WO2014147821A1 - 波長多重光受信器 - Google Patents

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light
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鄭錫煥
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富士通株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a wavelength division multiplexing optical receiver, for example, a wavelength division multiplexing optical receiver using a silicon fine wire waveguide used in optical communication and optical interconnection.
  • MUX multiplex
  • DeMUX demultiplex
  • the WDM optical signal As necessary using a wavelength multiplexer / demultiplexer.
  • a Si wire waveguide has a very large structural anisotropy (Structural Birefringence). Therefore, the transmission characteristics of MUX / DeMUX composed of Si wire waveguides are significantly different depending on the polarization state of the optical signal. That is, it operates normally only in the polarization state of either the TE mode or the TM mode.
  • the polarization state is not kept constant. Therefore, the polarization component of the optical signal incident on the optical receiving unit composed of the Si thin line type DeMUX and the light receiver (PD: PhotoDiode) is random, and the reception characteristics are inevitably deteriorated depending on the polarization state.
  • PD PhotoDiode
  • FIG. 12 is a conceptual plan view of a conventional wavelength multi-polymerization demultiplexer, in which a WDM optical signal incident on an input waveguide 71 made of a silicon fine wire waveguide is of a directional coupler type made of a silicon fine wire waveguide.
  • a polarization beam splitting element (PBS) 72 separates TE light and TM light whose polarization planes are orthogonal to each other and outputs the light to a loop-shaped waveguide 73 made of a silicon thin wire waveguide.
  • PBS polarization beam splitting element
  • the TM light has its polarization plane rotated by 90 ° by an eccentric double core type polarization rotation element (PR: Polarization Rotator) 74 composed of a silicon fine wire waveguide inserted into the loop-shaped waveguide 73 . Output as light.
  • PR Polarization Rotator
  • the TE light separated by the polarization separation element 72 is guided through the loop waveguide 73 while maintaining the plane of polarization.
  • the add-drop-type ring resonator having an optical path length different from each other (AD-MRR: Add-Drop MicroRing Resonator) 75 1, 75 2 by minute
  • AD-MRR Add-Drop MicroRing Resonator
  • Each wavelength is demultiplexed by wave action.
  • the demultiplexed TE lights are output to loop waveguides 76 1 and 76 2 including polarization rotation elements 77 1 and 77 2 and optical path length compensation waveguides 78 1 and 78 2 .
  • TE light Of outputted TE light, it is a loop-shaped waveguides 76 1, 76 2 TE * light guided clockwise rotates 90 ° the plane of polarization by the polarization rotation element 77 1, 77 2 in FIG TM It is output as light and input to the polarization beam combiners 79 1 and 79 2 .
  • the TE light guided in the loop-shaped waveguides 76 1 and 76 2 in the counterclockwise direction is aligned with the TM light by the optical path length compensation waveguides 78 1 and 78 2 , so that it is a directional coupler type.
  • the polarization combining element 79 1, 79 multiplexed is input to 2 (MUX), the output waveguide 80 1, 80 is 2 from being separated for each wavelength output light receiver (not shown) is received by the The
  • MDW light incident on the AD-MRR is constant polarization state, i.e., because the TE mode or the TE * mode, it is possible to prevent deterioration of the characteristics of the demultiplexing (DeMUX). Therefore, the WDM optical signal can be multiplexed / demultiplexed without being affected by the polarization state of the incident WDM optical signal.
  • an input waveguide composed of a silicon fine wire waveguide and light input from the input waveguide to the first signal and the second signal are connected to the input waveguide according to the polarization plane.
  • a plurality of ring waveguides an output waveguide comprising a silicon wire waveguide optically coupled to each ring waveguide on the drop port side and having two output ports, and the polarization sp And a light receiver connected to the output waveguide so that an optical distance from the first light receiving surface to the second light receiving surface is equal to each other.
  • the disclosed wavelength multiplexed optical receiver it is possible to eliminate the excessive loss of one polarization component and to eliminate the polarization independent operation of the light receiver.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a wavelength division multiplexing optical receiver according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 (a) is a conceptual plan view
  • FIG. 1 (b) is an enlarged view of a main part showing a light propagation state.
  • FIG. A polarization splitter 12 that separates the wavelength multiplexed light input from the input waveguide 11 into a first signal and a second signal according to the polarization plane is connected to the input waveguide 11 formed of a silicon fine wire waveguide.
  • the output end of the polarization splitter 12 is connected to a loop-shaped waveguide 13 made of a silicon fine wire waveguide in which the first signal and the second signal propagate in opposite directions.
  • a polarization rotator is connected to the loop-shaped waveguide 13. 14 is connected.
  • the polarization splitter 12 and the polarization rotator 14 may be appropriately selected from known polarization splitters and polarization rotators based on various operating principles.
  • a plurality of ring waveguides 15 1 to 15 4 composed of silicon thin wire waveguides having different optical path lengths constituting the loop waveguide 13 and the add / drop type ring resonator array 17 are optically coupled.
  • the output waveguides 16 1 to 16 4 to the drop port side of each ring waveguide 15 1 to 15 4 made of a silicon wire waveguide having two output ports optically coupled.
  • This add / drop ring resonator array is a duplexer (DeMUX).
  • the number of ring-shaped waveguides is four. However, in reality, about four or more according to the wavelength band of WDM light, that is, eight or sixteen. It can also be set.
  • a light receiver For each of the output waveguides 16 1 to 16 4 extending from the two output ports, a light receiver (illustrated) so that the optical distances from the polarization splitter 12 to the first light receiving surface and the second light receiving surface are equal. Is omitted).
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of the dependence of skew on the optical path length in the wavelength division multiplexing optical receiver according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 2 (a) is a schematic cross-sectional view of a silicon wire waveguide
  • (B) is a simulation result of Skew-optical path length difference characteristics.
  • a simulation was performed on a silicon fine wire waveguide 3 formed of a rectangular core layer having a width of 480 nm and a height of 250 nm.
  • the time difference (Skew) between signals input to the first light receiving surface and the second light receiving surface For example, assuming a modulation frequency of 25 GHz (1 bit ⁇ 40 ps), a low skew of at least 2 ps or less is desired. Therefore, as shown in FIG. 2B, it is necessary to make the optical path length difference as equal as possible within the range of 145 ⁇ m or less, but it is within the range that can be easily achieved by the current fabrication technique. This means that even if the modulation frequency is 50 GHz (1 bit ⁇ 20 ps), it can be handled.
  • the group refractive index is set to 4.1 as the dispersion relation of the silicon fine wire waveguide 3.
  • the WDM optical signal input to the input waveguide 11 is separated into a TM optical signal and a TE optical signal according to the polarization plane by the polarization splitter 12, and the loop waveguide 13 is reversed.
  • the TM optical signal is converted by the polarization rotator 14 into a TE * optical signal having a plane of polarization rotated by 90 °.
  • the TE optical signal and the TE * optical signal guided through the loop waveguide 13 are demultiplexed for each wavelength ( ⁇ 1 to ⁇ 4 ) by the ring waveguides 15 1 to 15 4 constituting the add / drop type ring resonator. Is done.
  • the demultiplexed optical signal is input to the light receiver as a TE optical signal or a TE * optical signal in the same polarization state, the light receiving characteristics are not affected by the polarization state. There are no restrictions on polarization independence.
  • the TE optical signal and the TE * optical signal propagate as shown in FIG. 1B, as described above, the first light receiving surface and the first light receiving surface from the polarization splitter 12 are increased in order to increase the light receiving efficiency. It is necessary to make the optical distances to the two light receiving surfaces equal. To that end, it may be inserted a delay line to the output waveguides 16 1 to 16 4.
  • the light receiver may have a structure having a single light receiving portion, and optical signals may be input from opposite directions to the first light receiving surface and the second light receiving surface facing each other.
  • a structure having two first light receiving portions and a second light receiving portion arranged in parallel is provided, and the first light receiving surface provided in the first light receiving portion and the second light receiving portion are provided.
  • Optical signals may be input to the second light receiving surface from opposite directions.
  • the light receiving unit for each polarization component can be optimized independently, and deterioration due to leakage light from the end of the light receiving unit can be prevented. That is, in the case of a single light receiving portion, the light component that has not been absorbed by the light receiving portion leaks out into the loop waveguide 13 through the add / drop ring resonator array 17 and becomes noise.
  • a structure having a single light receiving portion as a light receiver, and a 3 dB optical coupler having an input port and an output port of 2: 2 are input to the first light receiving surface and the second light receiving surface from the same direction. You may do it.
  • a 3 dB optical coupler By using a 3 dB optical coupler, a bimodal intensity distribution can be obtained regardless of the relative intensity relationship between the TE optical signal and the TE * optical signal, thereby reducing the photocarrier density generated inside the light receiver. This makes it possible to achieve both low power and high speed of the photoreceiver.
  • Ge has a high absorptance with respect to light propagating through the silicon fine wire waveguide. Therefore, it is desirable to use a light receiver that uses single crystal germanium grown on the silicon fine wire waveguide as a light absorption layer. .
  • each of the ring waveguides 15 1 to 15 4 may be provided with heating means such as a micro heater for adjusting the optical path length so that the wavelength transmitted through the ring waveguides 15 1 to 15 4 can be finely adjusted.
  • heating means such as a micro heater may be provided in each of the output waveguides 16 1 to 16 4 in order to finely adjust the optical path length.
  • the second-stage polarization rotator and the polarization splitter (polarization combining element) as in the conventional example shown in FIG. 12 are not required. Therefore, the occurrence of excessive loss can be suppressed. Also, since the light incident on the light receiver is only TE mode light and the polarization state is constant, the light receiver does not require a polarization-independent operation.
  • FIG. 3 is a conceptual plan view of the wavelength division multiplexing optical receiver according to the first embodiment of the present invention.
  • a polarization splitter 22 that separates the wavelength multiplexed light input from the input waveguide 21 into TE signal light and TM signal light according to the polarization plane is connected to the input waveguide 21 formed of a silicon fine wire waveguide.
  • the output end of the polarization splitter 22 is connected to a loop-shaped waveguide 23 made of a silicon thin wire waveguide in which TE signal light and TM signal light propagate in opposite directions, and a polarization rotator 24 is connected to the loop-shaped waveguide 23.
  • the polarization splitter 22 is a directional coupler type polarization splitter made of a silicon fine wire waveguide
  • the polarization rotator 24 is an eccentric double core type polarization rotator made of a silicon fine wire waveguide. It is.
  • a plurality of ring waveguides 25 1 to 25 4 made of silicon thin wire waveguides having different optical path lengths constituting the loop-shaped waveguide 23 and the add / drop type ring resonator array are optically coupled.
  • This add / drop ring resonator array is a duplexer (DeMUX).
  • the demultiplexing wavelength can be controlled by optimizing the radius of curvature R of the ring waveguides 25 1 to 25 4 .
  • R 1 8 ⁇ m
  • R 2 R 1 - ⁇ R
  • R 3 R 2 ⁇ ⁇ R
  • ⁇ R may be adjusted. For example, when realizing four waves with a channel interval of 400 GHz, ⁇ R may be set to 16 nm.
  • the delay lines 27 1 to 27 are used so that the optical distances from the polarization splitter 22 to the first light receiving surface and the second light receiving surface are equal. 27 4 by inserting the connecting photodiodes 28 1 to 28 4.
  • FIG. 4 is a conceptual configuration diagram of a photodiode used in the wavelength division multiplexing optical receiver according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 4A is a plan view
  • FIG. 4B is a plan view of FIG. Is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line connecting AA ′ of FIG.
  • an SOI substrate is used in which a single crystal Si layer having a thickness of 250 nm is provided on a Si substrate 31 via a BOX layer 32 made of SiO 2 which also serves as a lower cladding layer.
  • the silicon thin wire waveguide pattern shown in FIG. 3 is formed on the single-crystal Si layer by a light exposure process using normal lithography and etching.
  • Lithography in this case may be either light exposure or electron beam exposure, and as an etching method, for example, dry etching is used by a method such as reactive ion etching.
  • etching is performed so that the height of the slab portion 34 is 50 nm, thereby forming a single crystal Si core layer 33 having a width of 480 nm and a height of 200 nm.
  • a non-doped Ge layer that becomes the i-type Ge light absorption layer 35 is selectively epitaxially grown, and then n-type impurity P is ion-implanted into the surface to form an n + -type Ge contact layer 36.
  • a p + -type Si contact layer 37 is formed by ion-implanting B, which is a p-type impurity, into the slab portions 34 on both sides of one single crystal Si core layer 33.
  • the side electrode 40 By forming the side electrode 40, the photodiode is completed.
  • the first embodiment of the present invention does not require the second-stage polarization rotator and the polarization combiner as in the conventional example, so that the loss caused by the polarization conversion can be suppressed and the configuration is simplified. Is done. In addition, since only TE light is incident on the photodiode, the polarization-independent operation characteristic is not required.
  • FIGS. 5 and 6 are schematic plan views of a wavelength-multiplexed optical receiver of the second embodiment of the present invention, where, as a photodiode, a photodiode 29 1-29 4 two light receiving areas are arranged in parallel ing.
  • FIG. 6 is a conceptual configuration diagram of a photodiode used in the wavelength division multiplexing optical receiver according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 6A is a plan view
  • FIG. 6B is a plan view of FIG. Is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line connecting AA ′ of FIG.
  • two PIN type photodiodes shown in FIG. 4B are provided in parallel, and B ions are implanted into the slab portion 34 therebetween to form a p + -type Si contact layer 37. Is.
  • two photodiodes having the same structure are arranged in parallel and the sum of currents flowing from both photodiodes is taken, so that the characteristics of the photodiodes for each polarization component are independently optimized. it can.
  • FIG. 7 is a conceptual plan view of the wavelength division multiplexing optical receiver according to the third embodiment of the present invention.
  • a microheater 50 that effectively adjusts the optical path length is provided above each of the ring waveguides 25 1 to 25 4. it is provided with a 1-50 4.
  • micro heaters 50 1 to 50 4 are provided above the ring waveguides 25 1 to 25 4 , and the transmission wavelength is controlled by changing the refractive index by heat. Note that when the temperature rises due to heating, the refractive index of the single crystal Si core layer increases and the wavelength shifts to the longer wavelength side.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the microheater in the wavelength division multiplexing optical receiver according to the third embodiment
  • FIG. 8A is a schematic plan view
  • FIG. 8B is an AA diagram in FIG. It is a schematic sectional drawing along the dashed-dotted line which connects ′.
  • a Ti pattern 51 is formed on an upper clad layer 38 that covers a single crystal Si core layer 33 that becomes the ring waveguide 25.
  • a protective insulating film 52 made of a SiO 2 film
  • an Al contact electrode 53 is provided at the end of the Ti pattern 51 to form the microheater 50.
  • the transmission wavelength of the add / drop type ring resonator can be arbitrarily finely adjusted. Even if variations occur in the case, demultiplexing as designed is possible.
  • FIG. 9 is a conceptual plan view of the wavelength division multiplexing optical receiver according to the fourth embodiment of the present invention.
  • light from the two output ports of the output waveguides 26 1 to 26 4 is converted into 3 dB optical couplers 61 1 to 61. 61 4 through the incident from the same light-receiving surface side to the photodiode 62 1-62 4.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of the light intensity distribution of the 3 dB optical coupler
  • FIG. 10A is a schematic diagram of the complex electric field display of the two input components and the periphery of the 3 dB optical coupler photodiode
  • FIG. It is a calculation example of the light intensity distribution in the 3 dB optical coupler with respect to two inputs.
  • P is the intensity of each signal
  • ⁇ is the propagation constant of each signal
  • ⁇ is the phase of each input signal
  • L is the distance from the polarization splitter 22. Represented by (P TE ) 1/2 ⁇ Exp ⁇ (j ⁇ L + ⁇ 1 ) ⁇ and (P TE * ) 1/2 ⁇ Exp ⁇ (j ⁇ * L + ⁇ 2 ) ⁇ , respectively.
  • the photo carrier density generated inside the photodiode 62 can be reduced, and both reduction in power and speed of the photodiode 62 can be achieved.
  • This ⁇ is caused by Skew, but the magnitude of ⁇ does not depend on the modulation frequency (for example, several tens of GHz), but depends on the optical frequency ( ⁇ 193 THz ⁇ 5.1 fs) itself. Therefore, conditions that do not significantly affect the reception efficiency degradation, for example, ⁇ ⁇ 0.1 ⁇ ⁇ rad.
  • the skew for obtaining is ⁇ 0.25 fs, and highly accurate skew control is required.
  • CMOS 130 nm node process CMOS 65 nm process
  • L to 750 ⁇ m L> 2000 ⁇ m
  • FIG. 11 is a conceptual plan view of the wavelength division multiplexing optical receiver according to the fifth embodiment of the present invention.
  • micro heaters 63 1 to 63 4 are provided on partial regions of the output waveguides 26 1 to 26 4. It is a thing.
  • the microheaters 63 1 to 63 4 may be formed of a Ti pattern and provided with an Al contact at the end, similarly to the microheater shown in FIG.
  • a micro heater may be provided on the ring waveguide.
  • the micro heater is provided only on the waveguide on one output port side, but may be provided on the waveguide on both output ports.

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Abstract

　波長多重光受信器に関し、片方の偏光成分の過剰損をなくすとともに、受光器の偏波無依存性動作を不要にする。シリコン細線導波路からなる入力導波路を偏波スプリッタを介して偏波ローテータを備えたループ状導波路に接続し、このループ状導波路にアド・ドロップ型リング共振器アレイを構成する出力導波路を備えたリング導波路を光学的に結合させ、出力導波路の両側のポートからの出力光を受光器の第１の受光面及び第２の受光面へ光学的距離が等しくなるよう入射させる。

Description

波長多重光受信器
　本発明は、波長多重光受信器に関するものであり、例えば、光通信や光インターコネクトで用いるシリコン細線導波路を用いた波長多重光受信器に関するものである。
　近年、大容量インターコネクトに向けた有望な技術として、シリコンフォトニクスが注目を集め、Ｓｉチップ内で波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）により、光配線１本当りの伝送容量向上が期待されている。
　Ｓｉチップ内でＷＤＭ光信号を送受信するためには、波長合分波器を用いてＷＤＭ光信号を必要に応じて合波（ＭＵＸ）・分波（ＤｅＭＵＸ）させる必要がある。通常、Ｓｉ細線導波路は、構造的異方性（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）が非常に大きい。そのため、Ｓｉ細線導波路で構成されるＭＵＸ／ＤｅＭＵＸは、光信号の偏光状態により、その透過特性が著しく異なる。つまり、ＴＥモード或いはＴＭモードのいずれかの偏光状態でのみ正常に動作する。
　一方、光信号の伝送路においては、その偏光状態が一定に保たれない。よって、Ｓｉ細線型ＤｅＭＵＸと受光器（ＰＤ：ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）で構成される光受信部に入射する光信号の偏光成分はランダムとなり、偏波状態に応じて、受信特性の劣化が避けられない。
　このような課題を克服するために、Ｓｉ細線導波路を含むＷＤＭ偏波ダイバシティ構成が提案されている、ここで、図１２を参照して従来の波長多重合分波器を説明する。図１２は、従来の波長多重合分波器の概念的平面図であり、シリコン細線導波路よりなる入力導波路７１に入射したＷＤＭ光信号が、シリコン細線導波路からなる方向性結合器型の偏波分離素子（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）７２により偏波面が直交するＴＥ光とＴＭ光に分離されてシリコン細線導波路よりなるループ状導波路７３に出力される。ＴＭ光は、ループ状導波路７３中に挿入されたシリコン細線導波路よりなる偏芯二重コア型の偏波回転素子（ＰＲ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｒｏｔａｔｏｒ）７４により偏波面を９０°回転させられてＴＥ＊光として出力される。これに対し、偏波分離素子７２で分離されたＴＥ光は偏波面を保ったままループ状導波路７３中を導波する。
　ループ状導波路７３中を互いに逆回りに導波するＴＥ光は、互いに異なった光路長を有するアド・ドロップ型リング共振器（ＡＤ－ＭＲＲ：Ａｄｄ－Ｄｒｏｐ　ＭｉｃｒｏＲｉｎｇ　Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）７５１，７５２による分波作用により波長ごとに分波される。分波された各ＴＥ光は、偏波回転素子７７１，７７２及び光路長補償導波路７８１，７８２を備えたループ状導波路７６１，７６２に出力される。
　出力されたＴＥ光の内、図においてループ状導波路７６１，７６２を時計回りに導波するＴＥ＊光は偏波回転素子７７１，７７２により偏波面を９０°回転させられてＴＭ光として出力され偏波合成素子７９１，７９２に入力する。この時、図においてループ状導波路７６１，７６２を半時計回りに導波するＴＥ光は光路長補償導波路７８１，７８２によりＴＭ光とタイミングが合うようにして方向性結合器型の偏波合成素子７９１，７９２に入力して合波（ＭＵＸ）されて、出力導波路８０１，８０２から波長毎に分離されて出力されて受光器（図示は省略）で受光される。
　この場合、ＡＤ－ＭＲＲに入射するＭＤＷ光は、偏光状態が一定、即ち、ＴＥモード或いはＴＥ＊モードなので、分波（ＤｅＭＵＸ）の特性劣化を防ぐことができる。従って、入射するＷＤＭ光信号の偏光状態の影響を受けずに、ＷＤＭ光信号を合分波することができる。
特開２００９－２４４３２６号公報
　しかし、上記の波長多重合分波器の場合、両偏波成分を分離して信号処理する際、片方の偏波成分（図１２の場合にはＴＭ光）が大きな過剰損を被るという問題がある。また、受光器を接続して検波する場合、両偏波成分が入射するため受光器の偏波無依存動作が必要不可欠となり、受光器の構造に制限が加わるため受信動作の高効率化が困難である。また、２段目以降において偏波回転素子と偏波合成素子が２つずつ必要となるため、構造が複雑化するという問題もある。
　したがって、波長多重光受信器において、片方の偏光成分の過剰損をなくすとともに、受光器の偏波無依存性動作を不要にすることを目的とする。
　開示する一観点からは、シリコン細線導波路からなる入力導波路と、前記入力導波路に接続され、前記入力導波路から入力した光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号に分離する偏波スプリッタと、前記偏波スプリッタの出力端に接続され、前記第１の信号と前記第２の信号が互いに反対側で伝播するシリコン細線導波路からなるループ状導波路と、前記ループ状導波路に挿入されて前記第２の信号の偏波面を９０°回転させる偏波ローテータと、前記ループ状導波路とアドポート側で光学的に結合する互いに異なった光路長のシリコン細線導波路からなる複数のリング導波路と、前記各リング導波路とドロップポート側で光学的に結合するとともに２つの出力ポートを有するシリコン細線導波路からなる出力導波路と、前記偏波スプリッタから第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるように前記出力導波路に接続された受光器とを有することを特徴とする波長多重光受信器が提供される。
　開示の波長多重光受信器によれば、片方の偏光成分の過剰損をなくすとともに、受光器の偏波無依存性動作を不要にすることが可能になる。
本発明の実施の形態の波長多重光受信器の説明図である。 本発明の実施の形態の波長多重光受信器におけるＳｋｅｗの光路長差依存性の説明図である。 本発明の実施例１の波長多重光受信器の概念的平面図である。 本発明の実施例１の波長多重光受信器に用いるフォトダイオードの概念的構成図である。 本発明の実施例２の波長多重光受信器の概念的平面図である。 本発明の実施例２の波長多重光受信器に用いるフォトダイオードの概念的構成図である。 本発明の実施例３の波長多重光受信器の概念的平面図である。 本発明の実施例３の波長多重光受信器におけるマイクロヒータの説明図である。 本発明の実施例４の波長多重光受信器の概念的平面図である。 ３ｄＢ光カプラの光強度分布の説明図である。 本発明の実施例５の波長多重光受信器の概念的平面図である。 従来の波長多重合分波器の概念的平面図である。
　ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の波長多重光受信器を説明する。図１は本発明の実施の形態の波長多重光受信器の説明図であり、図１（ａ）は概念的平面図であり、図１（ｂ）は、光の伝播状態を示す要部拡大図である。シリコン細線導波路からなる入力導波路１１に、入力導波路１１から入力した波長多重光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号に分離する偏波スプリッタ１２が接続される。この偏波スプリッタ１２の出力端に第１の信号と第２の信号が互いに反対回りで伝播するシリコン細線導波路からなるループ状導波路１３が接続され、このループ状導波路１３に偏波ローテータ１４が接続される。なお、偏波スプリッタ１２及び偏波ローテータ１４としては、各種の動作原理に基づく公知の偏波スプリッタ及び偏波ローテータから適宜選択すれば良い。
　また、ループ状導波路１３とアド・ドロップ型リング共振器アレイ１７を構成する互いに異なった光路長のシリコン細線導波路からなる複数のリング導波路１５１～１５４が光学的に結合される。また、この各リング導波路１５１～１５４のドロップポート側に２つの出力ポートを有するシリコン細線導波路からなる出力導波路１６１～１６４を光学的に結合させる。このアド・ドロップ型リング共振器アレイが分波器（ＤｅＭＵＸ）となる。なお、ここでは、図示を簡単にするために、リング状導波路は４個にしているが、実際には、ＷＤＭ光の波長帯に応じて４個程以上、即ち、８個や１６個に設定することもできる。
　この２つの出力ポートから伸びる各出力導波路１６１～１６４に対して、偏波スプリッタ１２から第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるように受光器（図示は省略）を接続する。
　図２は、本発明の実施の形態の波長多重光受信器におけるＳｋｅｗの光路長差依存性の説明図であり、図２（ａ）はシリコン細線導波路の概略的断面図であり、図２（ｂ）はＳｋｅｗ－光路長差特性のシミュレーション結果である。ここでは、図２（ａ）に示すように、幅が４８０ｎｍで高さが２５０ｎｍの矩形のコア層からなるシリコン細線導波路３についてシミュレーションを行った。なお、図における符号１，２，４は、それぞれ、シリコン基板、下部クラッド層となるＳｉＯ２層、上部クラッド層となるＳｉＯ２層である。
　受信効率の観点から、第１の受光面及び第２の受光面へ入力される信号同士の時間差（Ｓｋｅｗ）は最低限に抑えることが必要となる。例えば、２５ＧＨｚの変調周波数（１ｂｉｔ≒４０ｐｓ）を想定した際、少なくとも２ｐｓ以下の低Ｓｋｅｗが望まれる。したがって、図２（ｂ）に示すように、光路長差は１４５μｍ以下の範囲でできるかぎり等しくなるようにする必要があるが、現状の作製技術により、容易に達成できる範囲にある。これはたとえ変調周波数が５０ＧＨｚ（１ｂｉｔ≒２０ｐｓ）になっても対応できることを意味する。なお、ここでは、シリコン細線導波路３の分散関係として、群屈折率を４.１と設定している。
　図１に示すように、入力導波路１１に入力されたＷＤＭ光信号は、偏波スプリッタ１２により偏波面に応じてＴＭ光信号とＴＥ光信号とに分離されてループ状導波路１３を互いに逆回りに導波する。ＴＭ光信号は偏波ローテータ１４により偏波面が９０°回転したＴＥ＊光信号に変換される。ループ状導波路１３を導波するＴＥ光信号及びＴＥ＊光信号はアド・ドロップ型リング共振器を構成するリング導波路１５１～１５４によって、波長毎（λ１～λ４）に分波される。
　分波された光信号は、同じ偏光状態のＴＥ光信号或いはＴＥ＊光信号として受光器に入力されるので、受光特性が偏波状態の影響を受けることがなく、したがって、受光器の構造が偏波無依存性の制約を受けることがない。この時、ＴＥ光信号及びＴＥ＊光信号は図１（ｂ）に示すように伝播するので、受光効率を高めるためには、上述のように、偏波スプリッタ１２から第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるようにする必要がある。そのためには、出力導波路１６１～１６４に遅延線を挿入すれば良い。
　受光器としては単一の受光部を有する構造とし、互いに対向する第１の受光面と第２の受光面に互いに反対方向から光信号を入力するようにしても良い。或いは、受光器として２つの並列配置された第１の受光部と第２の受光部を有する構造とし、第１の受光部に設けた第１の受光面と、第２の受光部に設けた第２の受光面に互いに反対方向から光信号を入力するようにしても良い。この構成の場合、各偏光成分に対する受光部を独立に最適化できるほか、受光部終端からの洩れ光による劣化も防ぐことができる。即ち、単一の受光部の場合には、受光部で吸収されなかった光成分がアド・ドロップ型リング共振器アレイ１７を介してループ状導波路１３に漏れ出してノイズになる。
　或いは、受光器として単一の受光部を有する構造とし、入力ポートと出力ポートが２：２の３ｄＢ光カプラを第１の受光面と第２の受光面に互いに同じ方向から光信号を入力するようにしても良い。３ｄＢ光カプラを用いることにより、ＴＥ光信号とＴＥ＊光信号の相対強度関係によらず、双峰性の強度分布を得ることができ、これにより、受光器内部にて生じるフォトキャリア密度を低減できるので、受光器の低電力化・高速化の両立が可能になる。
　また、受光器としては、Ｇｅはシリコン細線導波路を伝播する光に対して吸収率が大きいので、シリコン細線導波路上に成長した単結晶ゲルマニウムを光吸収層とした受光器を用いることが望ましい。
　また、各リング導波路１５１～１５４には、光路長を調整するマイクロヒータ等の加熱手段を設けて、リング導波路１５１～１５４を透過する波長を微調整するようにしても良い。さらには、各出力導波路１６１～１６４に光路長を微調整するためにマイクロヒータ等の加熱手段を設けても良い。
　このように、本発明の実施の形態の波長多重光受信器においては、図１２に示した従来例のような２段目の偏波ローテータや偏波スプリッタ（偏波合成素子）が不要になるので、過剰損失の発生を抑制することができる。また、受光器に入射する光はＴＥモード光のみで偏光状態が一定であるので、受光器に偏波無依存性動作が不要になる。
　次に、図３及び図４を参照して、本発明の実施例１の波長多重光受信器を説明する。図３は、本発明の実施例１の波長多重光受信器の概念的平面図である。シリコン細線導波路からなる入力導波路２１に、入力導波路２１から入力した波長多重光を偏波面に応じてＴＥ信号光とＴＭ信号光に分離する偏波スプリッタ２２が接続される。この偏波スプリッタ２２の出力端にＴＥ信号光とＴＭ信号光が互いに反対回りで伝播するシリコン細線導波路からなるループ状導波路２３が接続され、このループ状導波路２３に偏波ローテータ２４が接続される。なお、偏波スプリッタ２２は、シリコン細線導波路からなる方向性結合器型の偏波スプリッタであり、また、偏波ローテータ２４は、シリコン細線導波路よりなる偏芯二重コア型の偏波ローテータである。
　また、ループ状導波路２３とアド・ドロップ型リング共振器アレイを構成する互いに異なった光路長のシリコン細線導波路からなる複数のリング導波路２５１～２５４が光学的に結合される。また、この各リング導波路２５１～２５４のドロップポート側に２つの出力ポートを有するシリコン細線導波路からなる出力導波路２６１～２６４を光学的に結合させる。このアド・ドロップ型リング共振器アレイが分波器（ＤｅＭＵＸ）となる。
　この場合、リング導波路２５１～２５４の曲率半径Ｒを適正化して分波波長を制御することができる。例えば、チャネル間隔２００ＧＨｚの４波を実現する場合、それぞれのリング導波路２５１～２５４におけるＲ１～Ｒ４の相対関係はＲ１＝８μｍ、Ｒ２＝Ｒ１―δＲ，Ｒ３＝Ｒ２―δＲ，Ｒ４＝Ｒ３―δにすれば良く、δＲは約８ｎｍである。一方、チャネル間隔を変えるためにはδＲを調整すれば良く、例えば、チャネル間隔４００ＧＨｚの４波を実現する場合はδＲ～１６ｎｍに設定すれば良い。
　この２つの出力ポートから伸びる各出力導波路２６１～２６４に対して、偏波スプリッタ２２から第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるよう遅延線２７１～２７４を挿入してフォトダイオード２８１～２８４を接続する。
　図４は、本発明の実施例１の波長多重光受信器に用いるフォトダイオードの概念的構成図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。図４に示すように、Ｓｉ基板３１上に下部クラッド層を兼ねるＳｉＯ２からなるＢＯＸ層３２を介して厚さが２５０ｎｍの単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板を用いる。
　単結晶Ｓｉ層を通常のリソグラフィーとエッチングにより光露光プロセスによって図３に示したシリコン細線導波路パターンを形成する。この場合のリソグラフィーは光露光でも電子ビーム露光のいずれでも良く、エッチング法としては、例えば反応性イオンエッチングなどの方法でドライエッチングを用いる。この時、図４（ｂ）に示すようにスラブ部３４の高さが５０ｎｍになるようにエッチングを行って幅が４８０ｎｍで高さが２００ｎｍの単結晶Ｓｉコア層３３を形成する。
　また、フォトダイオード形成領域においては、ｉ型Ｇｅ光吸収層３５となるノンドープＧｅ層を選択的にエピタキシャル成長させたのち、ｎ型不純物のＰを表面にイオン注入してｎ＋型Ｇｅコンタクト層３６を形成する。一方の単結晶Ｓｉコア層３３の両脇のスラブ部３４にｐ型不純物であるＢをイオン注入してｐ＋型Ｓｉコンタクト層３７を形成する。
　次いで、ＳｉＯ２膜を全面に堆積させて上部クラッド層３８を形成したのち、ｎ＋型Ｇｅコンタクト層３６に達するＡｌからなるｎ側電極３９とｐ＋型Ｓｉコンタクト層３７に達するＡｌからなるｐ側電極４０を形成することによりフォトダイオードが完成する。
　本発明の実施例１においては、従来例のように２段目の偏波ローテータ及び偏波合成素子を必要としないので、偏波の変換に伴う損失の発生が抑えられるとともに、構成が簡素化される。また、フォトダイオードにはＴＥ光のみが入射するので偏波無依存動作特性が不要になる。
　次に、図５及び図６を参照して、本発明の実施例２の波長多重光受信器を説明するが、フォトダイオードの構造が異なるだけで、他の構造は上記の実施例１と全く同様であるので、異なった部分のみを説明する。図５は、本発明の実施例２の波長多重光受信器の概念的平面図であり、ここでは、フォトダイオードとして、２つの受光領域が並列に配置されたフォトダイオード２９１～２９４を用いている。
　図６は、本発明の実施例２の波長多重光受信器に用いるフォトダイオードの概念的構成図であり、図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。図６に示すように、図４（ｂ）に示したＰＩＮ型のフォトダイオードを２つ並列に設けて、その間のスラブ部３４にＢをイオン注入してｐ＋型Ｓｉコンタクト層３７を形成したものである。
　この実施例２の波長多重光受信器においては、同一構造のフォトダイオードを二つ並列し、両方のフォトダイオードから流れる電流の和をとるので、各偏光成分に対するフォトダイオードの特性を独立に最適化できる。また、各フォトダイオードの終端からの洩れ出した光は、出力導波路２６１～２６４を逆回りして、リング共振器を介してループ状導波路２３に侵入することがないので、ノイズの発生を抑制することができる。
　次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施例３の波長多重光受信器を説明するが、リング導波路の上部にマイクロヒータを設けた以外は上記の実施例１と全く同様であるので、異なった部分のみ説明する。図７は、本発明の実施例３の波長多重光受信器の概念的平面図であり、ここでは、各リング導波路２５１～２５４の上部に実効的に光路長を調整するマイクロヒータ５０１～５０４を設けたものである。
　即ち、ＣＭＯＳ作製工程において、アド・ドロップ型リング共振器の透過波長にバラツキが生じる場合があり、その場合には、ＷＤＭ信号を設計通りに分波することができなくなる。そこで、各リング導波路２５１～２５４の上部にマイクロヒータ５０１～５０４を設けて、熱により屈折率を変化させて透過波長を制御する。なお、加熱により温度が上昇すると単結晶Ｓｉコア層の屈折率が高くなり、波長が長波長側にシフトする。
　図８は、実施例３の波長多重光受信器におけるマイクロヒータの説明図であり、図８（ａ）は概略的平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ－Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概略的断面図である。図に示すように、リング導波路２５となる単結晶Ｓｉコア層３３を覆う上部クラッド層３８の上にＴｉパターン５１を形成する。次いで、全面を再びＳｉＯ２膜からなる保護絶縁膜５２で覆ったのち、Ｔｉパターン５１の端部にＡｌコンタクト電極５３を設けてマイクロヒータ５０とする。
　このように、本発明の実施例３においては、リング導波路の上にマイクロヒータを設けているので、アド・ドロップ型リング共振器の透過波長を任意に微調整することができ、ＣＭＯＳ作製工程においてバラツキが生じても設計通りの分波が可能になる。
　次に、図９及び図１０を参照して、本発明の実施例４の波長多重光受信器を説明するが、３ｄＢ光カプラを介して受光する以外は上記の実施例１と全く同様であるので、異なった部分のみ説明する。図９は、本発明の実施例４の波長多重光受信器の概念的平面図であり、ここでは、出力導波路２６１～２６４の２つの出力ポートからの光を３ｄＢ光カプラ６１１～６１４を介して、フォトダイオード６２１～６２４に同じ受光面側から入射する。
　この場合、フォトダイオード６２１～６２４に対しては、同方向入力となるため、フォトダイオードの終端からの洩れ光による劣化は生じない。但し同方向入力のため、２つの入力信号間の光干渉作用が生じるので、その事情を図１０を参照して説明する。
　図１０は３ｄＢ光カプラの光強度分布の説明図であり、図１０（ａ）は２つの入力成分の複素電界表示および３ｄＢ光カプラ・フォトダイオード周辺の概略図であり、図１０（ｂ）は、２つの入力に対する３ｄＢ光カプラでの光強度分布の計算例である。２つの入力成分ＴＥとＴＥ＊はＰを各信号の強度、βを各信号の伝播定数、θを各入力信号の位相、Ｌを偏波スプリッタ２２からの距離とすると、複素電界表表示としてはそれぞれ、（ＰＴＥ）１／２・Ｅｘｐ｛－（ｊβＬ＋θ１）｝及び（ＰＴＥ＊）１／２・Ｅｘｐ｛－（ｊβ＊Ｌ＋θ２）｝で表される。
　偏波ダイバシティの場合、２つの入力の強度Ｐは互いにランダムとなるが、３ｄＢ光カプラ６１を介して結合させ、信号間の初期位相差Δθ＝θ１－θ２がなければ、相対強度関係によらず、双峰性の強度分布を得ることができる。つまり、これにより、光信号のパワーを分散して受光することができるので、フォトダイオード６２の内部にて生じるフォトキャリア密度を低減でき、フォトダイオード６２の低電力化・高速化の両立が可能になる。
　但し、図１０（ａ）に示す双峰性ピーク同士の強度バランスは、Δθ＝０であることが大前提である。このΔθはＳｋｅｗにより生じるが、Δθの大きさは、変調周波数（例えば、数十ＧＨｚ）に依存するのではなく、光周波数（～１９３ＴＨｚ≒５．１ｆｓ）そのものに依存する。したがって、受信効率劣化にさほど影響しない条件、例えば、Δθ＜０．１π・ｒａｄ．を得るためのＳｋｅｗは図１０（ｂ）に示すように～０．２５ｆｓとなり、高精度のＳｋｅｗ制御が求められる。
　この３ｄＢ光カプラ６１１～６１４における光干渉作用はＳｋｅｗに大きく依存する。Ｓｋｅｗの制御はＣＭＯＳ工程のノードに大きく依存し、工程ノードを下げるほど、即ち、配線幅を微細化するほど改善することになる。例えば、ＣＭＯＳ　１３０ｎｍノード工程（ＣＭＯＳ　６５ｎｍ工程）ならば、光路長Ｌ～７５０μｍ（Ｌ＞２０００μｍ）の範囲で、図９に示す導波路パターンを形成すれば０．２５ｆｓのＳｋｅｗを十分実現することができる。
　本発明の実施例４においては、３ｄＢ光カプラを介してフォトダイオードに同じ方向から入力しているので、漏れ出し光によるノイズが発生することがない。
　次に、図１１を参照して、本発明の実施例５の波長多重光受信器を説明するが、出力導波路の光路長を微調整するマイクロヒータを設けた以外は、上記の実施例４の構成と全く同じであるので、異なった部分のみ説明する。図１１は本発明の実施例５の波長多重光受信器の概念的平面図であり、ここでは、出力導波路２６１～２６４の一部領域の上にマイクロヒータ６３１～６３４を設けたものである。この場合のマイクロヒータ６３１～６３４は、図８に示したマイクロヒータと同様に、Ｔｉパターンで形成してその端部にＡｌコンタクトを設ければ良い。
　即ち、ＣＭＯＳ作製工程におけるバラツキで、Ｓｋｅｗが所定値内に収まらない場合が生ずることがあるが、その場合には、図に示すようにマイクロヒータ６３１～６３４により位相制御を行えば、容易にＳＫｅｗを調整することができる。
　以上、各実施例を説明してきたが、各実施例に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、実施例２、実施例４及び実施例５においても、実施例３と同様に、リング導波路上にマイクロヒータを設けても良い。また、実施例５においては、マイクロヒータを一方の出力ポート側の導波路上にしか設けていないが、両方の出力ポート側の導波路上に設けても良い。
１　シリコン基板
２　ＳｉＯ２層
３　シリコン細線導波路
４　ＳｉＯ２層
１１，２１　入力導波路
１２，２２　偏波スプリッタ
１３，２３　ループ状導波路
１４，２４　偏波ローテータ
１５１～１５４，２５１～２５４　リング導波路
１６１～１６４，２６１～２６４　出力導波路
１７　アド・ドロップ型リング共振器アレイ
２７１～２７４　遅延線
２８１～２８４，２９１～２９４　フォトダイオード
３１　Ｓｉ基板
３２　ＢＯＸ層
３３　単結晶Ｓｉコア層
３４　スラブ部
３５　ｉ型Ｇｅ光吸収層
３６　ｎ＋型Ｇｅコンタクト層
３７　ｐ＋型Ｓｉコンタクト層
３８　上部クラッド層
３９　ｎ側電極
４０　ｐ側電極
５０，５０１～５０４　マイクロヒータ
５１　Ｔｉパターン
５２　保護絶縁膜
５３　Ａｌコンタクト電極
６１，６１１～６１４　３ｄＢ光カプラ
６２，６２１～６２４　フォトダイオード
６３１～６３４　マイクロヒータ
７１　入力導波路
７２　偏波分離素子
７３　ループ状導波路
７４　偏波回転素子
７５１，７５２　アド・ドロップ型リング共振器
７６１，７６２　ループ状導波路
７７１，７７２　偏波回転素子
７８１，７８２　光路長補償導波路
７９１，７９２　偏波合成素子
８０１，８０２　出力導波路

Claims (8)

  1. 　シリコン細線導波路からなる入力導波路と、
    　前記入力導波路に接続され、前記入力導波路から入力した光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号に分離する偏波スプリッタと、
    　前記偏波スプリッタの出力端に接続され、前記第１の信号と前記第２の信号が互いに反対回りで伝播するシリコン細線導波路からなるループ状導波路と、
    　前記ループ状導波路に挿入されて前記第２の信号の偏波面を９０°回転させる偏波ローテータと、
    　前記ループ状導波路とアドポート側で光学的に結合する互いに異なった光路長のシリコン細線導波路からなる複数のリング導波路と、
    　前記各リング導波路とドロップポート側で光学的に結合するとともに２つの出力ポートを有するシリコン細線導波路からなる出力導波路と、
    　前記偏波スプリッタから第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるように前記出力導波路に接続された受光器と
    を有することを特徴とする波長多重光受信器。
  2. 　前記各受光器が、単一の受光部を有し、前記第１の受光面と前記第２の受光面に互いに反対方向から光信号を入力することを特徴とする請求項１に記載の波長多重光受信器。
  3. 　前記各受光器が、２つの並列配置された第１の受光部と第２の受光部を有し、前記第１の受光部に設けた前記第１の受光面と、前記第２の受光部に設けた前記第２の受光面に互いに反対方向から光信号を入力することを特徴とする請求項１に記載の波長多重光受信器。
  4. 　前記各受光器が、単一の受光部を有し、３ｄＢ光カプラを介して前記出力導波路に接続されるとともに、前記第１の受光面と前記第２の受光面に互いに同じ方向から光信号を入力することを特徴とする請求項１に記載の波長多重光受信器。
  5. 　前記受光部が、シリコン細線導波路上に成長した単結晶ゲルマニウムを含むことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか１項に記載の波長多重光受信器。
  6. 　前記各出力導波路に、前記偏波スプリッタから第１の受光面及び第２の受光面への光学的距離が等しくなるように遅延線を挿入したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の波長多重光受信器。
  7. 　前記各リング導波路に、光路長を調整する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の波長多重光受信器。
  8. 　前記各出力導波路に、光路長を調整する加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の波長多重光受信器。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105227260A (zh) * 2015-08-31 2016-01-06 浙江大学 微环谐振腔谐振器型的双偏振多波长的相干探测接收器
JP6379245B1 (ja) * 2017-03-16 2018-08-22 沖電気工業株式会社 光導波路素子及び受信回路
JP2020086128A (ja) * 2018-11-26 2020-06-04 沖電気工業株式会社 光導波路回路
US10677990B2 (en) 2015-12-11 2020-06-09 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Polarization diverse ring resonator receivers
WO2024057980A1 (ja) * 2022-09-16 2024-03-21 京セラ株式会社 光集積回路及び光トランシーバ

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150132008A1 (en) * 2013-11-11 2015-05-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Via-less multi-layer integrated circuit with inter-layer interconnection
EP3146655B1 (en) * 2014-05-23 2018-12-05 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (publ) An optical switch, an optical switching apparatus, an optical communications network node and an optical communications network
JP6274322B2 (ja) * 2014-09-19 2018-02-07 富士通株式会社 レーザ装置及びレーザ装置の制御方法
US10009135B2 (en) * 2015-02-06 2018-06-26 The Trustees Of Princeton University System and method for photonic processing
US9891425B2 (en) * 2016-06-20 2018-02-13 Harris Corporation Communications system including an optical filter device and related methods
WO2018039971A1 (zh) * 2016-08-31 2018-03-08 华为技术有限公司 光信号处理方法及光器件
US9812845B1 (en) * 2016-11-21 2017-11-07 Oracle International Corporation Fast wavelength-tunable hybrid optical transmitter
CN108802907B (zh) * 2017-04-26 2020-03-10 华为技术有限公司 一种可重构光分插复用器
CN108873174B (zh) * 2017-05-11 2019-11-29 华为技术有限公司 一种偏振无关的光器件
GB2594664B (en) * 2018-12-28 2022-08-24 Rockley Photonics Ltd WDM receiver and method of operation thereof
US20200257066A1 (en) * 2019-02-11 2020-08-13 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Optical interconnect topology
WO2021148637A1 (en) * 2020-01-22 2021-07-29 Rockley Photonics Limited Demultiplexer
US11561347B2 (en) 2020-06-24 2023-01-24 Ayar Labs, Inc. Optical input polarization management device and associated methods
US20210149115A1 (en) * 2020-12-23 2021-05-20 Duanni Huang Photonic wavelength division multiplexing (wdm) receiver with polarization diversity and/or low reflectance
CN113783653B (zh) * 2021-08-19 2022-07-08 中国科学院西安光学精密机械研究所 一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统
TW202346978A (zh) 2022-02-07 2023-12-01 美商爾雅實驗室公司 具有延遲的極化分集式接收器
CN115542461B (zh) * 2022-11-11 2023-05-26 之江实验室 一种基于逆向设计的超高集成度硅基光接收芯片

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009244326A (ja) * 2008-03-28 2009-10-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光波長フィルタ

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5008958A (en) * 1988-01-19 1991-04-16 At&T Bell Laboratories Polarization-insensitive technique for coherent optical communication
JP2776124B2 (ja) * 1992-03-23 1998-07-16 日本電気株式会社 直接検波光受信装置
US5809184A (en) * 1996-10-15 1998-09-15 Doerr; Christopher Richard Polarization diversity waveguide grating receiver
US5837995A (en) * 1996-11-25 1998-11-17 Alan Y. Chow Wavelength-controllable voltage-phase photodiode optoelectronic switch ("opsistor")
AU1795201A (en) * 1999-11-23 2001-06-04 Nanovation Technologies, Inc. Localized thermal tuning of ring resonators
US6574022B2 (en) * 2001-03-19 2003-06-03 Alan Y. Chow Integral differential optical signal receiver
JP2003337236A (ja) * 2002-05-17 2003-11-28 Nec Corp 光リング共振器、光導波路デバイスならびに光リング共振器の製造方法
JP4436323B2 (ja) * 2003-07-16 2010-03-24 日本電信電話株式会社 光周波数符号を用いる光通信システム、その光送信装置及び光受信装置、反射型光通信装置
JP3829198B2 (ja) * 2003-12-01 2006-10-04 独立行政法人情報通信研究機構 光伝送方法及びシステム
US7650081B2 (en) * 2004-05-26 2010-01-19 Alcatel-Lucent Usa Inc. Method and apparatus for receiving frequency modulated signals on an intensity modulated optical carrier
JP4440855B2 (ja) * 2005-08-25 2010-03-24 富士通株式会社 Ｒｚ−ｄｐｓｋ光受信回路
US8494318B2 (en) * 2006-11-09 2013-07-23 Google Inc. Method and device for hitless tunable optical filtering
US7505648B2 (en) * 2006-11-29 2009-03-17 Universiteit Twente Device comprising a polarization-independent micro-resonator
US7657131B2 (en) * 2007-06-28 2010-02-02 Intel Corporation Systems and methods for integrated optical circuitry for high data rate optical transmission and reception
US8538277B2 (en) * 2009-06-23 2013-09-17 Infinera Corporation Coherent optical receiver
US9285539B2 (en) * 2012-08-17 2016-03-15 Oracle International Corporation Polarization-insensitive silicon-phototonic optical receiver
US9134479B2 (en) * 2012-09-05 2015-09-15 International Business Machines Corporation Polarization diverse demultiplexing

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009244326A (ja) * 2008-03-28 2009-10-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光波長フィルタ

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105227260A (zh) * 2015-08-31 2016-01-06 浙江大学 微环谐振腔谐振器型的双偏振多波长的相干探测接收器
CN105227260B (zh) * 2015-08-31 2017-09-01 浙江大学 微环谐振腔谐振器型的双偏振多波长的相干探测接收器
US10677990B2 (en) 2015-12-11 2020-06-09 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Polarization diverse ring resonator receivers
JP6379245B1 (ja) * 2017-03-16 2018-08-22 沖電気工業株式会社 光導波路素子及び受信回路
US10088628B1 (en) 2017-03-16 2018-10-02 Oki Electric Industry Co., Ltd. Optical waveguide element and receiving circuit
JP2018155863A (ja) * 2017-03-16 2018-10-04 沖電気工業株式会社 光導波路素子及び受信回路
JP2020086128A (ja) * 2018-11-26 2020-06-04 沖電気工業株式会社 光導波路回路
WO2024057980A1 (ja) * 2022-09-16 2024-03-21 京セラ株式会社 光集積回路及び光トランシーバ

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