JP6977672B2 - 調芯用光回路および光調芯方法 - Google Patents

Description

本発明は、グレーティングカプラと光ファイバとの光接続に用いる調芯用光回路および光調芯方法に関する。

光通信のトラフィック増大に伴って、光送受信器の高速化・小型化と共に低コスト化が求められている。光送受信器の小型・低コスト化には、構成部品である光フィルターや光変調器等を含む光回路についても、低コストに製造可能でありより小型なものが求められる。

小型な光回路を低コストに実現する技術として、近年シリコンフォトニクス（Silicon photonics：ＳｉＰｈ）が注目を集めており、ＳｉＰｈ光回路の研究開発が盛んに行われている。例えば、ＳｉＰｈ光回路を用いた機器の例として光送受信器がある。この光送受信器の製造コストのうち、実装・検査工程が占める割合は大きく、光送受信器の低コスト化を進めることが重要となっている。このためには、ＳｉＰｈ光回路をチップに切り出す前のウエハ上で検査して良品選別し、この後でチップに切り出して選別した良品のチップをモジュール実装することが望ましい。

ＳｉＰｈ光回路の検査としては、外部光源からＳｉＰｈ光回路に光を入射し、挿入損失（insertion loss：ＩＬ）や動作特性を評価する方法が一般的である。このため、外部からＳｉＰｈの光導波路に光を結合することが可能なグレーティングカプラ（Grating Coupler）が、ウエハ上での検査には重要となる。

グレーティングカプラを用いた検査では、従来、光ファイバからの入射光の角度・波長・偏波を設計値に設定したうえで、光ファイバを走査し、グレーティングカプラとの光結合効率が最大になる点を探索することで調芯を行っていた。

グレーティングカプラを用いた調芯用光回路について、図７を参照して説明する。例えば、図７の（ａ）に示すように、半導体からなるコア３０１から構成された光導波路の一端に形成されたグレーティングカプラ３０２と、コア３０１から構成された光導波路の他端に形成されたＧｅフォトダイオード３０３ａとを備える調芯用光回路がある。この調芯用光回路はでは、グレーティングカプラ３０２と結合した光のみが光導波路中を伝搬し、Ｇｅフォトダイオード３０３ａにおける光電流が信号として得られる。

また、図７の（ｂ）に示すように、コア３０１から構成された光導波路の他端には、反射部３０３ｂが形成されている調芯用光回路がある。この調芯用光回路では、グレーティングカプラ３０２と結合した光のみが光導波路中を伝搬し、調芯用光回路からの戻り光が信号として得られる。

上述した信号が最大となるように、光ファイバを広範囲に走査し（粗調芯）、光ファイバとグレーティングカプラを調芯する。

ここで、非特許文献１に示されているように、グレーティングカプラの光結合効率は、平面座標のみならず、入射光の角度・偏波・波長に敏感である。従って、高効率な光結合のためには、光ファイバとグレーティングカプラの間のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、および各軸に対する角度の６軸の調芯に加え、偏波・波長をあわせることが必要となる。

このような調芯においては、光ファイバの位置を走査・掃引することで、グレーティングカプラとの光結合がとれる位置に移動し（粗調芯）、さらにグレーティングカプラと光ファイバが結合している状態で精密な位置合わせ、角度・波長・偏波あわせ（微調芯）を行っている。

D. Taillaert et al., "An Out-of-Plane Grating Coupler for Efficient Butt-Coupling Between Compact Planar Waveguides and Single-Mode Fibers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 38, no. 7, pp. 949-955, 2002. A. Mekis et al., "A Grating-Coupler-Enabled CMOS Photonics Platform", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 17, no. 3, pp. 597-608, 2011.

前述したように、ＳｉＰｈ光回路へ光を入射するためには、光ファイバとグレーティングカプラとの精密な調芯および、偏波・波長あわせが必要となる。精密な調芯および、偏波・波長あわせを行うためには、光ファイバとグレーティングカプラが結合し、調芯用の信号が確認できる状態が重要となる。

しかしながら、グレーティングカプラは他の光回路と比較して製造ばらつきが大きく、最適な結合位置や角度・波長には設計からのずれや個体差がでやすい。さらに、調芯用光回路からの戻り光を信号として用いる調芯では、光回路が形成されている基板の表面の光回路周辺構造からの散乱光が、戻り光に背景雑音として重畳してしまう。また、フォトダイオードの光電流を信号として用いる調芯では、フォトダイオードの暗電流が背景雑音として重畳する。

特に、粗調芯時の光ファイバの角度・波長・偏波が最適な条件から大きくずれるときは、Ｓ／Ｎ比が極端に低下するため、調芯用光回路からの応答信号が雑音に埋もれてしまい、粗調芯および、この後の微調芯が困難になるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、調芯用光回路を用いた光調芯におけるＳ／Ｎ比が改善できるようにすることを目的とする。

本発明に係る調芯用光回路は、半導体からなるコアから構成されて基板の上に形成された光導波路と、光導波路の一端のコアに形成されたグレーティングによるグレーティングカプラと、光導波路の他端に光導波路に光学的に結合して形成された反射部または光検出部と、グレーティングカプラのコアに形成されたｐ型領域およびｎ型領域によるフォトダイオードとを備える。

上記調芯用光回路において、ｐ型領域およびｎ型領域の各々は、グレーティングの配列方向に延在する平面視矩形の領域に形成され、ｐ型領域およびｎ型領域は、グレーティングの配列方向に直交して基板の平面に平行な方向に配列されている。

上記調芯用光回路において、ｐ型領域およびｎ型領域の各々は、複数形成されて交互に配列されている。

上記調芯用光回路において、半導体は、シリコンである。

本発明に係る光調芯方法は、上記調芯用光回路を用いた光調芯方法であって、調芯対象の光ファイバより出射した調芯用光がグレーティングカプラに光結合可能な状態とする粗調芯をする第１工程と、粗調芯の後で調芯用光のグレーティングカプラへの光結合が最大となる状態にする微調芯をする第２工程とを備え、第１工程では、光導波路を導波する第１光とフォトダイオードが感度を有する波長の第２光とを多重させた光を、調芯対象の光ファイバに導波させて出射端より調芯用光として出射させる。

以上説明したように、本発明によれば、グレーティングカプラのコアに形成されたｐ型領域およびｎ型領域によるフォトダイオードを備えるようにしたので、調芯用光回路を用いた光調芯におけるＳ／Ｎ比が改善できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における調芯用光回路の構成を示す平面図である。 図２は、実際に作製した調芯用光回路の光学顕微鏡写真である。 図３は、シリコンからなるフォトダイオード１０７に対してバイアスを印加したときの電流電圧特性を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態における調芯用光回路を用いた光調芯方法について説明するための構成図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態における調芯用光回路を用いた光調芯方法について説明するための斜視図である。 図５Ａは、実施の形態における調芯用光回路で粗調芯を実施した場合の、光ファイバの位置に対する受信信号の分布を示す分布図である。 図５Ｂは、実施の形態における調芯用光回路で粗調芯を実施した場合の、光ファイバの位置に対する受信信号の分布を示す分布図である。 図６は、図５Ａ、図５Ｂの中心位置におけるＸ軸断面プロファイルを示す特性図である。 図７は、グレーティングカプラを用いた調芯用光回路の構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態おける調芯用光回路について図１，図２を参照して説明する。この調芯用光回路は、まず、半導体からなるコア１０２から構成されて基板１０１の上に形成された光導波路を備える。この光導波路の一端には、グレーティングカプラ１０３が設けられている。

グレーティングカプラ１０３は、光導波路の一端におけるコア１０２の上面に形成された複数の溝によるグレーティングから構成されている。光導波路の一端にかけて、コア１０２はコア幅が徐々に拡大するテーパ部１０２ａを備える。テーパ部１０２ａによりテーパ光導波路が構成されている。グレーティングカプラ１０３は、コア１０２により光導波路と、テーパ部１０２ａによるテーパ光導波路を介し、断熱的に接続されている。なお、グレーティングカプラ１０３は、非特許文献２のＦｉｇ．３に示されているような扇形などの構造とされていてもよい。

また、この調芯用光回路は、上述した光導波路の他端に光導波路に光学的に結合して形成された反射部１０４を備える。反射部１０４の代わりに光検出部を設けてもよい。

半導体は、例えば、シリコンである。基板１０１は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であり、この埋め込み絶縁層が下部クラッドとなり、表面シリコン層をパターニングすることでコア１０２，グレーティングカプラ１０３におけるグレーティングなどが形成されている。このように構成された下部クラッド、コア１０２，およびコア１０２の上部の空気層を上部クラッドとして光導波路が構成されている。上部クラッドは、ＳｉＯ₂およびＳｉＮの２層構造としてもよい。

上述した構成のよく知られた調芯用光回路に、実施の形態では、グレーティングカプラ１０３のコア１０２に形成されたｐ型領域１０５およびｎ型領域１０６によるフォトダイオード１０７を備える。この例では、ｐ型領域１０５およびｎ型領域１０６の各々は、グレーティングの配列方向に延在する平面視矩形の領域に形成され、ｐ型領域１０５およびｎ型領域１０６は、グレーティングの配列方向に直交して基板１０１の平面に平行な方向に配列されている。

また、この例では、ｐ型領域１０５およびｎ型領域１０６の各々は、複数形成されて交互に配列されている。なお、複数のｐ型領域１０５は、ｐ型引き出し部１０５ａに接続して等電位とされている。また、複数のｎ型領域１０６も、ｎ型引き出し部１０６ａに接続して等電位とされている。複数のｐ型領域１０５および複数のｎ型領域１０６は、各々櫛歯状に形成され、各櫛歯が、交互に入り込んで配置されている。また、この例では、隣り合うｐ型領域１０５とｎ型領域１０６とによりｐｎ接合が形成されている。

ｐ型引き出し部１０５ａおよびｎ型引き出し部１０６ａには、各々電極が接続されており、ｎ型引き出し部１０６ａを接地し、ｐ型引き出し部１０５ａに負のバイアス電圧を印加することで、ｐ型領域１０５とｎ型領域１０６とのｐｎ接合によるフォトダイオード１０７は、１．１３μｍより短い波長に対して感度を持つものとなる。

シリコンからなるフォトダイオード１０７に対してバイアスを印加したときの電流電圧特性を図３に示す。波長６３５ｎｍの赤色光を２Ｗ入射したときの光電流（ａ）と、暗電流（ｂ）とを示している。この結果より見積もられる受光感度は、約０．０５Ａ／Ｗ程度である。

なお、コア１０２の幅、グレーティングカプラ１０３の幅、グレーティングカプラ１０３の長さ、グレーティングカプラ１０３を構成するグレーティングの周期（溝ピッチ）、デューティー比、溝深さは、調芯用光回路の設計に合わせて適宜に設定する。例えば、コア１０２は、断面視で幅０．４４μｍ、高さ０．２２μｍとすればよい。また、グレーティングカプラ１０３は、幅を２０μｍ、長さを３０μｍとし、溝ピッチを０．６３５μｍ、デューティー比を０．５、溝深さを０．０７μｍとすればよい。

次に、本発明の実施の形態における調芯用光回路を用いた光調芯方法について、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明する。

まず、調芯対象の光ファイバより出射した調芯用光がグレーティングカプラ１０３に光結合可能な状態とする粗調芯をする（第１工程）。シリコンから構成した光導波路およびフォトダイオード１０７の場合、光導波路を導波する第１光（信号光）とフォトダイオード１０７が感度を有する波長の第２光（粗調芯用光）とを多重させた光を、調芯対象の光ファイバに導波させて出射端より調芯用光として出射させる。

例えば、図４Ａに示すように、光源２０１により粗調芯用の赤色光（波長６３５ｎｍ）と信号光のＩＲ光（波長１５５０ｎｍ）とを波長多重した光源光を生成し、この光源光を光サーキュレータ（Optical circulator）２０２を介して光ファイバ２０３に導波させる。この状態で、光ファイバ２０３を走査する。ここで、粗調芯用の粗調芯用光は、波長６３５ｎｍの赤色光に限らず、シリコンから構成されたフォトダイオード１０７が感度を有する１．１３μｍ以下の光であれば良い。また、信号光についても、調芯用光回路の設計に応じて、所望の波長を選択すれば良い。

上述した構成において、光ファイバ２０３を出射した光源光が、グレーティングカプラ１０３に結合すれば、光源光の中の信号光が、コア１０２による光導波路を伝搬する。この光導波路の他端に反射部１０４を設けておけば、反射部１０４で反射した戻り光は、再び光ファイバ２０３で受光され、光サーキュレータ２０２を介して光検出器２０４で検出される。従って、光検出器２０４で信号光をモニタしながら、光ファイバ２０３を走査することで、戻り光による調芯が実施できる。なお、反射部１０４の代わりに光導波路の他端に、Ｇｅフォトダイオードなどの光検出部を設けておけば、光検出部における光電流による調芯が実施できる。

一方、光ファイバ２０３を出射した光源光が、グレーティングカプラ１０３に結合した場合、光源光の中の赤色光（粗調芯用光）は、グレーティングカプラ１０３に設けられているフォトダイオード１０７で吸収され。フォトダイオード１０７に負のバイアスを印加しておき、赤色光の吸収による光電変換で生成される光電流を、ソースメジャーユニット（ＳＭＵ）２０５でモニタすることで、前述した信号光による調芯と同時に、赤色光を用いた調芯を行うことができる。

赤色光による調芯によって、グレーティングカプラ１０３に対する粗調芯を行い（第１工程）、この粗調芯によりグレーティングカプラ１０３と弱く結合している状態で、信号光を用いて微調芯および角度・偏波・波長あわせを行う（第２工程）。

赤色光による調芯において、赤色光はグレーティングカプラ１０３の領域に形成されたフォトダイオード１０７で直接吸収され、グレーティングカプラ１０３の光結合効率と無関係である。また、戻り光による調芯のように、周囲からの散乱光の影響も受けにくい。このため、図７を用いて説明した従来の調芯に比較して、高いＳ／Ｎで粗調芯を行うことができる。

図５Ａ、図５Ｂに、上述した実施の形態における調芯用光回路で粗調芯を実施した場合の、光ファイバの位置に対する受信信号の分布を示す。図５Ａは、ＩＲ光（信号光）に対する受信信号の分布である。図５Ｂは、赤色光（粗調芯用光）に対する受信信号の分布である。なお、光ファイバの角度が１０°、ＩＲ光の波長は１５５０ｎｍ、グレーティングカプラからの光ファイバの出射端までの高さは約１００μｍである。

また、図５Ａ、図５Ｂの中心位置におけるＸ軸断面プロファイルを図６に示す。図６の（ａ）は、ＩＲ光（信号光）に対する受信信号の分布の中心位置におけるＸ軸断面プロファイルを示している。また、図６の（ｂ）は、赤色光（粗調芯用光）に対する受信信号の分布の中心位置におけるＸ軸断面プロファイルを示している。図６に示すように、ＩＲ光に対する受信信号（ａ）は背景雑音の成分が大きく、Ｓ／Ｎが約３ｄＢに留まっている。一方で、赤色光に対する受信信号（ｂ）は、約２０ｄＢの高いＳ／Ｎが得られている。

これらの結果から明らかなように、実施の形態によれば、グレーティングカプラや光回路の周辺構造からの散乱光による背景雑音や、光ファイバの角度・波長・偏波のずれによるＳ／Ｎ低下の影響を受けずに、粗調芯が実施でき、この後の微調芯を行うことができる。

以上に説明したように、本発明によれば、グレーティングカプラのコアに形成されたｐ型領域およびｎ型領域によるフォトダイオードを備えるようにしたので、調芯用光回路を用いた光調芯におけるＳ／Ｎ比が改善できるようなり、雑音に埋もれずに光ファイバと調芯用光回路のグレーティングカプラとの調芯ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…コア、１０２ａ…テーパ部、１０３…グレーティングカプラ、１０４…反射部、１０５…ｐ型領域、１０５ａ…ｐ型引き出し部、１０６…ｎ型領域、１０６ａ…ｎ型引き出し部、１０７…フォトダイオード。

Claims (5)

1. 半導体からなるコアから構成されて基板の上に形成された光導波路と、
   前記光導波路の一端の前記コアに形成されたグレーティングによるグレーティングカプラと、
   前記光導波路の他端に前記光導波路に光学的に結合して形成された反射部または光検出部と、
   前記グレーティングカプラの前記コアに形成されたｐ型領域およびｎ型領域によるフォトダイオードと
   を備えることを特徴とする調芯用光回路。
2. 請求項１記載の調芯用光回路において、
   前記ｐ型領域および前記ｎ型領域の各々は、前記グレーティングの配列方向に延在する平面視矩形の領域に形成され、前記ｐ型領域および前記ｎ型領域は、前記グレーティングの配列方向に直交して前記基板の平面に平行な方向に配列されている
   ことを特徴とする調芯用光回路。
3. 請求項２記載の調芯用光回路において、
   前記ｐ型領域および前記ｎ型領域の各々は、複数形成されて交互に配列されていることを特徴とする調芯用光回路。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の調芯用光回路において、
   前記半導体は、シリコンであることを特徴とする調芯用光回路。
5. 請求項４に記載された調芯用光回路を用いた光調芯方法であって、
   調芯対象の光ファイバより出射した調芯用光が前記グレーティングカプラに光結合可能な状態とする粗調芯をする第１工程と、
   粗調芯の後で前記調芯用光の前記グレーティングカプラへの光結合が最大となる状態にする微調芯をする第２工程と
   を備え、
   前記第１工程では、前記光導波路を導波する第１光と前記フォトダイオードが感度を有する波長の第２光とを多重させた光を、調芯対象の光ファイバに導波させて出射端より前記調芯用光として出射させる
   ことを特徴とする光調芯方法。

Images