JP6714381B2 - Optical waveguide device - Google Patents

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本発明は、光導波路型デバイスの基板に挿入された薄膜素子を持つ光回路およびそれを用いて実現する光デバイスに関する。 The present invention relates to an optical circuit having a thin film element inserted in a substrate of an optical waveguide type device and an optical device realized by using the optical circuit.

スマートフォン・携帯型タブレット端末などの爆発的普及や、映像配信サービスの開始を背景として、光ネットワークの伝送容量増大への要求が日増しに高まっている。光通信技術はこの要求に対応してさらに発展することが求められており、光通信システムで使用される部品の小型化、低コスト化を実現する技術が益々重要となっている。光通信システム用の部品を実現するのに重要な役割を果たしてきた技術として、導波路型デバイスが挙げられる。導波路型デバイスでは、光の干渉原理を応用することによって、光信号の分岐結合器、波長合分波器、インターリーブフィルタ、光スイッチ、可変光減衰器(VOA:Variable Optical Attenuator)などさまざまな基本的機能が実現されている。これらデバイスは導波路型の構造を持つことから、回路設計に柔軟性があり、大規模化かつ高集積化が容易であるという特徴を持つ。さらに、導波路型デバイスはLSIなどの半導体部品製造プロセスを流用して製造されるため、量産性に優れたデバイスとしても大きく期待されている。導波路部分の材料としては、半導体や高分子材料などさまざまなものが実用化されている。特に、シリコン基板上に作製された石英系光導波路は、低損失であって安定性および光ファイバとの整合性に優れるといった特徴を持っており、実用化が最も進んだ導波路型デバイスの一つである。 Due to the explosive spread of smartphones and portable tablet terminals and the start of video distribution services, demands for increasing the transmission capacity of optical networks are increasing day by day. Optical communication technology is required to further develop in response to this demand, and a technology for realizing miniaturization and cost reduction of components used in the optical communication system is becoming more and more important. Waveguide devices have been mentioned as a technology that has played an important role in realizing components for optical communication systems. In the waveguide type device, by applying the principle of optical interference, various basics such as optical signal branching/coupling device, wavelength multiplexer/demultiplexer, interleave filter, optical switch, variable optical attenuator (VOA) are available. Functions have been realized. Since these devices have a waveguide type structure, they are characterized in that they have flexibility in circuit design, and that they can be easily scaled up and highly integrated. Further, since the waveguide device is manufactured by diverting the manufacturing process of semiconductor parts such as LSI, it is highly expected as a device excellent in mass productivity. Various materials such as semiconductors and polymer materials have been put to practical use as materials for the waveguide portion. In particular, a silica-based optical waveguide fabricated on a silicon substrate has the characteristics of low loss, excellent stability, and excellent compatibility with optical fibers, and is one of the most practical waveguide type devices. Is one.

上述の光ネットワークの伝送容量増大の要求に応えるため、デジタルコヒーレント光伝送技術が普及してきている。導波路型デバイスを用いて構成される光通信用部品の中で、デジタルコヒーレント光伝送に用いられる光送受信器がとりわけ着目される。この光送受信器は、波長多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)された光信号において、1波長当たりの伝送レートが100Gb/sの高速動作を実現するに至っている。 In order to meet the above-mentioned demand for increasing the transmission capacity of optical networks, digital coherent optical transmission technology has become widespread. Among optical communication components that use a waveguide type device, an optical transmitter/receiver used for digital coherent optical transmission is particularly noted. This optical transmitter/receiver has achieved high-speed operation with a transmission rate per wavelength of 100 Gb/s in an optical signal subjected to wavelength division multiplexing (WDM).

デジタルコヒーレント光伝送技術において主に用いられる光信号変調方式は、位相変調である。具体的には、位相シフトキーイング(PSK:Phase Shift Keying)、または、強度変調と組み合わせられた位相変調方式である直角位相振幅変調(QAM:Quadrature Amplitude Modulation)方式が用いられている。さらにデジタルコヒーレント光伝送技術では、位相変調に加えて、位相変調された複数の光信号を直交する2つの光偏波によって多重化する偏波多重方式を組み合わせることによって、上述の高速の伝送レートを実現している。 The optical signal modulation method mainly used in the digital coherent optical transmission technology is phase modulation. Specifically, phase shift keying (PSK) or quadrature amplitude modulation (QAM), which is a phase modulation method combined with intensity modulation, is used. Furthermore, in the digital coherent optical transmission technology, in addition to phase modulation, by combining a polarization multiplexing system that multiplexes a plurality of phase-modulated optical signals with two orthogonal optical polarizations, the above-mentioned high transmission rate can be achieved. Has been realized.

デジタルコヒーレント光伝送システムにおける光受信器は、そのフロントエンドに光信号のままで信号処理を行う光干渉回路を備えている。光干渉回路から得られた干渉光を受光素子(PD:Photo Detector)によって検出して電気信号に変換し、受信信号が得られる。光干渉回路からの受信信号は、さらに後続のデジタル信号処理を経て、偏波多重された位相変調信号の復調が実現される。 An optical receiver in a digital coherent optical transmission system has an optical interference circuit at its front end for performing signal processing with an optical signal as it is. Interference light obtained from the optical interference circuit is detected by a light receiving element (PD: Photo Detector) and converted into an electric signal to obtain a reception signal. The received signal from the optical interference circuit is further subjected to subsequent digital signal processing to realize demodulation of the polarization multiplexed phase modulated signal.

上述の光干渉回路には光導波路型デバイスが広く用いられており、信号光の光強度を調整するVOA、信号光の偏波を分離する偏波ビームスプリッタ(PBS:Polarization Beam Splitter)、信号光または局発光の偏波を回転する偏波ローテータ(偏波回転器)、信号光および局発光の間の干渉によって位相差を検波する90度ハイブリッドなどの基本的な機能要素から構成される。取り分け、石英系光導波路を用いた光導波路型デバイスは一般に平面光波回路(PLC:Planar Lightwave Circuit)とも呼ばれる。今後のさらなるデジタルコヒーレント光伝送システムの普及および大容量化を実現するにあたって、PLCを含む光受信器は鍵になる部品となっている。 Optical waveguide devices are widely used in the above-mentioned optical interference circuit, and include a VOA that adjusts the optical intensity of signal light, a polarization beam splitter (PBS) that separates the polarization of signal light, and a signal light. Alternatively, it is composed of basic functional elements such as a polarization rotator (polarization rotator) that rotates the polarization of the local light and a 90-degree hybrid that detects the phase difference due to the interference between the signal light and the local light. In particular, an optical waveguide type device using a quartz optical waveguide is also generally called a planar lightwave circuit (PLC). An optical receiver including a PLC is a key component for realizing further spread and increase in capacity of a digital coherent optical transmission system in the future.

図1は、PLCによって構成された従来技術の光受信器における光干渉回路の構成を示した図であって、光干渉回路が構成されたシリコン基板の基板面を見た上面図である。ここではその詳細な動作説明は省略するが、図1では光干渉回路の異なる機能を実現する光導波路型デバイスの各機能要素の外形に概ねしたがって描かれている。光受信器100は、主な機能要素として、VOA15、PBS12、偏波ローテータ13、90度ハイブリッド16a、16bなどを備えている。さらに、信号光の入力導波路11、局部光の入力導波路14、干渉光の出力導波路18a、18b、信号光モニタ導波路17なども備えている。PLCで構成され、図1に示したような異なる機能を実現する各機能要素の組み合わせを含む光干渉回路では、小型化が非常に重要な技術課題となっている。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical interference circuit in a conventional optical receiver configured by a PLC, and is a top view of a substrate surface of a silicon substrate on which the optical interference circuit is configured. Although detailed explanation of the operation is omitted here, in FIG. 1, the outline of each functional element of the optical waveguide type device that realizes different functions of the optical interference circuit is roughly drawn. The optical receiver 100 includes a VOA 15, a PBS 12, a polarization rotator 13, 90-degree hybrids 16a and 16b, etc. as main functional elements. Furthermore, an input waveguide 11 for signal light, an input waveguide 14 for local light, output waveguides 18a and 18b for interference light, a signal light monitor waveguide 17, and the like are provided. In an optical interference circuit including a PLC and including a combination of functional elements that realize different functions as shown in FIG. 1, miniaturization is a very important technical issue.

PLCにおいてPBSまたは偏波ローテータを実現するために、光導波路を横切るように、光波長板を光干渉回路内に挿入する構成を用いることができる。光波長板は、これを通過する光信号の偏波に応じて、光信号に位相差を生じさせる素子であり、例えばポリイミドフィルムを用いて作製されたものが広く知られている。 In order to realize a PBS or a polarization rotator in a PLC, a configuration in which an optical wave plate is inserted in an optical interference circuit so as to cross the optical waveguide can be used. An optical wave plate is an element that causes a phase difference in an optical signal according to the polarization of an optical signal that passes through the optical wave plate, and one made of, for example, a polyimide film is widely known.

図1を再び参照すれば、PBS12および偏波ローテータ13では、光導波路を横切るようにして光波長板を挿入するための溝3が形成されている。それぞれの光導波路を伝搬する光が光波長板を通過するように、この溝3の内部に光波長板が挿入される。このような基板面上に溝を備えた構成によって、光波長板を透過した光偏波に回転を生じさせることが可能となる。例えば、PBS12を構成するためには、2本の光導波路によって構成されるマッハ・ツェンダー光干渉回路で、各光導波路にそれぞれλ/4波長板を互いの複屈折光学軸が直交するように挿入すれば良い。また、偏波ローテータ13を実現するためには、対象となる光導波路中に複屈折光学軸が45度となるような向きでλ/2波長板をすれば良い(非特許文献1)。 Referring again to FIG. 1, in the PBS 12 and the polarization rotator 13, a groove 3 for inserting an optical wave plate is formed so as to cross the optical waveguide. An optical wave plate is inserted inside the groove 3 so that the light propagating through each optical waveguide passes through the optical wave plate. With such a configuration in which the groove is provided on the surface of the substrate, it becomes possible to cause rotation of the polarized light transmitted through the optical wave plate. For example, in order to configure the PBS 12, a Mach-Zehnder interferometer circuit composed of two optical waveguides is used, and a λ/4 wavelength plate is inserted in each optical waveguide so that their birefringent optical axes are orthogonal to each other. Just do it. Further, in order to realize the polarization rotator 13, a λ/2 wavelength plate may be provided in the target optical waveguide in such an orientation that the birefringent optical axis is 45 degrees (Non-Patent Document 1).

特許第2614365号公報 明細書Patent No. 2614365 Publication

S. Tsunashima, et. al., “Silica-based, compact and variable-optical-attenuator integrated coherent receiver with stable optoelectronic coupling system”, November 19, 2012/Vol. 20, No. 24/OPTICS EXPRESS 27174S. Tsunashima, et. al., “Silica-based, compact and variable-optical-attenuator integrated coherent receiver with stable optoelectronic coupling system”, November 19, 2012/Vol. 20, No. 24/OPTICS EXPRESS 27174 Implementation Agreement for Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent, IA # OIF-DPC-RX-01.2 Receivers, November 14, 2013Implementation Agreement for Integrated Dual Polarization Intradyne Coherent, IA # OIF-DPC-RX-01.2 Receivers, November 14, 2013

しかしながら、上述の光波長板を溝内に挿入する構成の光導波路型デバイスにおいては、デバイスの小型化において、以下に述べるような問題があった。PLCにおいて光波長板を挿入するための溝は、例えば特許文献1にも記載されているように、ダイシング装置を用いた機械加工によって形成されていた。図1の下方には、光受信器100の基板面および溝3の長手方向に対して垂直な断面を見たときの溝3近傍の構造を示している。溝3は、光干渉回路の最上面から、光導波路が形成されるコア層およびクラッド層を含む導波路層2を越えて、シリコン基板1にまで達するように、所定の値まで切断深さを調整しながら加工されていた。しかしながらこのような機械加工による方法では、ダイシングブレードの大きさによって決まる溝加工を行うための作業エリア内(ワークサイズ)には、他の回路を構成することができない。ダイシング装置自体の加工精度、加工作業に必要なワークサイズを考慮すると、溝の周辺では、1mm×5mm程度の面積にわたって回路配置の禁止領域が必要となってしまう。 However, the above-mentioned optical waveguide type device having the structure in which the optical wave plate is inserted into the groove has the following problems in downsizing the device. The groove for inserting the light wave plate in the PLC has been formed by machining using a dicing device, as described in Patent Document 1, for example. The lower part of FIG. 1 shows the structure in the vicinity of the groove 3 when a cross section perpendicular to the substrate surface of the optical receiver 100 and the longitudinal direction of the groove 3 is viewed. The groove 3 has a cutting depth from the uppermost surface of the optical interference circuit to a predetermined value so as to reach the silicon substrate 1 beyond the waveguide layer 2 including the core layer and the cladding layer in which the optical waveguide is formed. It was being processed while adjusting. However, with such a method by machining, other circuits cannot be configured within the work area (work size) for performing groove processing determined by the size of the dicing blade. Considering the processing accuracy of the dicing device itself and the work size required for the processing operation, a circuit placement prohibited area is required over the area of about 1 mm×5 mm around the groove.

ダイシングブレードは光導波路に対して非常に大きく、作業エリアと各機能要素とのレイアウトの干渉のため、異なる大きさの多数の溝を基板上に形成することはできなかった。基板上に形成した溝のために、本来溝が不要な光導波路が切断されてしまえば、その溝で無駄な光損失を生じてしまう。結局、溝加工を行うための作業エリア内には、波長板挿入が必要な光導波路を除いて、他の機能要素の回路を近接して柔軟に配置することができなかった。このような状況下ではまず溝の配置が優先され、図1に示したように単一の共通の溝を形成し、これに合わせて単一の溝内の異なる部分を利用して異なる機能の光回路を構成していた。 The dicing blade is very large with respect to the optical waveguide, and due to the interference of the layout of the work area and each functional element, it was not possible to form a large number of grooves of different sizes on the substrate. If the optical waveguide that originally does not require a groove is cut due to the groove formed on the substrate, useless optical loss will occur in the groove. In the end, it was not possible to flexibly arrange the circuits of other functional elements close to each other in the working area for groove processing, except for the optical waveguide, which requires the insertion of the wave plate. In such a situation, the arrangement of the grooves is prioritized first, and as shown in FIG. 1, a single common groove is formed, and accordingly, different portions in the single groove are used to achieve different functions. It constituted the optical circuit.

図1の溝3の他の形成方法として、レーザ加工を利用することもできる。しかしながら、レーザ加工ではガラス(SiO2)を熱で溶かして溝を形成するため、加工された部分の熱収縮によって応力が発生したり、溝内面が荒れたりするなどの問題が生じ得る。波長板挿入部における光損失を最小限に留める形状に加工することが難しく、加工によって生じる光導波路部分の歪による光学特性劣化も懸念される。ダイシングおよびレーザのいずれの機械加工手段によっても、その加工精度やワークサイズの点から光回路の小型化の制約となっていた。結局、機械加工によって形成される光導波路への薄膜挿入溝はその加工形状による制約から、溝から1mm以上離れた位置に、溝のない隣接する導波路が配置されることが通常で、そのため光回路の小型化を制約する要因となっていた。 Laser machining can also be used as another method for forming the groove 3 in FIG. However, in laser processing, since glass (SiO 2 ) is melted by heat to form a groove, problems may occur such that stress is generated due to thermal contraction of the processed portion and the inner surface of the groove is roughened. It is difficult to process into a shape that minimizes the optical loss in the wave plate insertion portion, and there is concern that the optical characteristics may be deteriorated due to the distortion of the optical waveguide portion caused by the processing. Regardless of the machining method such as dicing or laser, the miniaturization of the optical circuit has been a constraint in terms of processing accuracy and work size. After all, because the thin film insertion groove formed in the optical waveguide by machining is restricted by the processing shape, it is usual that adjacent waveguides without grooves are arranged at positions 1 mm or more away from the groove. It has been a factor limiting the miniaturization of the circuit.

光干渉回路の基板上に溝を形成する技術としては、ドライエッチングまたはウェットエッチングによるウェハプロセスを用いることもできる。これらのエッチング方法は、加工精度および形状制御のいずれの点でも、光波長レベルでの制御が可能なため、溝形成の方法として有望である。しかしながら、光波長板などの薄膜を挿入する深い溝を形成するのに適した加工方法である必要がある。具体的には、加工形状については溝の深さ方向への垂直性が求められ、光導波路と溝の境界面の粗さを抑えおよび溝開口の加工トレランスが精緻な技術が必要である。引用文献1記載された光干渉回路の構成例では、水平方向と深さ方向との間でエッチングされる比率(選択比)の差のため、十分な精度で深い溝を加工する時には溝の長さおよび幅のサイズを一定値以上の大きさにする必要があった。光導波路を作製する一般的なエッチング技術では、基板面に垂直な深さ方向のエッチング速度は、基板面に平行な水平方向のエッチング速度に比べて遅い。このため、光波長板を挿入するのに十分な深い垂直な溝を形成するには、溝の幅または長さを、光波長板を挿入するために本来必要なサイズよりも大きくする必要があった。結局、光波長板を溝内に挿入するための小さな溝を形成することは、光導波路を作製する一般的なドライエッチングまたはウェットエッチングでは難しかった。 As a technique for forming the groove on the substrate of the optical interference circuit, a wafer process by dry etching or wet etching can also be used. These etching methods are promising as a method for forming a groove because they can be controlled at the light wavelength level in terms of both processing accuracy and shape control. However, a processing method suitable for forming a deep groove into which a thin film such as a light wave plate is inserted is required. Specifically, the processed shape is required to be perpendicular to the depth direction of the groove, and a technique is required that suppresses the roughness of the interface between the optical waveguide and the groove and that the groove opening has a processed tolerance. In the configuration example of the optical interference circuit described in the cited document 1, due to the difference in the etching ratio (selection ratio) between the horizontal direction and the depth direction, when processing a deep groove with sufficient accuracy, the groove length is long. It was necessary to make the size of the width and width larger than a certain value. In a general etching technique for producing an optical waveguide, the etching rate in the depth direction perpendicular to the substrate surface is slower than the etching rate in the horizontal direction parallel to the substrate surface. Therefore, in order to form a vertical groove deep enough to insert a light wave plate, it is necessary to make the width or length of the groove larger than the size originally required for inserting the light wave plate. It was After all, it was difficult to form a small groove for inserting the light wave plate into the groove by general dry etching or wet etching for manufacturing an optical waveguide.

したがって特許文献1に記載されているように、例えば隣接する光導波路間の距離を500μm以下に近づけて配置しようとする場合には、複数の光導波路に渡って1つの連続した溝を配置するなどの工夫が必要となる。特に光回路の小型化が必要な場合、損失を止むを得ないものとして許容して本来溝を必要としない光導波路にまで渡って溝を形成するか、溝を避けるようなレイアウト上の工夫をしながら光回路を配置する必要があり、回路の小型化、回路設計の柔軟性および光学的な性能上での大きな制約があった。 Therefore, as described in Patent Document 1, for example, when the distance between adjacent optical waveguides is to be arranged close to 500 μm or less, one continuous groove is arranged over a plurality of optical waveguides. It is necessary to devise. Especially when miniaturization of the optical circuit is required, allow the loss as inevitable and form the groove to the optical waveguide that does not originally need the groove, or devise a layout to avoid the groove. However, it is necessary to dispose an optical circuit, and there are great restrictions on miniaturization of the circuit, flexibility of circuit design, and optical performance.

近年、ディープエッチングと呼ばれる深さ方向のエッチング速度を向上させたシリコン深堀り技術が実現されている。このようなエッチング技術の向上によって光導波路ごとに別個の溝を作ることが可能になった。溝を複数の光導波路に配置する必要がある場合でも、最小の溝面積で光導波路ごとに溝の配置が可能となったため、従来と比べ光導波路同士をさらに近接して配置することができるようになった。しかしながら、溝が形成された光導波路と溝の無い光導波路とを近接して構成する場合、溝の無い(溝が横切らない)光導波路において、隣接する溝によって解放される基板水平方向の応力の分布の影響を受け、溝の無い光導波路を伝搬する光の偏波状態が変化してしまう問題が生じることになった。特に、その溝の無い光導波路が単一偏波の光を伝搬する回路を構成する場合に、その回路の偏波消光比が劣化してしまう問題が生じることとなった。 In recent years, a deep silicon technique called deep etching, which has an improved etching rate in the depth direction, has been realized. By improving the etching technique, it is possible to form a separate groove for each optical waveguide. Even if it is necessary to arrange the grooves in multiple optical waveguides, it is possible to arrange the grooves for each optical waveguide with the minimum groove area, so it is possible to arrange the optical waveguides closer to each other than in the past. Became. However, when the optical waveguide having a groove and the optical waveguide having no groove are arranged close to each other, in the optical waveguide having no groove (the groove does not cross), the stress in the horizontal direction of the substrate released by the adjacent groove is increased. Due to the influence of the distribution, there arises a problem that the polarization state of the light propagating in the optical waveguide having no groove changes. In particular, when the grooveless optical waveguide constitutes a circuit that propagates light of a single polarization, there arises a problem that the polarization extinction ratio of the circuit deteriorates.

また、特許文献1に開示された応力解放溝を用いた偏波制御光導波路デバイスなどのように、溝の形成によって解放される応力の不均衡を無くすために、ダミーの溝を配置する場合がある。隣接する光導波路に対して導波路回路パターンの対称性を保つため、ダミーの溝および薄膜素子を挿入するための溝を同時に形成しようとしても、小型化が要請されると、溝の配置そのものが困難となり得る。上述のように、薄膜素子を挿入するための溝によって応力が解放されることで、溝の無い隣接する光導波路の偏波保持性が損なわれることが新たな技術的課題となっている。 Further, as in the polarization control optical waveguide device using the stress release groove disclosed in Patent Document 1, a dummy groove may be arranged in order to eliminate the imbalance of the stress released by the formation of the groove. is there. In order to maintain the symmetry of the waveguide circuit pattern with respect to the adjacent optical waveguide, even if it is attempted to form a dummy groove and a groove for inserting a thin film element at the same time, if the miniaturization is required, the arrangement of the groove itself Can be difficult. As described above, since the stress is released by the groove for inserting the thin film element, it is a new technical problem that the polarization maintaining property of the adjacent optical waveguide having no groove is impaired.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、デジタルコヒーレント通信に用いられる小型光受信器を構成するときの、薄膜素子を挿入するための溝と、隣接する溝の無い光導波路との距離の範囲を明らかにする。特定の回路配置の条件で、所定の大きさの基板上でPLC回路を用いて光受信器を実現するときの、薄膜素子を挿入する溝と隣接する導波路との距離の最適範囲を明らかにし、指標を与える。光波長板などの薄膜素子を挿入する溝を有する光干渉回路の小型化を実現する溝の構成を提案し、より集積度の高い光干渉回路、光導波路型デバイスを提供する。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object thereof is to provide a groove for inserting a thin film element when configuring a small optical receiver used for digital coherent communication. , Clarify the range of the distance to the adjacent optical waveguide without a groove. Under the condition of a specific circuit arrangement, the optimum range of the distance between the groove into which the thin film element is inserted and the adjacent waveguide is clarified when an optical receiver is realized by using a PLC circuit on a substrate of a predetermined size. , Give an index. We propose a structure of a groove that realizes miniaturization of an optical interference circuit having a groove into which a thin film element such as an optical wave plate is inserted, and provide an optical interference circuit and an optical waveguide device having a higher degree of integration.

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、シリコン基板上に構成された石英系材料の光導波路型デバイスにおいて、2本のアーム導波路と、前記2本のアーム導波路をそれぞれのみを横切るように構成され、λ/4波長板を挿入可能な2つの溝とを有する偏波ビームスプリッタ(PBS)であって、前記2本のアーム導波路に対して垂直よりも傾けて、当該垂直より傾けた方向で前記2つの溝の一部が相対するよう配置された、PBSと、λ/2波長板を挿入できる溝を備えた第1の導波路と、溝の無い第2の導波路とを有する偏波ローテータと、各々が、2つの光分岐器および2つの光結合器の間に4本の導波路を含み、前記4本の導波路の内側の2本が交差するよう構成された、2つの90度ハイブリッドを有するミキサとを備え、前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサは、この順に縦続して、それぞれの間を光学的に接続する2つの折り返し導波路部を介して、概ねS字または逆S字状に配置され、前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサの各々の前記導波路は、少なくとも一部で相互に平行となるように構成されており、前記平行な方向をY軸、前記Y軸に垂直な方向をX軸とするとき、前記偏波ローテータにおいて、前記第1の導波路を横切る前記溝の前記第2の導波路側の端部と、前記第2の導波路との、X軸上の溝―導波路間間隔dは、0.25<d(mm)の範囲にあることを特徴とする光導波路型デバイスである。 To achieve the object, such as this, a first aspect of the present invention, in the optical waveguide type device of silica-based material configured on a silicon substrate, and the two arm waveguides, said two arms consists waveguide across only respectively, a lambda / 4 polarization beam splitter having a insertable two grooves wavelength plate (PBS), the vertical against the arm waveguides of the two And a first waveguide provided with a groove into which the λ/2 wavelength plate can be inserted, the PBS being arranged so that a part of the two grooves face each other in a direction inclined with respect to the vertical . A polarization rotator having a second waveguide that is not present, and each including four waveguides between two optical branching devices and two optical couplers, and two waveguides inside the four waveguides. And a mixer having two 90-degree hybrids configured to intersect with each other, wherein the PBS, the polarization rotator, and the mixer are cascaded in this order, and two folds are provided to optically connect between them. The waveguides of the PBS, the polarization rotator, and the mixer are arranged so as to be substantially S-shaped or inverted S-shaped via a waveguide portion, and are configured to be parallel to each other at least in part. When the parallel direction is the Y-axis and the direction perpendicular to the Y-axis is the X-axis, in the polarization rotator, the groove on the side of the second waveguide of the groove that crosses the first waveguide. The groove-waveguide spacing d on the X axis between the end portion and the second waveguide is in the range of 0.25<d (mm), which is an optical waveguide device.

請求項の発明は、請求項1の光導波路型デバイスであって、前記シリコン基板のX軸方向の長さをX0、前記90度ハイブリッドのX軸方向の長さの最小値をX1min、前記90度ハイブリッドの前記偏波ローテータ側の一方と、前記偏波ローテータとの間を接続する前記第2の導波路の前記折り返し導波路部の、折り返しの両端部間のX軸方向の距離をX4min、前記PBSの前記第1の導波路を横切る前記溝の前記第2の導波路側の前記端部と、前記PBSの出力側との間を接続する前記第1の導波路の前記折り返し導波路部の、折り返しの両端部間のX軸方向の距離をX3min、前記PBSの前記偏波ローテータ側の前記アーム導波路から、もう一方のアーム導波路上を横切る前記溝の遠い端部までのX軸方向の距離をX2minとし、Xtotal=X1min×2+X4min+X3min+X2minとするとき、前記溝―導波路間間隔dは、0.25<d<X0−Xtotal(mm)の範囲にあることを特徴とする。 The invention of claim 2 is the optical waveguide device according to claim 1 , wherein the length of the silicon substrate in the X-axis direction is X 0 , and the minimum value of the length of the 90-degree hybrid in the X-axis direction is X 1min. A distance in the X-axis direction between both ends of the folded waveguide portion of the second waveguide connecting one of the 90-degree hybrid on the polarization rotator side and the polarization rotator. X 4min , the first waveguide connecting the end of the groove across the first waveguide of the PBS on the second waveguide side and the output side of the PBS. The distance in the X-axis direction between both ends of the folded waveguide portion is X 3min , and the far end of the groove that crosses the other arm waveguide from the arm waveguide on the polarization rotator side of the PBS. the X-axis direction of the distance to the part and X 2min, when the X total = X 1min × 2 + X 4min + X 3min + X 2min, the groove - waveguide spacing d is, 0.25 <d <X 0 -X total It is characterized by being in the range of (mm).

請求項の発明は、請求項1または2の光導波路型デバイスであって、前記シリコン基板のX軸方向の長さをX0とすると、前記溝―導波路間間隔dは、0.25<d <X0−10.5(mm)の範囲にあることを特徴とする。 The invention of claim 3 is the optical waveguide device according to claim 1 or 2 , wherein, when the length of the silicon substrate in the X-axis direction is X 0 , the groove-waveguide spacing d is 0.25. <d <X 0 -10.5 (mm).

請求項の発明は、請求項1乃至いずれかの光導波路型デバイスであって、前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサは、デジタルコヒーレント通信用光受信器の一部を構成することを特徴とする。 The invention of claim 4 is the optical waveguide device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the PBS, the polarization rotator and the mixer constitute a part of an optical receiver for digital coherent communication. It is a feature.

以上説明したように、本発明によって光波長板などの薄膜素子を挿入する溝を有する光干渉回路の小型化を実現することができる。特定の回路配置の条件で、所定の大きさの基板上でPLC回路を用いて光受信器を実現するときの、薄膜素子を挿入する溝と隣接する導波路との距離の指標を与える。 As described above, the present invention can realize miniaturization of an optical interference circuit having a groove into which a thin film element such as a light wave plate is inserted. It gives an index of the distance between a groove into which a thin film element is inserted and an adjacent waveguide when an optical receiver is realized by using a PLC circuit on a substrate of a predetermined size under a specific circuit arrangement condition.

図1は、PLCによって構成された従来技術の光受信器における光干渉回路の構成を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical interference circuit in a conventional optical receiver configured by a PLC. 図2は、本発明の光導波路型デバイスの実施例の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the optical waveguide device of the present invention. 図3は、溝の端部および隣接する導波路間の距離と、PER劣化量の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the PER deterioration amount and the distance between the end of the groove and the adjacent waveguides. 図4は、90度ハイブリッド回路における交差角度を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a crossing angle in a 90-degree hybrid circuit. 図5は、90度ハイブリッド回路の交差角度と導波路間距離Gの関係を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the crossing angle of the 90-degree hybrid circuit and the distance G between the waveguides. 図6は、90度ハイブリッド回路における導波路交差角度Θと交差により生じる損失との関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the waveguide crossing angle Θ and the loss caused by the crossing in the 90-degree hybrid circuit. 図7は、本発明のデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器おける機能要素に関連する最小値の定義を説明する図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the definition of the minimum value related to the functional elements in the optical receiver for digital coherent optical transmission of the present invention.

本発明の光導波路型デバイスは、溝の形成のために近年のウェハプロセス技術の進展に伴って可能となったディープエッチング技術を用いる。これまで光導波路型デバイスで使用されてきたウェットエッチングまたはドライエッチング技術は、基板面に水平方向のエッチング速度に比べて垂直方向のエッチング速度(深さ方向の選択比)が非常に小さいものであった。近年では、基板面の垂直方向、すなわち深さ方向に選択比の高いエッチングプロセスが開発されており、ボッシュプロセスとしてシリコン基板に広く適用されている。本発明の光導波路型デバイスでは導波路の構成材料であるSiO2に対して深さ方向の選択比が大きいディープエッチング技術を使用して、薄膜素子を挿入するための溝を形成する。ディープエッチング技術によって、薄膜素子を適切に挿入できる必要最小限の開口部のサイズと、十分な垂直深さを確保した溝を形成することができる。 The optical waveguide type device of the present invention uses the deep etching technique for forming the groove, which has become possible with the recent progress of the wafer process technique. Wet etching or dry etching technology that has been used in optical waveguide devices has a very low vertical etching rate (depth selection ratio) compared to the horizontal etching rate on the substrate surface. It was In recent years, an etching process having a high selection ratio in the direction perpendicular to the substrate surface, that is, in the depth direction has been developed and is widely applied to a silicon substrate as a Bosch process. In the optical waveguide device of the present invention, a groove for inserting a thin film element is formed by using a deep etching technique having a large selection ratio in the depth direction with respect to SiO 2 which is a constituent material of the waveguide. With the deep etching technique, it is possible to form a groove having a required minimum opening size for properly inserting a thin film element and a sufficient vertical depth.

本発明の光導波路型デバイスでは、少なくとも1つの溝は、薄膜素子を挿入する対応する1本の導波路のみを横切り、この対応する1本の導波路に隣接する他の導波路を横切らないよう構成される。この溝は、概ね矩形状をしており、溝内に薄膜素子を安定して保持・固定できるように、挿入される薄膜素子のサイズに適合した最小のものとすることができる。 In the optical waveguide device of the present invention, at least one groove crosses only one corresponding waveguide into which the thin film element is inserted, and does not cross other waveguides adjacent to this corresponding one waveguide. Composed. This groove has a substantially rectangular shape, and can be the smallest size suitable for the size of the thin film element to be inserted so that the thin film element can be stably held and fixed in the groove.

通常、PLCで作製される光回路は、異なる機能を実現する複数の機能要素からなっている。本発明の薄膜素子を挿入するための溝を用いることで、溝が必要な機能要素において導波路ごとに必要な溝を形成することが可能となる。さらに、溝が必要な機能要素の小型化が可能となるのに加え、溝が不要な機能要素との距離を短くすることで、光回路全体の小型化も実現できる。従来技術のような複数の導波路に渡って形成されていた大きな溝3(図1)は、溝によって解放される応力の分布による影響が広い領域に及んでいた。本発明では、必要最小限の開口部のサイズを持ち導波路毎に構成された溝を使用することで、溝によって解放される応力分布の影響を受ける領域自体が縮小される。したがって、光回路全体で、溝によって解放される応力分布の影響を受けない領域も最小化できる。光回路の異なる機能要素間で、溝と、薄膜素子を挿入する溝が無い隣接する導波路との距離を規定すれば、いずれの導波路を伝搬する光に対しても、偏波保持性を維持し偏波消光比が劣化することなしに、所望の偏波特性を得ることが可能となる。 Usually, an optical circuit made of PLC is composed of a plurality of functional elements that realize different functions. By using the groove for inserting the thin film element of the present invention, it becomes possible to form the necessary groove for each waveguide in the functional element that requires the groove. Furthermore, in addition to enabling miniaturization of a functional element that requires a groove, it is also possible to reduce the size of the entire optical circuit by shortening the distance to the functional element that does not require a groove. The large groove 3 (FIG. 1) formed over a plurality of waveguides as in the prior art has a wide influence due to the distribution of stress released by the groove. In the present invention, by using the groove having the minimum required opening size and configured for each waveguide, the area itself affected by the stress distribution released by the groove is reduced. Therefore, a region of the entire optical circuit which is not affected by the stress distribution released by the groove can be minimized. If the distance between the groove and the adjacent waveguide that does not have the groove for inserting the thin film element is defined between the different functional elements of the optical circuit, the polarization-maintaining property will be maintained for the light propagating in any of the waveguides. It is possible to obtain a desired polarization characteristic without maintaining and degrading the polarization extinction ratio.

本発明の溝を有する光導波路型デバイスでは、デジタルコヒーレント通信に用いられる光受信器を効果的に構成することができる。本発明の光導波路型デバイスは、少なくとも偏波ビームスプリッタ(PBS)、偏波ローテータ(偏波回転器)、および2つの90度ハイブリッドが、この順に縦続して、それぞれの間を光学的に接続する2つの折り返し導波路部を介して、概略S字状または逆S字状に配置されている。2つの90度ハイブリッドは、ミキサ回路を構成する。各構成要素内に含まれる導波路は、要素内においても要素間においても、概ね平行となるように配置されている。したがって、PBSにおける信号光の伝搬方向と、偏波ローテータにおける信号光の伝搬方向とは、平行で正反対となる。また、偏波ローテータにおける信号光の伝搬方向と、2つの90度ハイブリッドそれぞれにおける信号光および局発光(局部発振光)の伝搬方向も、平行で正反対となる。 The optical waveguide type device having the groove of the present invention can effectively configure an optical receiver used for digital coherent communication. In the optical waveguide device of the present invention, at least a polarization beam splitter (PBS), a polarization rotator (polarization rotator), and two 90-degree hybrids are cascaded in this order and are optically connected to each other. It is arranged in a substantially S-shape or an inverted S-shape via the two folded waveguide portions. The two 90 degree hybrids form a mixer circuit. The waveguides included in each constituent element are arranged so as to be substantially parallel to each other within the element and between the elements. Therefore, the propagation direction of the signal light in the PBS and the propagation direction of the signal light in the polarization rotator are parallel and opposite to each other. Further, the propagation directions of the signal light in the polarization rotator and the propagation directions of the signal light and the local oscillation light (local oscillation light) in each of the two 90-degree hybrids are parallel and opposite to each other.

PBSにおいては、平行に配置された2つの導波路の各々に、それぞれの導波路のみを横切る溝が形成されている。また、偏波ローテータにおいては、2本の導波路の内の一方の導波路のみに薄膜素子を挿入するための溝を形成し、他方の導波路は溝を持っていない。以下の検討では、偏波ローテータにおける一方の導波路の溝の端部から、溝のない隣接する導波路までの距離(後述する「溝―隣接導波路間距離d」)について、一定の基板サイズの条件下で、溝によって解放される基板水平方向の応力分布の影響と小型化の要請との両方を考慮した最適範囲を求める。最初に、本発明の光導波路型デバイスとして最も好適なデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器の構成を以下に説明する。下の実施例では、シリコン基板上に形成した石英系材料の単一モード光導波路を使用した光導波路型デバイスを例として説明する。これは、この構成がPLCに現在広く利用されており集積化が容易であって、さらに石英系光ファイバとの整合性に優れ、低損失な光デバイスを提供できるためである。以下の説明において、導波路と記載したものはPLC回路上に形成された光導波路を意味するものとする。 In the PBS, each of the two waveguides arranged in parallel is provided with a groove that crosses only the respective waveguide. Further, in the polarization rotator, the groove for inserting the thin film element is formed only in one of the two waveguides, and the other waveguide has no groove. In the following examination, a constant substrate size is set for the distance from the end of the groove of one waveguide in the polarization rotator to the adjacent waveguide without a groove (“groove-adjacent waveguide distance d” described later). Under the above condition, the optimum range is obtained in consideration of both the influence of the stress distribution in the horizontal direction of the substrate released by the groove and the demand for miniaturization. First, the configuration of an optical receiver for digital coherent optical transmission, which is most suitable as the optical waveguide device of the present invention, will be described below. In the examples below, an optical waveguide type device using a single mode optical waveguide made of a silica-based material formed on a silicon substrate will be described as an example. This is because this configuration is widely used in PLCs at present and is easily integrated, and further, it is possible to provide an optical device having excellent compatibility with a silica-based optical fiber and low loss. In the following description, what is described as a waveguide means an optical waveguide formed on a PLC circuit.

図2は、本発明の光導波路型デバイスの実施例の構成を示す図である。図2の光導波路型デバイスは、PLCによって構成されたデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器(光干渉回路)200である。光受信器200は、信号光入力導波路30、局発(局部発振)光の入力導波路32、干渉光の出力導波路33a、33b、信号光モニタ導波路34を備える。また、光受信器200は、信号光が伝搬する順に、VOA31、PBS21、偏波ローテータ22、および2つの90度ハイブリッド回路29a、29bを備える。PBS21および偏波ローテータ22は、薄膜素子である波長板を各々の導波路を横切るように各溝に挿入して実現される。 FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an embodiment of the optical waveguide device of the present invention. The optical waveguide type device of FIG. 2 is an optical receiver (optical interference circuit) 200 for digital coherent optical transmission configured by PLC. The optical receiver 200 includes a signal light input waveguide 30, a local oscillation (local oscillation) light input waveguide 32, interference light output waveguides 33 a and 33 b, and a signal light monitor waveguide 34. Further, the optical receiver 200 includes a VOA 31, a PBS 21, a polarization rotator 22, and two 90-degree hybrid circuits 29a and 29b in the order in which the signal light propagates. The PBS 21 and the polarization rotator 22 are realized by inserting a wave plate, which is a thin film element, into each groove so as to cross each waveguide.

PBS21は、マッハ・ツェンダー干渉計の2つのアーム導波路23、24上にそれぞれ形成された溝25、26の中に、2つのλ/4波長板を互いの複屈折軸が直交するような向きで挿入して構成される。PBS21は、入力された信号光を2つの偏波に分離するよう動作する。また偏波ローテータ22は、2つの導波路28a、28bの内の一方の導波路28aに形成された溝27の中に、λ/2波長板を挿入して構成される。偏波ローテータ22は、PBS21の後段側に配置され、一方の光の偏波を90度回転させる。偏波ローテータ22において隣接して配置される溝のある導波路28aおよび溝の無い導波路28bとの距離は、溝27の端部から溝の無い導波路28bまでの距離35として後述する。 The PBS 21 is arranged so that the birefringence axes of the two λ/4 wave plates are orthogonal to each other in the grooves 25 and 26 formed on the two arm waveguides 23 and 24 of the Mach-Zehnder interferometer, respectively. It is configured by inserting with. The PBS 21 operates to split the input signal light into two polarized waves. The polarization rotator 22 is constructed by inserting a λ/2 wavelength plate into a groove 27 formed in one of the two waveguides 28a and 28b. The polarization rotator 22 is disposed on the rear side of the PBS 21 and rotates the polarization of one light by 90 degrees. The distance between the grooved waveguide 28a and the grooveless waveguide 28b arranged adjacently in the polarization rotator 22 will be described later as the distance 35 from the end of the groove 27 to the grooveless waveguide 28b.

薄膜素子が挿入される溝25、26、27は、SiO2の深堀りエッチングのために最適化されたディープエッチング技術を使用して形成された。各々の機能に応じて挿入される波長板のサイズに応じて、溝のサイズを設計した。PBS21の溝25、26については、それぞれ長さを1mmとして、長さ0.75mmのλ/4波長板を挿入した。また、偏波ローテータ22の溝27についてはその長さを1.5mmとして、長さ1.0mmのλ/2波長板を挿入した。いずれの波長板も、組み立て時の作業の容易性を考慮して、最小でも概ね0.75mm程度の長さとしている。 The grooves 25, 26, 27 into which the thin film elements are inserted were formed using a deep etching technique optimized for deep etching of SiO 2 . The size of the groove was designed according to the size of the wave plate inserted according to each function. The grooves 25 and 26 of the PBS 21 each had a length of 1 mm, and a λ/4 wave plate having a length of 0.75 mm was inserted. The length of the groove 27 of the polarization rotator 22 was set to 1.5 mm, and a λ/2 wave plate having a length of 1.0 mm was inserted. Each of the wave plates has a length of about 0.75 mm at a minimum in consideration of workability during assembly.

図2では、導波路のレイアウトは概ね実際のデバイスのイメージに近いが、導波路に対する溝の幅や長さなどは実際の構成とは異なる点に留意されたい。実際の寸法関係で記載すると、溝および波長板などは視認できなくなるので、溝の幅、波長板の厚さを相対的に拡大して誇張して描いてある。 In FIG. 2, the waveguide layout is close to the image of an actual device, but it should be noted that the width and length of the groove with respect to the waveguide are different from the actual configuration. When described in terms of actual dimensions, the groove and the wave plate are not visible, so the width of the groove and the thickness of the wave plate are relatively enlarged and exaggerated.

波長板として用いた薄膜素子はポリイミドフィルムで構成されており、厚さ10μm程度のものを使用した。挿入する薄膜素子の厚さに応じて、溝の幅は15〜30μm程度とした。溝内に挿入された薄膜素子を、石英ガラスに近い屈折率を持つ樹脂を溝内の薄膜素子との隙間に充填して、接着固定することにより、溝が横切る導波路の過剰損失を最小限に抑えた。溝の深さは100μm以上300μm以下とし、導波路部分のエッチング断面は基板面に対して垂直方向に垂直性を保ち、かつその表面は平滑である。薄膜素子は、組み立て時の扱いやすさを考慮して、基板表面よりも上方に500μm程度はみ出る高さを持つ。 The thin film element used as the wave plate was composed of a polyimide film and had a thickness of about 10 μm. The width of the groove was set to about 15 to 30 μm depending on the thickness of the thin film element to be inserted. By filling the gap between the thin film element inserted in the groove and the thin film element in the groove with a resin having a refractive index close to that of silica glass, and fixing it by adhesion, excess loss of the waveguide that the groove traverses is minimized. Suppressed to. The depth of the groove is 100 μm or more and 300 μm or less, the etching cross section of the waveguide portion is perpendicular to the substrate surface, and the surface is smooth. The thin film element has a height that protrudes above the substrate surface by about 500 μm in consideration of the ease of handling during assembly.

本発明の光導波路型デバイスの溝を作製するディープエッチングプロセスは、導波路部分のSiO2に対して深堀りエッチングを行うのに最適化されたプロセスである。したがって、導波路部分以外のエッチング断面、特にSiO2の導波路部分を越えてシリコン基板部に達した溝のエッチング断面においては、基板面に対する厳密な垂直性は必ずしも必要ない。信号光に対して位相変化を生じさせるSiO2の導波路部分のエッチング断面で垂直性が確保されていれば、SiO2の溝で十分に薄膜素子を保持できる。したがって、溝の奥深くにあるシリコン基板のエッチング断面については垂直状態からやや外れていても許容できる。 The deep etching process for forming the groove of the optical waveguide type device of the present invention is a process optimized for performing deep etching on SiO 2 in the waveguide portion. Therefore, strict verticality with respect to the substrate surface is not necessarily required in the etching cross section other than the waveguide portion, particularly in the etching cross section of the groove reaching the silicon substrate portion beyond the waveguide portion of SiO 2 . If verticality is ensured in the etching cross section of the waveguide portion of SiO 2 that causes a phase change with respect to the signal light, the thin film element can be sufficiently held by the groove of SiO 2 . Therefore, the etching cross section of the silicon substrate deep inside the groove may be slightly deviated from the vertical state.

再び図2を参照すれば、本発明の光導波路型デバイスでは、PBS21、偏波ローテータ22および90度ハイブリッド回路29の3種類の各機能要素が、この順に縦続して配置され、機能要素同士を接続するための折り返し導波路28a、28bを介して光学的に接続されている。すなわち、それぞれの機能要素同士の間は連続的になめらかに導波路で接続され、光導波路型デバイス全体を見たときに、概ねS字状または逆S字状となっている。本発明の光導波路型デバイスでは、基本原則として、折り返し曲線導波路の半径を放射損失が発生しない最小値(2mm)として、機能要素を互いにできる限り近接して配置することになる。図2に示したデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器の光干渉回路では、各機能要素のいずれの導波路もその少なくとも一部は平行となるよう構成されている。3つの機能要素は、この平行な導波路方向(Y軸方向)に概ね垂直な方向(X軸方向)に並んで配置された構成となる。以下の説明では、3種類の機能要素が配置されるX軸方向、すなわち3種類の各機能要素に共通の導波路方向(Y軸)に垂直な方向を、機能要素の配置方向と呼ぶ。 Referring again to FIG. 2, in the optical waveguide device of the present invention, the three types of functional elements of the PBS 21, the polarization rotator 22, and the 90-degree hybrid circuit 29 are arranged in cascade in this order, and the functional elements are connected to each other. It is optically connected via the folded waveguides 28a and 28b for connection. That is, the functional elements are continuously and smoothly connected to each other by a waveguide, and when viewed as a whole, the optical waveguide device has an S-shape or an inverted S-shape. In the optical waveguide device of the present invention, as a basic principle, the radius of the folded curve waveguide is set to the minimum value (2 mm) at which radiation loss does not occur, and the functional elements are arranged as close to each other as possible. In the optical interference circuit of the optical receiver for digital coherent optical transmission shown in FIG. 2, at least some of the waveguides of each functional element are parallel. The three functional elements are arranged side by side in a direction (X axis direction) substantially perpendicular to the parallel waveguide direction (Y axis direction). In the following description, the X-axis direction in which the three types of functional elements are arranged, that is, the direction perpendicular to the waveguide direction (Y-axis) common to the three types of functional elements is referred to as the functional element arrangement direction.

以下では、図2のデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器において、各機能要素がどのように光回路のチップ全体のサイズに影響を与えるかについて検討する。先にも述べたように、図2に示したレイアウトは概ね実際のデバイスのイメージに近いが、溝の幅、波長板の厚さを相対的に拡大して誇張して描いてある。各機能要素において、光回路を小型化する際の光学特性上の制限と、隣接する溝によって解放される基板水平方向の応力の分布の影響の問題と合わせて、さらに検討する。 In the following, in the optical receiver for digital coherent optical transmission in FIG. 2, how each functional element affects the size of the entire chip of the optical circuit will be examined. As described above, the layout shown in FIG. 2 is close to the image of an actual device, but the width of the groove and the thickness of the wave plate are relatively enlarged and exaggerated. In each functional element, further consideration will be given together with the limitation on the optical characteristics when miniaturizing the optical circuit and the problem of the influence of the stress distribution in the horizontal direction of the substrate released by the adjacent groove.

2つの溝25、26を含むPBS21では、上述の通り、溝25および溝26の各長さが、PBS21全体のサイズを支配的に決定する。それぞれの溝に対応する2本のアーム導波路23、24に概ね垂直な方向で、2つの溝25、26の一部が相対して配置されている。マッハ・ツェンダー干渉計のアーム部分に相当する2本のアーム導波路23、24の間隔を500μm以下になるように近接させて配置することができる。これによって、図2のデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器において、機能要素の配置方向(X軸)に関するサイズを最小にして、光受信器回路の全体のサイズを縮小することが可能である。従来技術で問題となった、溝の通過を避けるための光回路のレイアウト制限や、溝の通過を許容することによる望まない損失の発生を解消することができる。PBS21の場合は、2つの導波路のそれぞれに対して対称に溝が形成されるため、隣接する溝によって解放される基板水平方向の応力の分布は問題とならない。 In the PBS 21 including the two grooves 25 and 26, as described above, the lengths of the groove 25 and the groove 26 mainly determine the size of the entire PBS 21. A part of the two grooves 25, 26 is arranged to face each other in a direction substantially perpendicular to the two arm waveguides 23, 24 corresponding to the respective grooves. The two arm waveguides 23 and 24 corresponding to the arm portion of the Mach-Zehnder interferometer can be arranged close to each other so that the distance between them is 500 μm or less. As a result, in the optical receiver for digital coherent optical transmission in FIG. 2, it is possible to minimize the size in the arrangement direction (X axis) of the functional element and reduce the overall size of the optical receiver circuit. It is possible to eliminate the layout limitation of the optical circuit for avoiding the passage of the groove and the generation of an undesired loss caused by allowing the passage of the groove, which have been problems in the related art. In the case of the PBS 21, since the grooves are formed symmetrically with respect to each of the two waveguides, the stress distribution in the horizontal direction of the substrate released by the adjacent grooves does not matter.

偏波ローテータ22では、PBS21によって分離された一方の偏波の信号光が伝搬する導波路28a側のみに、薄膜素子が挿入される溝27が形成される。他方の偏波の信号光が伝搬する導波路28bは溝を持っていない。したがって、図2のデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器において、偏波ローテータ22の機能要素の配置方向(X軸)に関するサイズは、溝27の長さに加えて、溝27の端部と、溝の無い隣接する導波路28bとの間の距離35によって決定される。以後簡単のため、偏波ローテータ22において導波路28aを横切る溝27の一端から、導波路28aに最も隣接し溝の無い導波路28bまでの距離35を、溝―隣接導波路間距離dと定義する。 In the polarization rotator 22, the groove 27 into which the thin film element is inserted is formed only on the side of the waveguide 28a through which the signal light of one polarization separated by the PBS 21 propagates. The waveguide 28b through which the signal light of the other polarization propagates has no groove. Therefore, in the optical receiver for digital coherent optical transmission of FIG. 2, the size of the polarization rotator 22 in the arrangement direction (X axis) of the functional elements is not only the length of the groove 27 but also the end of the groove 27. It is determined by the distance 35 between adjacent waveguides 28b without grooves. For the sake of simplicity, the distance 35 from one end of the groove 27 that crosses the waveguide 28a in the polarization rotator 22 to the waveguide 28b that is closest to the waveguide 28a and has no groove is defined as the groove-adjacent waveguide distance d. To do.

溝―隣接導波路間距離35の最小値dminは、溝の無い導波路を伝搬する光の偏波状態が溝による応力解放によって変化してしまう問題を避けるため、PERの実測値に基づいて以下のように決定される。 The minimum value d min of the groove-adjacent waveguide distance 35 is based on the actual measurement value of PER in order to avoid the problem that the polarization state of light propagating in a waveguide without a groove changes due to stress release by the groove. It is determined as follows.

図3は、溝の端部と隣接する導波路との距離と、PER劣化量の関係を示す図である。図2に示したように、一方の導波路28aに対して垂直よりやや傾けて(98°)構成した状態の溝27の端部から、隣接する溝の無い導波路28bまでの距離dを変えたときの、溝の無い導波路28bにおける偏波消光比(PER:Polarization-Extinction Ratio)の劣化量を示す。すなわち、溝が存在しない場合のPER値を基準としたPER劣化量(dB)を示している。同一基板上に溝と被測定導波路の複数のペアを作成した2サンプルについて実測した。 FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the distance between the end of the groove and the adjacent waveguide and the PER deterioration amount. As shown in FIG. 2, the distance d from the end of the groove 27 in a state in which the waveguide 28a is slightly inclined (98°) from the vertical to the adjacent waveguide 28b having no groove is changed. The amount of deterioration of the polarization extinction ratio (PER) in the waveguide 28b having no groove is shown. That is, it shows the PER deterioration amount (dB) based on the PER value when there is no groove. Two samples in which a plurality of pairs of a groove and a waveguide to be measured were formed on the same substrate were actually measured.

図3に示したように、溝―隣接導波路間距離35が概ね250μmまではPER劣化量は0であり、溝と導波路を100μmまで近接すると数dB以上のPER劣化が生じている。したがって、溝―隣接導波路間距離35の最小値dminを250μmとすれば、図2の偏波ローテータ22における消光比劣化を抑えて、溝の無い導波路の偏波保持性が損なわれることのない光回路を構成できる。 As shown in FIG. 3, the PER deterioration amount is 0 when the groove-adjacent waveguide distance 35 is approximately 250 μm, and when the groove and the waveguide are close to 100 μm, PER deterioration of several dB or more occurs. Therefore, if the minimum value d min of the groove-adjacent waveguide distance 35 is set to 250 μm, deterioration of the extinction ratio in the polarization rotator 22 of FIG. 2 is suppressed, and the polarization maintaining property of the waveguide having no groove is impaired. Optical circuit without

一方で、偏波ローテータ22における溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxは、図2のデジタルコヒーレント通信用光受信器の回路配列方向に並んだ3つの機能要素において、各要素内の各最小距離(サイズ)または機能要素間の最小距離から決定される。 On the other hand, the maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 in the polarization rotator 22 is within each element among the three functional elements arranged in the circuit arrangement direction of the optical receiver for digital coherent communication in FIG. It is determined from each minimum distance (size) or the minimum distance between functional elements.

溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxは、図2のデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器を実際に作製するチップサイズに制限が無ければ、機能要素の配置方向(X軸方向)にも制限は無い。チップサイズに制限が無ければ回路レイアウトの自由度が高く、一般的に最大値を一意に決定することができない。しかしながら、本発明の光導波路型デバイスの薄膜素子のための溝は、光回路を小型化しようとする場合に最大の効果を発揮し、特に、図2に示したようなデジタルコヒーレント通信における光受信器へ適用するのが好ましい。 The maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 is the arrangement direction of functional elements (X-axis direction) unless the chip size for actually manufacturing the optical receiver for digital coherent optical transmission of FIG. 2 is limited. But there is no limit. If the chip size is not limited, there is a high degree of freedom in circuit layout, and it is generally impossible to uniquely determine the maximum value. However, the groove for the thin film element of the optical waveguide type device of the present invention exerts the maximum effect when it is attempted to miniaturize the optical circuit, and in particular, the optical reception in the digital coherent communication as shown in FIG. It is preferably applied to vessels.

デジタルコヒーレント光伝送用の光受信器では、標準化団体(例えばOIF:The Optical Internetworking Forum))の仕様によって決定される形態・サイズのパッケージ内に収納するため、基板の最大サイズをいくつかの固定値に決定できる。各機能要素における最小値の合計値を累積的に求めれば、上述の基板サイズ固定値から、最小値の合計値を差し引いて、偏波ローテータ22における溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxが求められる。そこで以下では、図2のデジタルコヒーレント通信用光受信器の小型化を制限する要因となる、各機能要素における最小長さ、最小距離等をさらに検討して決定し、溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxを求めてみる。 In an optical receiver for digital coherent optical transmission, the maximum size of the substrate is set to some fixed value because it is housed in a package of a form/size determined by specifications of a standardization organization (eg, OIF: The Optical Internetworking Forum). Can be determined. If the total value of the minimum values in each functional element is cumulatively obtained, the total value of the minimum values is subtracted from the above-mentioned fixed value of the substrate size to obtain the maximum value d of the groove-adjacent waveguide distance 35 in the polarization rotator 22. max is required. Therefore, in the following, the minimum length and the minimum distance in each functional element, which are factors that limit the miniaturization of the optical receiver for digital coherent communication in FIG. 2, are further examined and determined, and the distance between the groove and the adjacent waveguide is determined. Let's find the maximum value d max of 35.

図2に示したデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器200おいて、偏波ローテータ22の溝27と隣接する導波路28bの溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxを制限する要因は、第1に、受信器200の最上部にある90度ハイブリッド回路29a、29bの各々の内側2本の導波路の交差部の構成にある。交差部で生じる損失を考慮して90度ハイブリッド回路の構成が決定される。 In the optical receiver 200 for digital coherent optical transmission shown in FIG. 2, the factor that limits the maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 of the waveguide 28b adjacent to the groove 27 of the polarization rotator 22 is First, there is a configuration of an intersection of two waveguides inside each of the 90-degree hybrid circuits 29a and 29b at the top of the receiver 200. The configuration of the 90-degree hybrid circuit is determined in consideration of the loss generated at the intersection.

図4は、90度ハイブリッド回路における交差角度を説明する図である。90度ハイブリッド回路の交差角度とは、2つの光分岐手段と2つの光結合手段との間に配置された4本の導波路の内で、内側にある2本の導波路が交差する角度を言う。図4に示すように回路レイアウト上で、各々の導波路41、42において信号光または局発光が伝搬する方向をY軸とし、90度ハイブリッドの4本の導波路に垂直な方向をX軸(図2のX軸方向に対応)とする。X軸方向について90度ハイブリッド回路を最小とするのは、2本の導波路41、42がそれぞれ2つの円弧を連続的に接続するような形状を持ち、かつ、その円弧の接続点と2本の導波路の交点43が一致する場合である。図4では、交差部を中心として2本の導波路41、42がY軸と平行となるまでの部分を描いている。2本の導波路の接線のなす交差角度をΘ、2本の導波路の円弧部の半径をrとすると、交差する2つの導波路41、42の導波路間距離Gは次式で表される。
G= 2r×sin(Θ/4) 式(1)
式(1)は、1つの90度ハイブリッド回路のX軸方向の長さ、すなわち、図2において機能要素の配置(X軸)方向の長さを決定する指標となる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a crossing angle in a 90-degree hybrid circuit. The crossing angle of the 90-degree hybrid circuit is the angle at which the two inner waveguides intersect among the four waveguides arranged between the two optical branching means and the two optical coupling means. To tell. As shown in FIG. 4, in the circuit layout, the direction in which the signal light or local light propagates in each of the waveguides 41 and 42 is the Y axis, and the direction perpendicular to the four 90-degree hybrid waveguides is the X axis ( 2 corresponds to the X-axis direction). The minimum 90 degree hybrid circuit in the X-axis direction is that the two waveguides 41 and 42 each have a shape such that two arcs are continuously connected, and that the connection point of the arcs and two This is the case where the intersections 43 of the waveguides of are coincident with each other. In FIG. 4, a part where the two waveguides 41 and 42 are parallel to the Y axis is drawn around the intersection. When the intersection angle formed by the tangents of the two waveguides is Θ and the radius of the arc portion of the two waveguides is r, the inter-waveguide distance G of the two waveguides 41 and 42 that intersect each other is expressed by the following equation. It
G=2r×sin(Θ/4) Formula (1)
Expression (1) is an index for determining the length of one 90-degree hybrid circuit in the X-axis direction, that is, the length of the functional element arrangement (X-axis) direction in FIG.

図5は、90度ハイブリッド回路における交差角度と導波路間距離Gの関係を示した図である。ここで、導波路の円弧部の半径をrとして、現在のPLC回路で通常用いられる最小値である2mmを用いた。図5からわかるように、交差角度Θが大きくなるほど、90度ハイブリッド回路内の導波路間距離Gが大きくなる。90度ハイブリッド回路の小型化を考慮すれば、当然、交差角度として最大の90度を用いることはなく、できる限り交差角度を小さくすれば良い。実際には、交差角度に90度ハイブリッド回路の光学特性上から決定される最小値が存在し、これにより隣接する導波路間距離Gに上限値および下限値が決定される。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the crossing angle and the waveguide distance G in the 90-degree hybrid circuit. Here, the radius of the circular arc portion of the waveguide is set to r, and 2 mm which is the minimum value usually used in the current PLC circuit is used. As can be seen from FIG. 5, the larger the crossing angle Θ, the larger the inter-waveguide distance G in the 90-degree hybrid circuit. Considering miniaturization of the 90-degree hybrid circuit, naturally, the maximum crossing angle of 90 degrees is not used, and the crossing angle may be made as small as possible. In reality, the intersection angle has a minimum value determined from the optical characteristics of the 90-degree hybrid circuit, and the upper limit value and the lower limit value are determined for the distance G between adjacent waveguides.

交差角度の適切な範囲は、図4の2本の導波路41、42の交差角度が小さくなると損失が増加する現象から規定される。一般的に、90度ハイブリッド回路の2本の導波路41、42の交差角度が浅くなりゼロに近づくと、一方の導波路の光信号が交差する他方導波路側に漏えいし、挿入損失の増加を招く。実際の回路においては、挿入損失は高次モード(放射モード)や結合モード(交差する導波路への漏えい)を励振することで発生する。高次モードや結合モードの励振状態は交差部(交差エッジ部)の形状にも大きく依存することから、ビーム伝搬法(BPM:beam propagation method)などの解析手法で定量的に予測することが難しく、実使用状態におけるテスト回路の測定結果から求めることが一般的である。 The appropriate range of the crossing angle is defined by the phenomenon that the loss increases as the crossing angle of the two waveguides 41 and 42 in FIG. 4 decreases. Generally, when the crossing angle of the two waveguides 41 and 42 of the 90-degree hybrid circuit becomes shallow and approaches zero, the optical signal of one waveguide leaks to the other waveguide side where it crosses, and the insertion loss increases. Invite. In an actual circuit, the insertion loss is generated by exciting a higher-order mode (radiation mode) or a coupling mode (leakage to the intersecting waveguide). Since the excited states of the higher-order modes and the coupled modes largely depend on the shape of the intersection (intersection edge), it is difficult to quantitatively predict them by an analysis method such as a beam propagation method (BPM). Generally, it is obtained from the measurement result of the test circuit in the actual use state.

図6は、90度ハイブリッド回路における導波路交差角度Θと交差により生じる損失の関係を示す図である。図6より、交差角度Θを小さく(浅く)するに従って損失が増加し、損失が0.5dBとなる15°より交差角度Θが小さい領域では、急激に光損失が上昇することがわかる。交差角度Θが15°のときの2本の導波路41、42の導波路間距離Gは図5から概ね250μmである。一方、図6から、交差による損失が十分に小さく損失の減少量が飽和する、交差角度Θの最大値として50°を決定した。これ以上交差角を大きくしても損失は減少しないため、大きくする意味がないからである。図6において交差角度50°の場合の2本の導波路41、42の導波路間距離Gは、図5から870μmと求められる。したがって、90度ハイブリッド回路における内側の2本の導波路間距離Gは、250μmから870μmとなる。 FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the waveguide crossing angle Θ and the loss caused by the crossing in the 90-degree hybrid circuit. It can be seen from FIG. 6 that the loss increases as the intersection angle Θ becomes smaller (shallow), and the optical loss sharply increases in the region where the intersection angle Θ is smaller than 15° where the loss becomes 0.5 dB. The inter-waveguide distance G between the two waveguides 41 and 42 when the intersection angle Θ is 15° is approximately 250 μm from FIG. On the other hand, from FIG. 6, 50° was determined as the maximum value of the intersection angle Θ at which the loss due to the intersection is sufficiently small and the reduction amount of the loss is saturated. This is because there is no point in increasing the loss because the loss does not decrease even if the crossing angle is increased. In FIG. 6, the inter-waveguide distance G between the two waveguides 41 and 42 when the crossing angle is 50° is obtained from FIG. 5 to be 870 μm. Therefore, the distance G between the two inner waveguides in the 90-degree hybrid circuit is 250 μm to 870 μm.

図7は、本発明のデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器おける機能要素に関連する最小値の定義を示した図である。1つの90度ハイブリッドは4本の導波路を含むため、上で求めた導波路間距離Gの最小値250μmを3倍した長さ750μmが、概ね90度ハイブリッドおけるX軸方向(図2の機能要素の配置方向)の最小値X1minとなる。したがって、2つの90度ハイブリッド29a、29bがX軸方向に並んだハイブリッド回路29のX軸方向の最小値は、X1min×2=1.5mmとなる。90度ハイブリッドの周辺部には、基板端部や隣接する機能要素との間である程度のマージンが必要となるが、次に述べる最小値X4minとX1minとの間の重複分をこのマージンに割り当てれば、90度ハイブリッド回路29においてX1min=×2=1.5mmの値は概ね妥当である。以下では、図7の定義に従って、さらに各機能要素に関連する最小値を求める。 FIG. 7 is a diagram showing the definition of the minimum value related to the functional elements in the optical receiver for digital coherent optical transmission of the present invention. Since one 90-degree hybrid includes four waveguides, a length of 750 μm, which is three times the minimum value 250 μm of the inter-waveguide distance G obtained above, is approximately 750 μm in the X-axis direction (function of FIG. 2). It becomes the minimum value X 1min of the element arrangement direction). Therefore, the minimum value in the X-axis direction of the hybrid circuit 29 in which the two 90-degree hybrids 29a and 29b are arranged in the X-axis direction is X 1min ×2=1.5 mm. The 90-degree hybrid peripheral part needs a certain margin between the substrate edge and the adjacent functional element, but the overlap between the minimum values X 4min and X 1min described below is set to this margin. If assigned, the value of X 1min =×2=1.5 mm in the 90-degree hybrid circuit 29 is almost appropriate. In the following, the minimum value associated with each functional element will be obtained according to the definition of FIG.

図7を再び参照すると、90度ハイブリッド回路29の最小値X1minと一部重複し、溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxを決定する第2の要因は、偏波ローテータ22と、下側の90度ハイブリッド29bとを接続する導波路28bの折り返し部71の前後の部分の間隔X4minである。X4minは、導波路28bの曲率半径の2倍となる。先にも図4で交差部の導波路間距離Gを求めたときに述べたように、本発明ではPLC回路おいて一般的な曲率半径rの最小値2mmを使用する。したがって、rを2倍してX4min=4mmとなる。既に述べた90度ハイブリッド回路29の最小値X1minと、X4minは、一部が重複している。先に述べたように、この重複部分を90度ハイブリッドの周辺部等のためのマージンに割り当てることができる。尚、導波路の構造・材料によって、曲率半径rをさらに小さくできる場合には、X4min=2rとすれば良い。 Referring again to FIG. 7, the second factor that partially overlaps the minimum value X 1min of the 90-degree hybrid circuit 29 and determines the maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 is the polarization rotator 22. , The distance X 4min between the front and rear portions of the folded portion 71 of the waveguide 28b that connects the lower 90-degree hybrid 29b. X 4min is twice the radius of curvature of the waveguide 28b. As described above when the inter-waveguide distance G at the crossing portion is obtained in FIG. 4, the minimum value 2 mm of the general curvature radius r in the PLC circuit is used in the present invention. Therefore, r is doubled so that X 4min =4 mm. The minimum value X 1min and X 4min of the 90-degree hybrid circuit 29 described above partially overlap. As mentioned above, this overlap can be allocated to margins for the periphery of the 90 degree hybrid, etc. When the radius of curvature r can be further reduced depending on the structure and material of the waveguide, X 4min =2r may be set.

X軸上で、溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxを決定する第3の要因は、偏波ローテータ22と、PBS21との間を接続する導波路28aの折り返し部72の前後の部分の間隔X3minである。ここでは図7に示したように、X3minを、溝27の上端部からPBS21の最近傍部の導波路28aまでの距離とする。X3minは、溝27の導波路28a上側へのはみ出し部分を除けば、X4minと同様に導波路28aの曲率半径rの最小値の2倍となる。ここでもPLC回路おいて一般的な曲率半径rの最小値2mmを使用する。したがって、rを2倍してX3min=4mmとなる。次に述べるPBS21に関する最小値X2minとX3minは、一部が重複しているが、この重複分は、溝27の導波路28a上側へのはみ出し部分に割り当てる。尚、導波路の構造・材料によって、曲率半径rをさらに小さくできる場合には、X3min=2rとすれば良い。 The third factor that determines the maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 on the X-axis is that before and after the folded portion 72 of the waveguide 28 a that connects the polarization rotator 22 and the PBS 21. The interval X 3 min between the parts. Here, as shown in FIG. 7, X 3min is the distance from the upper end of the groove 27 to the waveguide 28a at the nearest portion of the PBS 21. X 3min is twice the minimum value of the radius of curvature r of the waveguide 28a, similar to X 4min , except for the protruding portion of the groove 27 to the upper side of the waveguide 28a. Also in this case, the minimum value 2 mm of the radius of curvature r generally used in the PLC circuit is used. Therefore, r is doubled so that X 3min =4 mm. Minimum X 2min and X 3min relates PBS21 described next is partially overlap, the overlapping amount is allocated to protruding portion of the waveguide 28a upper groove 27. If the radius of curvature r can be further reduced depending on the structure and material of the waveguide, X 3min =2r may be set.

X軸上で、さらに溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxを決定する第4の要因は、PBS21のX軸上でのサイズであって、図7に示したように、PBS21の上側の導波路23と、溝26の下端部までの間隔X2minとなる。PBS21の2本の導波路間隔は、2つの溝25、26をX軸方向で重ねて一部が相対するように配置することで500μmまで近づけることができる。また、溝25、26は、それぞれ、溝内に挿入する波長板の取り扱いやすさを考慮すると最短で1mmの長さとなる。溝26は、2本のアーム導波路23、24の間の領域に入っているので、X2minは1〜1.5mmとなるが、前述のX2minとX3minの重複部分も加味して、X2minは1mmとした。尚、PBS21では両方の導波路にそれぞれ溝が挿入されるため、溝によって解放される応力の影響は、対称に相互の導波路に及ぶ。したがって、1つの溝と他方の導波路との距離は、偏波ローテータ22の最小値250μmよりもさらに近接させることができる。 The fourth factor that further determines the maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 on the X-axis is the size of the PBS 21 on the X-axis, and as shown in FIG. The distance between the upper waveguide 23 and the lower end of the groove 26 is X 2 min . The distance between the two waveguides of the PBS 21 can be brought close to 500 μm by arranging the two grooves 25 and 26 so as to overlap each other in the X-axis direction so that the two parts face each other. In addition, the grooves 25 and 26 each have a length of 1 mm at the shortest in consideration of easy handling of the wave plate inserted in the grooves. Since the groove 26 is located in the area between the two arm waveguides 23 and 24, X 2min is 1 to 1.5 mm, but considering the overlapping portion of X 2min and X 3min described above, X 2min was 1 mm. Since grooves are inserted in both waveguides in the PBS 21, the influence of stress released by the grooves symmetrically affects the mutual waveguides. Therefore, the distance between one groove and the other waveguide can be made closer than the minimum value 250 μm of the polarization rotator 22.

上述のX軸方向についての各機能要素内または機能要素間の最小値X1min、X4min、X3min、X2minが求まれば、基板の長さX0からこれらの最小値の合計Xtotalを差し引いて、偏波ローテータ22における溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxを決定できる。
total=X1min×2+X4min+X3min+X2min 式(2)
max=X0−Xtotal 式(3)
Minimum X 1min between the functional elements in or functional elements in the X-axis direction described above, X 4min, X 3min, if the X 2min obtained, the total X total of these minimum values from the length X 0 of the substrate The maximum value d max of the groove-adjacent waveguide distance 35 in the polarization rotator 22 can be determined by subtracting it.
X total = X 1min × 2 + X 4min + X 3min + X 2min formula (2)
d max =X 0 −X total formula (3)

式(3)に、X1min=1.5mm、X4min=4mm、X3min=4mm、X2min=1mmの各値を代入すると、溝―隣接導波路間距離35の最大値dmaxは、次式で求められる。
max=X0−10.5(mm) 式(4)
In equation (3), X 1min = 1.5mm , X 4min = 4mm, X 3min = 4mm, by substituting each value of X 2min = 1 mm, the grooves - the maximum value d max of the adjacent waveguide distance 35, the following It is calculated by the formula.
d max =X 0 -10.5 (mm) Formula (4)

図2において、デジタルコヒーレント光伝送用の光受信器を作製する基板のX軸方向の長さX0は、OIF仕様(非特許文献2)のType1のパッケージでは長辺のサイズが27mm、Type2のパッケージでは16mmと規定されている。例えば、Type2パッケージのサイズに適合させて、Type2パッケージ内に図2の受信器200を収納する場合には、基板サイズX0を15mmとすると、偏波ローテータ22における溝―隣接導波路間距離35の取り得る最大値dmaxは、15−10.5=4.5mmとなる。この最大値dmaxは、本発明の構成の溝を利用して、上述の各機能要素内、機能要素間の最小値X1min、X4min、X3min、X2minが同時に生じた場合の値であり、本発明の溝とともに図2の機能要素の配置に従うデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器200で成立する。結局、図3から求められた溝―隣接導波路間距離35の最小値と、式(4)を合わせると、機能要素の配置方向(X軸)に関して基板のサイズをX0(mm)としたとき、偏波ローテータ22における溝―隣接導波路間距離35すなわちdの範囲は以下の通りとなる。
0.25 < d < X0 −10.5 (mm) 式(5)
In FIG. 2, the length X 0 in the X-axis direction of the substrate for manufacturing the optical receiver for digital coherent light transmission is 27 mm for the Type 1 package of the OIF specification (Non-Patent Document 2), and the length of the Type 2 is It is specified as 16 mm in the package. For example, when the receiver 200 of FIG. 2 is accommodated in the Type 2 package so as to fit the size of the Type 2 package, if the substrate size X 0 is 15 mm, the groove-adjacent waveguide distance 35 in the polarization rotator 22 is 35. The maximum value d max that can be taken is 15-10.5=4.5 mm. The maximum value d max, using the groove configuration of the present invention, in the functional elements described above, the minimum value X 1min between functional elements, X 4min, X 3min, a value when the X 2min occur simultaneously Yes, the optical receiver 200 for digital coherent optical transmission according to the arrangement of the functional elements of FIG. After all, when the minimum value of the groove-adjacent waveguide distance 35 obtained from FIG. 3 is combined with the equation (4), the size of the substrate is defined as X 0 (mm) in the arrangement direction (X axis) of the functional element. At this time, the groove-adjacent waveguide distance 35, that is, the range of d, in the polarization rotator 22 is as follows.
0.25 <d <X 0 -10.5 (mm) Formula (5)

したがって本発明は、基板上に構成された光導波路型デバイスにおいて、2本のアーム導波路23、24と、前記2本のアーム導波路をそれぞれのみを横切るように構成され、λ/4波長板を挿入可能な2つの溝25、26とを有する偏波ビームスプリッタ(PBS)21であって、前記2本のアーム導波路に垂直な方向で前記2つの溝の一部が相対するよう配置された、PBSと、λ/2波長板を挿入できる溝27を備えた第1の導波路28aと、溝の無い第2の導波路28bとを有する偏波ローテータ22と、各々が、2つの光分岐器および2つの光結合器の間に4本の導波路を含み、前記4本の導波路の内側の2本が交差するよう構成された、2つの90度ハイブリッド29a、29bを有するミキサとを備え、前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサは、この順に縦続して、それぞれの間を光学的に接続する2つの折り返し導波路部71、72を介して、概ねS字または逆S字状に配置されており、前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサの各々の前記導波路は、少なくとも一部で相互に平行となるように構成されており、前記平行な方向をY軸、前記Y軸に垂直な方向をX軸とするとき、前記偏波ローテータにおいて、前記第1の導波路を横切る前記溝の前記第2の導波路側の端部と、前記第2の導波路との、X軸上の溝―導波路間間隔dは、0.25<d(mm)の範囲にあることを特徴とする光導波路型デバイスとして実施できる。 Therefore, according to the present invention, in an optical waveguide type device formed on a substrate, the two arm waveguides 23 and 24 and the two arm waveguides are configured to traverse only the respective λ/4 wavelength plates. A polarization beam splitter (PBS) 21 having two grooves 25 and 26 into which the two grooves can be inserted, and the two beams are arranged so that a part of the two grooves face each other in a direction perpendicular to the two arm waveguides. Further, a polarization rotator 22 having a PBS, a first waveguide 28a having a groove 27 into which a λ/2 wavelength plate can be inserted, and a second waveguide 28b having no groove, and a polarization rotator 22 each having two lights A mixer having two 90-degree hybrids 29a, 29b, which is configured to include four waveguides between a branching device and two optical couplers, and two inner waveguides of the four waveguides are crossed with each other. The PBS, the polarization rotator, and the mixer are cascaded in this order, and are generally S-shaped or inverted S-shaped via two folded waveguide portions 71 and 72 that optically connect between them. And the waveguides of the PBS, the polarization rotator, and the mixer are configured to be parallel to each other at least in part, and the parallel direction is defined as the Y-axis. When the direction perpendicular to the Y axis is taken as the X axis, in the polarization rotator, the second waveguide side end of the groove crossing the first waveguide and the second waveguide are formed. The distance d between the groove on the X-axis and the waveguide is in the range of 0.25<d (mm), which can be implemented as an optical waveguide device.

上述の検討では、偏波ローテータ22における溝27は、PBS側にある導波路28a上にあるものとして説明したが、90度ハイブリッド側にある導波路28b上に溝が形成され、導波路28aが溝の無い導波路として構成しても良い。この場合には、X3minとX4minを入れ替えて考えれば、図7で定義された機能要素の最小値に関する式(2)〜式(4)の関係が同様に成り立つ。 In the above-mentioned examination, the groove 27 in the polarization rotator 22 has been described as being on the waveguide 28a on the PBS side, but a groove is formed on the waveguide 28b on the 90-degree hybrid side and the waveguide 28a is formed. You may comprise as a waveguide without a groove|channel. In this case, if X 3min and X 4min are interchanged, the relations of the equations (2) to (4) regarding the minimum value of the functional element defined in FIG. 7 are similarly established.

本発明の光導波路型デバイスでは光回路サイズが小さくなったことに伴って、導波路と薄膜を挿入する溝との境界面で発生する光反射が光受信器としての性能に影響を及ぼす可能性がある。光反射減衰量を十分抑制するため、図2に示したように、各溝25、26、27の導波路と溝の境界面の角度が98度となるように溝を構成した。溝の向きを直角よりも所定の角度を付けることで、PBS21では、隣り合う溝25、26を導波路に垂直な軸上で一部が相対するように配置し、各溝はそれぞれが横切る対応する導波路のみを横切るようにレイアウトできる。1つの溝は、1つの導波路のみを横切る様に構成される。言い換えると、本発明における溝は、対応する導波路のみを横切り、近接して配置されている他の導波路を横切らない。 In the optical waveguide type device of the present invention, as the size of the optical circuit becomes smaller, the light reflection generated at the interface between the waveguide and the groove into which the thin film is inserted may affect the performance as an optical receiver. There is. In order to sufficiently suppress the light reflection attenuation amount, as shown in FIG. 2, the grooves were formed such that the angle between the waveguides of the grooves 25, 26 and 27 and the boundary surface between the grooves was 98 degrees. In the PBS 21, by arranging the grooves at a predetermined angle rather than a right angle, the adjacent grooves 25 and 26 are arranged so that some of them face each other on the axis perpendicular to the waveguide, and each groove crosses each other. It can be laid out so that it crosses only the waveguide to be used. One groove is configured to cross only one waveguide. In other words, the groove according to the present invention traverses only the corresponding waveguide, and does not traverse other closely arranged waveguides.

本発明の光導波路型デバイスは、従来技術の光導波路設計技術を用いたままで、ディープエッチング技術を使用しながら溝の形状を変更するだけで、光回路のサイズの縮小を可能とする。光干渉回路の光学特性、すなわち挿入損失、PBSにおける偏波消光比、90度ハイブリッドにおける位相誤差、同相信号除去比などは、従来技術による光回路の場合と全く同等の性能を得ることが可能である。 The optical waveguide type device of the present invention enables reduction of the size of the optical circuit by simply changing the shape of the groove while using the deep etching technique while using the conventional optical waveguide design technique. The optical characteristics of the optical interference circuit, that is, the insertion loss, the polarization extinction ratio in PBS, the phase error in the 90-degree hybrid, the common-mode signal rejection ratio, etc., can achieve the same performance as that of the optical circuit according to the prior art. Is.

上述のように、本発明の光導波路型デバイスでは、上述の特徴的な溝の構成を備えることによって、溝の構成に関する回路設計の柔軟性および光学的な性能上での大きな制約を解消し、光回路のサイズの大幅な小型化を実現する。さらに偏波ローテータにおいて、溝と、隣接する溝の無い導波路との間の距離を最小値dminの250μm以上とすることによって、PERの劣化が抑えられ、溝の無い導波路における偏波保持性が損なわれることもない。また本発明の光導波路型デバイスは、所定の基板長さX0の条件の下、偏波ローテータにおける、溝と、隣接する溝の無い導波路との間の距離の最大値dmaxの範囲内で、本発明に特有の溝を持つデジタルコヒーレント光伝送用の光受信器を構成できる。特定の回路配置の条件で、所定の大きさの基板上でPLC回路を用いて光受信器を実現するときの、薄膜素子を挿入する溝と隣接する導波路との間の距離の指標が与えられる。 As described above, in the optical waveguide type device of the present invention, by providing the above-mentioned characteristic groove configuration, it is possible to eliminate a large constraint on the flexibility and the optical performance of the circuit design regarding the groove configuration, The size of the optical circuit is greatly reduced. Further, in the polarization rotator, the distance between the groove and the adjacent waveguide having no groove is set to 250 μm or more, which is the minimum value d min , so that the deterioration of the PER is suppressed and the polarization is maintained in the waveguide having no groove. There is no loss of sex. Further, the optical waveguide device of the present invention is within the range of the maximum value d max of the distance between the groove and the adjacent waveguide having no groove in the polarization rotator under the condition of the predetermined substrate length X 0 . Thus, an optical receiver for digital coherent optical transmission having a groove unique to the present invention can be constructed. An index of the distance between a groove into which a thin film element is inserted and an adjacent waveguide is given when an optical receiver is realized by using a PLC circuit on a substrate of a predetermined size under a specific circuit arrangement condition. To be

上述の溝―導波路間間隔dの最大値dmaxの検討では、現時点のPLC回路で実施されている光導波路の円弧部の最小の曲率半径rの値を2mmと仮定して、最大値を決定した。しかしながら、光導波路の構成・材料によっては、将来的により小さい曲率半径を実現できる場合もある。その場合には、X軸方向についての各機能要素内または機能要素間の最小値X1min、X4min、X3minはこのより小さい曲率半径rの値に基づいて、変更され得る。したがって、そのような場合には、変更された最小値X1min、X4min、X3minによって、式(2)〜(4)を修正可能となり、溝―導波路間間隔dの最大値dmaxはさらに大きく設定できる。 In the examination of the maximum value d max of the groove-waveguide spacing d, the maximum value is assumed to be 2 mm, assuming that the minimum curvature radius r of the arc portion of the optical waveguide implemented in the PLC circuit at the present time is 2 mm. Decided. However, depending on the structure and material of the optical waveguide, a smaller radius of curvature may be realized in the future. In that case, the minimum values X 1min , X 4min , and X 3min within each functional element or between the functional elements in the X-axis direction can be changed based on the value of the smaller radius of curvature r. Therefore, in such a case, the equations (2) to (4) can be modified by the changed minimum values X 1min , X 4min , and X 3min , and the maximum value d max of the groove-waveguide spacing d is It can be set larger.

上述の実施例では、シリコン基板上に構成された石英系ガラス導波路型デバイスを例として説明したが、本発明は、導波路を構成する他の材料、例えば高分子、半導体、シリコン、イオン拡散型のニオブ酸リチウムなどを用いた光導波路型デバイスに対しても適用可能である。SiO2以外の各々の導波路材料においても、基板の水平方向に対して垂直な深さ方向に選択比の高いディープエッチング技術を利用することは可能である。ディープエッチング技術を利用して、溝を必要とする導波路に対して、対応する溝を1対1に構成することで、溝の構成に関する回路設計の柔軟性および光学的な性能に対する制約を解消し、光回路の小型化を実現できる。本発明の光導波路型デバイスは、光干渉回路を含むデジタルコヒーレント光伝送に用いられる光送受信器に非常に有効である。 In the above-described embodiments, the silica-based glass waveguide type device formed on the silicon substrate is described as an example, but the present invention is not limited to other materials forming the waveguide, such as polymer, semiconductor, silicon, and ion diffusion. It is also applicable to an optical waveguide type device using a lithium niobate type or the like. For each waveguide material other than SiO 2 , it is possible to use the deep etching technique having a high selection ratio in the depth direction perpendicular to the horizontal direction of the substrate. By using the deep etching technology, the corresponding groove is configured in a one-to-one correspondence with the waveguide that requires the groove, thereby eliminating the restrictions on the circuit design flexibility and the optical performance regarding the groove structure. In addition, the optical circuit can be downsized. The optical waveguide device of the present invention is very effective for an optical transmitter/receiver used for digital coherent optical transmission including an optical interference circuit.

以上、詳細に説明してきたように、本発明の光導波路型デバイスにより、光波長板などの薄膜素子を挿入する溝を有する光干渉回路の小型化を実現することができる。 As described above in detail, the optical waveguide device of the present invention can realize miniaturization of an optical interference circuit having a groove into which a thin film element such as an optical wave plate is inserted.

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光導波路型デバイスに利用できる。 The present invention can be generally used in communication systems. In particular, it can be used for an optical waveguide type device of an optical communication system.

1 基板
2 導波路層
3、25、26、27 溝
11、14、30、32 入力導波路
12、21 PBS
13、22 偏波ローテータ
15、31 VOA
16a、16b、29、29a、29b 90度ハイブリッド回路
17、34 信号光モニタ導波路
18a、18b、33a、33b 出力導波路
23、24 アーム導波路
28a、28b 導波路
35 溝―導波路間距離
71、72 折り返し導波路
100、200 光受信器
1 substrate 2 waveguide layer 3, 25, 26, 27 groove 11, 14, 30, 32 input waveguide 12, 21 PBS
13,22 Polarization rotator 15,31 VOA
16a, 16b, 29, 29a, 29b 90 degree hybrid circuit 17, 34 Signal light monitor waveguide 18a, 18b, 33a, 33b Output waveguide 23, 24 Arm waveguide 28a, 28b Waveguide 35 Groove-waveguide distance 71 , 72 Folded waveguide 100, 200 Optical receiver

Claims (4)

シリコン基板上に構成された石英系材料の光導波路型デバイスにおいて、
2本のアーム導波路と、前記2本のアーム導波路をそれぞれのみを横切るように構成され、λ/4波長板を挿入可能な2つの溝とを有する偏波ビームスプリッタ(PBS)であって、前記2本のアーム導波路に対して垂直よりも傾けて、当該垂直より傾けた方向で前記2つの溝の一部が相対するよう配置された、PBSと、
λ/2波長板を挿入できる溝を備えた第1の導波路と、溝の無い第2の導波路とを有する偏波ローテータと、
各々が、2つの光分岐器および2つの光結合器の間に4本の導波路を含み、前記4本の導波路の内側の2本が交差するよう構成された、2つの90度ハイブリッドを有するミキサと
を備え、
前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサは、この順に縦続して、それぞれの間を光学的に接続する2つの折り返し導波路部を介して、概ねS字または逆S字状に配置され、前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサの各々の前記導波路は、少なくとも一部で相互に平行となるように構成されており、
前記平行な方向をY軸、前記Y軸に垂直な方向をX軸とするとき、前記偏波ローテータにおいて、前記第1の導波路を横切る前記溝の前記第2の導波路側の端部と、前記第2の導波路との、X軸上の溝―導波路間間隔dは、
0.25 < d (mm)
の範囲にあることを特徴とする光導波路型デバイス。
In an optical waveguide type device made of a silica-based material formed on a silicon substrate,
A polarization beam splitter (PBS) having two arm waveguides and two grooves configured to traverse only the two arm waveguides, respectively, into which a λ/4 wave plate can be inserted. A PBS which is tilted with respect to the two arm waveguides rather than perpendicular and is arranged such that a part of the two grooves face each other in a direction tilted with respect to the perpendicular.
a polarization rotator having a first waveguide having a groove into which a λ/2 wave plate can be inserted, and a second waveguide having no groove;
Two 90 degree hybrids each comprising four waveguides between two optical splitters and two optical couplers, the two inside of said four waveguides being configured to intersect. And a mixer having
The PBS, the polarization rotator, and the mixer are cascaded in this order, and are arranged in an approximately S-shape or an inverted S-shape via two folded waveguide portions that optically connect between them. The waveguides of each of the PBS, the polarization rotator, and the mixer are configured to be parallel to each other at least in part.
When the parallel direction is the Y-axis and the direction perpendicular to the Y-axis is the X-axis, in the polarization rotator, an end portion of the groove crossing the first waveguide on the second waveguide side is formed. The distance d between the groove and the waveguide on the X axis with respect to the second waveguide is
0.25 <d (mm)
An optical waveguide type device characterized in that
前記シリコン基板のX軸方向の長さをX0
前記90度ハイブリッドのX軸方向の長さの最小値をX1min
前記90度ハイブリッドの前記偏波ローテータ側の一方と、前記偏波ローテータとの間を接続する前記第2の導波路の前記折り返し導波路部の、折り返しの両端部間のX軸方向の距離をX4min
前記PBSの前記第1の導波路を横切る前記溝の前記第2の導波路側の前記端部と、前記PBSの出力側との間を接続する前記第1の導波路の前記折り返し導波路部の、折り返しの両端部間のX軸方向の距離をX3min
前記PBSの前記偏波ローテータ側の前記アーム導波路から、もう一方のアーム導波路上を横切る前記溝の遠い端部までのX軸方向の距離をX2minとし、
total=X1min×2+X4min+X3min+X2min
とするとき、前記溝―導波路間間隔dは、0.25<d<X0−Xtotal(mm)の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載の光導波路型デバイス。
The length of the silicon substrate in the X-axis direction is X 0 ,
The minimum value of the length of the 90-degree hybrid in the X-axis direction is X 1min ,
A distance in the X-axis direction between both ends of the folded portion of the folded waveguide portion of the second waveguide that connects between one side of the 90-degree hybrid on the polarization rotator side and the polarization rotator. X 4min ,
The folded waveguide part of the first waveguide that connects between the end of the groove that crosses the first waveguide of the PBS on the second waveguide side and the output side of the PBS. The distance in the X-axis direction between both ends of the turn back is X 3min ,
The distance in the X-axis direction from the arm waveguide on the polarization rotator side of the PBS to the far end of the groove that crosses over the other arm waveguide is X 2min ,
X total = X 1min × 2 + X 4min + X 3min + X 2min
When the said groove - between the waveguides spacing d is 0.25 <optical waveguide device according to claim 1, characterized in that the range of d <X 0 -X total (mm ).
前記シリコン基板のX軸方向の長さをX0とすると、前記溝―導波路間間隔dは、0.25<d <X0−10.5(mm)の範囲にあることを特徴とする請求項1または2に記載の光導波路型デバイス。 When the length of the silicon substrate in the X-axis direction is X 0 , the groove-waveguide spacing d is in the range of 0.25<d<X 0 -10.5 (mm). optical waveguide device according to claim 1 or 2. 前記PBS、前記偏波ローテータおよび前記ミキサは、デジタルコヒーレント通信用光受信器の一部を構成することを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の光導波路型デバイス。 The PBS, the polarization rotator and the mixer, an optical waveguide device according to any claims 1 to 3, characterized in that it constitutes a part of the digital coherent communication optical receivers.
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