共振器フィルタ20とを合わせて、波長選択機構又は波長フィルタともいう。本実施形態では、各光素子4に備えられる回折格子3は、互いに周期(ピッチ)Λ1〜Λ4が異なり、分布ブラッグ反射鏡のブラッグ波長が異なるものとなっている。
複数の光カプラ23は、複数のリング共振器フィルタ20のそれぞれに1つずつ接続されている。各光カプラ23は、一方の側の1つのポートに入力導波路21が接続されており、他方の側の2つのポートの一方にリング共振器フィルタ20の他方のバス導波路20Cが接続されており、他方の側の2つのポートの他方にリング光変調器51が接続されている。つまり、入力導波路21は、光カプラ23及びリング共振器フィルタ20を介して、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図5、図9〜図12)に接続されている。また、入力導波路21は、光カプラ23を介して、リング光変調器51に接続されている。ここでは、光カプラ23は、例えば方向性結合器や多モード干渉カプラである。なお、光カプラ23を、出力光カプラともいう。
光合波器52は、複数のリング光変調器51のそれぞれに接続されており、各信号光を合波するものである。例えば、光合波器52は、アレー導波路回折格子(AWG)型合波器、非対称マッハツェンダ干渉計型合波器、リング型合波器、エチェル回折格子型合波器などである。
なお、これらのリング共振器フィルタ20、入力導波路21、出力導波路53、光カプラ23、リング光変調器51、光合波器52は、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図5、図9〜図12)と同様に、SOI基板8に備えられるSOI層7をエッチングすることによってBOX層6上に形成すれば良い。つまり、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図5、図9〜図12)、リング共振器フィルタ20、入力導波路21、出力導波路53、光カプラ23、リング光変調器51、光合波器52は、同一のシリコン基板5上に形成されている。このため、光送信素子50を、シリコン素子、シリコン光送信素子、シリコン光通信素子、シリコン光集積素子、WDMシリコン光送信素子、WDMシリコン光通信素子、又は、WDMシリコン光集積素子ともいう。また、リング共振器フィルタ20を、シリコンリング共振器フィルタともいう。また、入力導波路21を、シリコン入力導波路ともいう。また、出力導波路53を、シリコン出力導波路ともいう。また、光カプラ23を、シリコン光カプラともいう。また、リング光変調器51を、シリコンリング光変調器ともいう。また、光合波器52を、シリコン光合波器ともいう。
ここで、利得媒質アレイ55は、上述の光送信素子50に光結合され、複数の利得媒質31を備える。ここで、各利得媒質58は、発光と光増幅を行なうものであり、例えば半導体光増幅器(SOA)である。このため、利得媒質アレイ55は、SOAアレイともいう。ここでは、SOAアレイ55は、4つのSOA58が集積された4chSOAアレイである。つまり、SOAアレイ55は、4つの導波路を備え、各導波路のそれぞれにSOA58を備える4chSOAアレイである。各SOA58は、上述の光送信素子50の各入力導波路21に光学的に接続されている。つまり、SOAアレイ55は、例えば突合せ光結合やファイバ光結合によって、上述の光送信素子50に光結合されている。なお、利得媒質58を、発光素子ともいう。また、SOA58を、化合物半導体を用いた発光素子ともいう。また、SOAアレイ55を、発光素子アレイともいう。
この反射鏡56は、SOAアレイ55を挟んで上述の光送信素子50に備えられる複数の分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられており、レーザ共振器を構成する。つまり、反射鏡56は、上述の光送信素子50のシリコン導波路コア1、リング共振器フィルタ20、光カプラ23及びSOA58を挟んで、回折格子3によって構成される分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられており、レーザ共振器を構成する。このように、回折格子3によって構成される分布ブラッグ反射鏡と反射鏡56とによってレーザ共振器が構成され、レーザ共振器の中に、シリコン導波路コア1、リング共振器フィルタ20、光カプラ23及びSOA58が設けられている。
例えば、図20に示すように、光送信素子60を、上述の第1実施形態及び変形例の光素子4(例えば図1、図5、図9〜図12)を、波長選択反射鏡として、複数備え、さらに、複数の光素子4のそれぞれに1つずつ接続された複数のリング光変調器51と、複数のリング光変調器51のそれぞれに接続された光合波器52と、光合波器52に接続された出力導波路53とを備えるものとして構成しても良い。つまり、上述の実施形態の光送信素子50を構成する複数の入力導波路21、複数の光カプラ23及び複数のリング共振器フィルタ20を設けないで、光送信素子を構成することもできる。
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。例えば、光送信素子、光受信素子、光送信装置の構成は、上述の実施形態及び変形例のものに限られるものではなく、上述の第1実施形態及び変形例の光素子を適用しうるものであれば良い。
1A 他のシリコン導波路コア
1X、1XA テーパ部
2 誘電体導波路コア
2A 誘電体層
2X テーパ部
2Y 斜め端面
3 回折格子(分布ブラッグ反射鏡)
4 光素子
5 Si基板
6 BOX層(SiO2層)
7 SOI層(Si層)
8 SOI基板
9、9A 遷移領域
10、10A 接続領域
11 分布ブラッグ反射鏡領域
12 クラッド層
20 リング共振器フィルタ
20A リング導波路
20B、20C バス導波路
21 入力導波路
22 出力導波路
23 光カプラ
30 ハイブリッドレーザ
31 利得媒質(SOA)
32 反射鏡(高反射膜)
33 無反射膜
40、41 光素子
42 ハイブリッドレーザ
50 光送信素子
51 リング光変調器
52 光合波器
53 出力導波路
54 光送信装置
55 利得媒質アレイ(SOAアレイ)
56 反射鏡(高反射膜)
57 無反射膜
58 利得媒質(SOA)
60 光送信素子
61 光送信装置
62 光伝送路(光ファイバ)
70 光受信素子
71、72 光カプラ
73、74 アーム
75 マッハツェンダ干渉計
76 第1光検出器
77 光分波器
78 第2光検出器
79 入力導波路
80 光通信システム
81 波長分離器
300シリコン側壁回折格子
Claims (13)
- 終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備えるシリコン導波路コアと、
少なくとも前記テーパ部を覆って前記シリコン導波路コアに連なり、前記シリコン導波路コアよりも小さい屈折率を有し、単一モード導波路を構成する誘電体導波路コアと、
前記単一モード導波路に設けられ、分布ブラッグ反射鏡を構成する回折格子とを備えることを特徴とする光素子。 - 前記テーパ部を備える遷移領域と、前記回折格子を備える分布ブラッグ反射鏡領域と、前記遷移領域と前記分布ブラッグ反射鏡領域とを接続する接続領域とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の光素子。
- 前記回折格子は、前記誘電体導波路コアと屈折率が異なり、かつ、周期的に設けられた膜によって構成されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の光素子。
- 前記回折格子は、前記誘電体導波路コアの断面サイズを周期的に変化させることによって構成されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の光素子。
- 前記誘電体導波路コアを覆うように、前記誘電体導波路コアよりも小さい屈折率を有するクラッド層を備えることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光素子。
- 終端部へ向けて断面サイズが小さくなるテーパ部を備える他のシリコン導波路コアを備え、
前記他のシリコン導波路コアの前記終端部が前記回折格子側になるように、前記他のシリコン導波路コアが、前記回折格子を挟んで前記シリコン導波路コアの反対側に設けられており、
前記誘電体導波路コアが、前記他のシリコン導波路コアの少なくとも前記テーパ部を覆っていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光素子。 - 前記シリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路に接続されたリング共振器フィルタを備えることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の光素子。
- 請求項7に記載された光素子と、
前記光素子に光結合された利得媒質と、
前記シリコン導波路、前記リング共振器フィルタ及び前記利得媒質を挟んで前記分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載された光素子と、
前記光素子に光結合された利得媒質と、
前記利得媒質を挟んで前記分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とするハイブリッドレーザ。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光素子を複数備え、
前記複数の光素子のそれぞれに1つずつ接続された複数のリング光変調器と、
前記複数のリング光変調器のそれぞれに接続された光合波器と、
前記光合波器に接続された出力導波路とを備えることを特徴とする光送信素子。 - 前記複数の光素子のそれぞれに備えられる前記シリコン導波路コアによって構成されるシリコン導波路のそれぞれに1つずつ接続された複数のリング共振器フィルタと、
前記複数のリング共振器フィルタのそれぞれに1つずつ接続された複数の光カプラとを備え、
前記複数のリング光変調器は、前記複数の光カプラのそれぞれに1つずつ接続されていることを特徴とする、請求項10に記載の光送信素子。 - 2つの光カプラの間に2つのアームを有するマッハツェンダ干渉計を備え、
前記2つのアームのそれぞれに、請求項6に記載の光素子を備え、
前記2つの光カプラの一方に接続された第1光検出器と、
前記2つの光カプラの他方に接続された光分波器と、
前記光分波器に接続された第2光検出器とを備えることを特徴とする光受信素子。 - 請求項10又は11に記載の光送信素子と、
前記光送信素子に光結合され、複数の利得媒質を備える利得媒質アレイと、
前記利得媒質アレイを挟んで前記光送信素子に備えられる前記複数の分布ブラッグ反射鏡の反対側に設けられ、レーザ共振器を構成する反射鏡とを備えることを特徴とする光送信装置。
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