WO2024057982A1 - 光集積回路素子 - Google Patents

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直樹 松井
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    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects

Definitions

  • the present disclosure relates to optical integrated circuit devices.
  • An element is known that realizes polarization separation and rotation by a combination of a mode converter that converts from TM0 mode to TE1 mode and a directional coupler (see, for example, Patent Document 1).
  • An optical integrated circuit device includes a first waveguide and a second waveguide. At least a portion of the first waveguide and at least a portion of the second waveguide are located side by side along the first direction.
  • the first waveguide has a first port configured to allow input or output of electromagnetic waves including a first polarized wave and a second polarized wave, and an output of the separated first polarized wave, or and a second port configured to allow input of the first polarized wave.
  • the second waveguide has a third port configured to be capable of outputting the separated second polarized wave, the separated and rotated second polarized wave, or inputting the second polarized wave. has.
  • a cross-sectional shape of at least one of the first waveguide and the second waveguide with the first direction as the normal line is not axisymmetric.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an optical receiver according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing another example of the configuration of the optical receiver.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of an optical receiver when the polarization splitter rotator in the configuration example of FIG. 2 is replaced with a polarization splitter.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of an optical receiver when the delay device connected before the photodiode in the configuration example of FIG. 2 is replaced with a variable attenuator.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of an optical receiver according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing another example of the configuration of the optical receiver.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of an optical receiver when the polarization splitter rotator in the configuration example of FIG. 2 is replaced with a polarization splitter.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of an optical
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of an optical receiver in a case where a delay device is further provided between the variable attenuator connected before the photodiode and the photodiode in the configuration example of FIG. 4;
  • FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of a polarization splitter rotator according to an embodiment.
  • 7 is a sectional view taken along line BB in FIG. 6.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line CC in FIG. 6.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line DD in FIG. 6.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line EE in FIG. 6.
  • FIG. 7 is a sectional view taken along line FF in FIG. 6.
  • FIG. 3 is a graph showing simulation results of output characteristics of a polarization splitter rotator according to an embodiment. 3 is a graph showing actual measurement results of output characteristics of a polarization splitter rotator according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view showing another example of the configuration of the polarization splitter rotator. 15 is a sectional view taken along line GG in FIG. 14. FIG. 15 is a sectional view taken along line HH in FIG. 14. FIG.
  • the performance may deteriorate due to manufacturing errors in at least one of them. In other words, it is not robust against manufacturing errors. Therefore, when an element is created by combining two elements using a process with a width of 0.18 ⁇ m (180 nm), which is technically easier to manufacture and has lower manufacturing costs than the most advanced process, the characteristics of the element are Difficult to control. Furthermore, it is difficult to control the characteristics of a directional coupler having an asymmetric structure when it is manufactured using a process with a width of 0.18 ⁇ m. According to the present disclosure, an optical integrated circuit element whose characteristics can be easily controlled even when manufactured using a 0.18 ⁇ m width process can be provided.
  • this optical fiber does not have polarization maintaining characteristics. Therefore, the polarization of the light changes randomly every time the light passes through a bent portion or a connected portion of the wiring. Therefore, in order to make the characteristics of the optical receiver uniform for any polarization, a polarization splitter rotator is installed at the front stage of the optical circuit to split the incident light into TE (Transverse Electric) and TM (Transverse Magnetic) components. It is necessary to separate them into two parts and input each into separate wavelength multiplexing optical circuits.
  • TE Transverse Electric
  • TM Transverse Magnetic
  • the performance may deteriorate due to manufacturing errors in at least one of them. In other words, it is not robust against manufacturing errors. Therefore, when an element is created by combining two elements using a process with a width of 0.18 ⁇ m (180 nm), which is technically easier to manufacture and has lower manufacturing costs than the most advanced process, it is possible to control the characteristics of the element. is difficult. Furthermore, it is difficult to control the characteristics of a directional coupler having an asymmetric structure when it is manufactured using a process with a width of 0.18 ⁇ m. There is a need for a structure whose characteristics can be controlled even when created using a process with a width of 0.18 ⁇ m.
  • the optical receiver 1 (see FIG. 1, etc.) according to an embodiment of the present disclosure may be used in an optical communication system in combination with a configuration for transmitting optical signals.
  • An arrangement for transmitting an optical signal may include a light source and a modulator.
  • the light source may include, for example, a semiconductor laser such as an LD (Laser Diode) or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER).
  • a semiconductor laser such as an LD (Laser Diode) or a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER).
  • the light source is not limited to visible light, and may include devices that emit electromagnetic waves of various wavelengths.
  • the modulator modulates the electromagnetic waves by changing their intensity.
  • the modulator may pulse modulate the electromagnetic waves, for example.
  • the configuration for transmitting an optical signal may further include a signal input unit.
  • the signal input unit accepts input of a signal from an external device or the like.
  • the signal input unit may include, for example, a D/A converter.
  • the signal input unit outputs a signal to a modulator.
  • the modulator modulates an electromagnetic wave based on the signal acquired by the signal input unit.
  • the optical receiver 1 is provided between the polarization splitter rotator 82 and each of the two demultiplexers 83, and between the demultiplexer 83 and each of the n photodiodes 10-1 to n. Additionally, a delay device 84 may be further provided. Delay device 84 delays propagation of the optical signal. The optical receiver 1 uses a delay device 84 to compensate for deviations in the delay of the optical signal caused by manufacturing errors in the waveguide. By including the delay device 84, the optical receiver 1 reduces jitter of the signal output from the photodiode 10, which is a combination of the TE mode optical signal and the TE mode optical signal obtained by converting the TM mode optical signal. can.
  • the delay device 84 may be configured, for example, as a waveguide having a predetermined length, and may be configured to be able to adjust the effective refractive index of the waveguide using a heater.
  • the delay device 84 may be configured as a phase modulator having a predetermined length, and may be configured to be able to adjust the amount of phase modulation by applying a voltage.
  • the polarization splitter rotator 82 may be replaced with a polarization splitter (PS: Polarizing Splitter) 822.
  • PS Polarizing Splitter
  • the polarization splitter 822 separates the input optical signal into a TE mode optical signal and a TM mode optical signal.
  • the propagation speed of the TE mode optical signal and the propagation speed of the TM mode optical signal are different from each other.
  • the optical receiver 1 may include a delay device 84 to compensate for a delay difference between the TE mode optical signal and the TM mode optical signal.
  • the delay device 84 connected between the demultiplexer 83 and each of the n photodiodes 10-1 to 10-n in the optical receiver 1 illustrated in FIG. It may be replaced with a Variable Optical Attenuator (VOA) 85.
  • the variable optical attenuator 85 may include, for example, a silicon pin diode.
  • the variable optical attenuator 85 absorbs light and attenuates the light intensity by injecting a current. By adjusting the current injected into each variable optical attenuator 85, optical loss occurring in the polarization splitter rotator 82 or demultiplexer 83 can be compensated for.
  • variable optical attenuator 85 allows the optical signal with a large optical loss to pass through.
  • the light receiving sensitivity of the optical signal of any polarization or wavelength can be made close to uniform.
  • the optical receiver 1 may include both a variable optical attenuator 85 and a delay device 84 between the demultiplexer 83 and each of the n photodiodes 10-1 to n. good.
  • the optical receiver 1 can detect an optical signal using the photodiode 10 configured to reduce return light. By reducing the returned light, the optical signal returning to the input section 81 can be reduced. By reducing the optical signal returning to the input section 81, stable operation of the light source or modulator transmitting the optical signal to the input section 81 can be maintained. As a result, the reliability of the optical communication system using the optical receiver 1 can be improved.
  • the photodiode 10 is used as a photodetection device that detects an optical signal.
  • the photodetector is not limited to the photodiode 10, and other light receiving elements such as a phototransistor may be used. Even when another light-receiving element is used as the photodetector, the reliability of the optical communication system can be improved by configuring the optical communication system to reduce return light.
  • the polarization splitter rotator 82 includes a first waveguide 140, a second waveguide 142, Equipped with It is assumed that the first waveguide 140 and the second waveguide 142 are formed on an insulating layer 151 of a substrate 150.
  • Substrate 150 may be constructed of various materials, such as silicon.
  • Insulating layer 151 may be composed of various materials such as silicon dioxide.
  • the first waveguide 140 and the second waveguide 142 extend at least partially along the first direction (Z-axis direction). At least a portion of the first waveguide 140 and at least a portion of the second waveguide 142 may be located parallel to each other.
  • the first waveguide 140 has an asymmetric portion 141 that is asymmetric in a cross section normal to the first direction (Z-axis direction). Further, the first waveguide 140 is not line-symmetrical with respect to the normal to the surface of the substrate 50 in a cross section whose normal is the first direction.
  • the cross-sectional shape of the first waveguide 140 is asymmetrical, but the cross-sectional shape of the second waveguide 142 may be asymmetrical. At least one of the first waveguide 140 and the second waveguide 142 may have an asymmetrical cross-sectional shape.
  • the first waveguide 140 has a first port 143 at the end in the negative direction of the Z-axis, and a second port 143 at the end in the positive direction of the Z-axis, that is, the end opposite to the first port 143. It has a port 144.
  • the second waveguide 142 has a first portion 146 located along the first waveguide 140 and a second portion 147 that moves away from the first waveguide 140 as it progresses in the positive direction of the Z-axis.
  • the second portion 147 may be configured in a curved shape, or may be configured in a straight line inclined with respect to the direction in which the first waveguide 140 extends.
  • the second portion 147 is located closer to the positive direction of the Z-axis than the first portion 146 is.
  • the second portion 147 has a third port 145 at the end opposite to the side where it connects to the first portion 146 .
  • the first port 143 of the first waveguide 140 may be configured to be able to input electromagnetic waves.
  • the second port 144 may be configured to be able to output electromagnetic waves.
  • the third port of the second waveguide 142 may be configured to be able to output electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave input to the first port 143 travels through the first waveguide 140 in the positive direction of the Z-axis. At least a portion of the electromagnetic wave traveling through the first waveguide 140 transfers to the second waveguide 142 .
  • the electromagnetic waves remaining in the first waveguide 140 travel to the second port 144 and are output from the second port 144.
  • the electromagnetic wave transferred to the second waveguide 142 travels to the third port 145 and is output from the third port 145.
  • the second port 144 of the first waveguide 140 may be configured to be able to input electromagnetic waves.
  • the third port 145 of the second waveguide 142 may be configured to be able to input electromagnetic waves.
  • the first port 143 of the first waveguide 140 may be configured to be able to output electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave input to the second port 144 travels through the first waveguide 140 in the negative direction of the Z-axis.
  • the electromagnetic wave input to the third port 145 transfers to the first waveguide 140 while traveling in the negative direction of the Z-axis through the first portion 146 of the second waveguide 142 .
  • a composite electromagnetic wave that is a combination of the electromagnetic wave input to the second port 144 and the electromagnetic wave input to the third port 145 travels in the negative direction of the Z-axis.
  • the composite electromagnetic wave travels to the first port 143 and is output from the first port 143.
  • the first waveguide 140 and the second waveguide 142 separate the respective polarized waves.
  • the first polarized wave may be output from the second port 144 and the second polarized wave may be output from the third port 145.
  • the electromagnetic wave of the first polarization is input to the second port 144, and the electromagnetic wave of the second polarization is input to the third port 145.
  • the electromagnetic wave obtained by combining the respective polarized waves may be configured to be output from the first port 143.
  • the above-mentioned configuration can be achieved by appropriately designing, for example, the shape of the asymmetric portion 141 of the first waveguide 140, or the length or interval of the portion where the first waveguide 140 and the second waveguide 142 are lined up along each other.
  • This can be achieved by In this embodiment, it is assumed that the first polarized wave is a TE mode polarized wave. It is assumed that the second polarized wave is a TM mode polarized wave.
  • FIG. 12 shows the results of simulating the characteristics of the polarization splitter rotator 82 according to this embodiment.
  • the horizontal axis represents wavelength.
  • the unit of wavelength is nm (nanometer).
  • the vertical axis represents connection loss (IL).
  • the unit of connection loss is dB (decibel).
  • electromagnetic waves including TE mode polarization and TM mode polarization are input to the first port 143.
  • the TE mode polarization component output from the second port 144 is indicated by a dashed line.
  • the TM mode polarization component output from the second port 144 is indicated by a chain double-dashed line.
  • the TE mode polarization component output from the third port 145 is shown by a solid line.
  • the TM mode polarization component output from the third port 145 is indicated by a broken line.
  • the electromagnetic waves output from the second port 144 include many TE mode polarized waves.
  • the electromagnetic waves output from the third port 145 contain many TM mode polarized waves.
  • the polarization splitter rotator 82 according to this embodiment is able to separate the TE mode polarization and the TM mode polarization.
  • FIG. 13 shows the results of actually measuring the characteristics of the polarization splitter rotator 82 according to this embodiment.
  • the horizontal axis represents wavelength.
  • the unit of wavelength is nm (nanometer).
  • the vertical axis represents connection loss (IL).
  • the unit of connection loss is dB (decibel).
  • electromagnetic waves containing TE mode polarization and TM mode polarization are input to the first port 143.
  • the actual measured value of the TE mode polarization component output from the second port 144 is indicated by a dashed-dotted line.
  • the actual measured value of the TM mode polarization component output from the second port 144 is indicated by a two-dot chain line.
  • the actual measured value of the TE mode polarization component output from the third port 145 is shown by a solid line.
  • the actual measured value of the TM mode polarization component output from the third port 145 is indicated by a broken line.
  • the electromagnetic waves output from the second port 144 contain many TE mode polarized waves.
  • the electromagnetic waves output from the third port 145 contain many TM mode polarized waves.
  • the polarization splitter rotator 82 according to the present embodiment is able to separate the TE mode polarization and the TM mode polarization.
  • the polarization splitter rotator 82 may include a first waveguide 140 and a second waveguide 142. At least a portion of the first waveguide 140 and at least a portion of the second waveguide 142 may be located side by side along the first direction (Z-axis direction in FIG. 6).
  • the first waveguide 140 is configured to allow input or output of electromagnetic waves including a first polarized wave (for example, TE mode polarized wave) and a second polarized wave (for example, TM mode polarized wave).
  • the second port may be configured to allow output of the separated first polarized wave or input of the first polarized wave.
  • the second waveguide 142 has a third port configured to allow the output of the separated second polarized wave, the separated and rotated second polarized wave, or the input of the second polarized wave. It's fine.
  • the shape of the cross section of at least one of the first waveguide 140 and the second waveguide 142 with the first direction (Z-axis direction in FIG. 6) as the normal line may not be line symmetrical. Further, the shape of the cross section of the first waveguide 140 with the first direction (Z-axis direction in FIG. 6) as the normal line may be asymmetrical.
  • the polarization splitter rotator 82 may be configured as shown in FIGS. 14, 15, and 16.
  • the first portion 146 of the second waveguide 142 may be configured such that the line width is not constant.
  • the first portion 146 may have a tapered shape, for example, becoming thinner on the first port 143 side and thicker on the side connected to the second portion 147.
  • the first portion 146 may be configured as an adiabatic tapered waveguide.
  • FIG. 15 shows a cross section of the first portion 146 near the first port 143 and the first waveguide 140.
  • FIG. 16 shows a cross section of the first portion 146 on the side far from the first port 143 and the first waveguide 140.
  • the distance D1 between the first waveguide 140 and the second waveguide 142 on the side closer to the first port 143 is longer than the distance D2 between the first waveguide 140 and the second waveguide 142 on the side farther from the first port 143. It can be made longer.
  • the width of at least one of the first waveguide 140 and the second waveguide 142 in the direction intersecting the first direction changes at least partially along the first direction. good.
  • the width of the first waveguide 140 and the second waveguide 142 or the distances D1 and D2 may be set to, for example, several hundred nm (nanometers).
  • the second waveguide 142 may be configured to rotate the TM mode polarized wave separated from the first waveguide 140 and output it as TE mode polarized wave from the third port 145.
  • the first waveguide 140 and the second waveguide 142 may be formed including silicon. Further, the first waveguide 140 and the second waveguide 142 may be formed on a silicon substrate 150. Since the waveguide is formed of silicon, the device including the polarization splitter rotator 82 can be easily manufactured using a silicon process.
  • the first waveguide 140 and the second waveguide 142 are not limited to silicon, and may be formed using various other dielectric materials.
  • the polarization splitter rotator 82 may have an asymmetric directional coupler structure.
  • the shape of the first waveguide 140 having input/output ports on both sides is asymmetric, and has an input/output port on one side so that the polarization splitter rotator 82 can branch from the first waveguide 140 or merge into the first waveguide 140.
  • the shape of the second waveguide may be symmetrical.
  • the polarization splitter rotator 82 may have a cross output port as a symmetrical waveguide.
  • the width of the asymmetrically shaped waveguide may be 300 nanometers (300 nm) or more.
  • polarization splitter rotator 82 may have a structure that can be fabricated in a commercial foundry.
  • a commercial foundry may refer to a foundry capable of mass production regardless of scale.
  • the waveguide width of the symmetrical shape may be designed to be non-uniform. This makes the device robust to manufacturing tolerances.
  • the line width of each of the asymmetrical first waveguide 140 and the symmetrical second waveguide 142 is larger than 200 nanometers (200 nm) even at the narrowest point. good. Further, the distance between the first waveguide 140 and the second waveguide 142 may be larger than 200 nanometers (200 nm) even in a narrow place. In this case as well, the device has a structure that is robust to manufacturing tolerances. Waveguides can be fabricated in a 180 nanometer (180 nm) wide process if the line width or line spacing of the waveguide is made greater than 200 nanometers even at narrow points.
  • a 180-nanometer-wide process is said to be technically easier to produce and has lower manufacturing costs than cutting-edge processes. Therefore, if the line width or line spacing of the waveguide is made larger than 200 nanometers even in a narrow area, it is possible to improve the manufacturing yield of the device or reduce the manufacturing cost.
  • the asymmetric first waveguide 140 is configured to have input/output ports on both sides, so that the line widths of the first waveguide 140 and the second waveguide 142 are increased. Robustness may be ensured even if the size is increased.
  • the polarization splitter rotator 82 As described above, by using an asymmetric directional coupler structure, the polarization splitter rotator 82 with a simple structure can be realized. Furthermore, the polarization splitter rotator 82 can be manufactured in a commercial foundry by being designed so that the width of the symmetrical waveguide is not constant.
  • descriptions such as “first” and “second” are identifiers for distinguishing the configurations.
  • the numbers in the configurations can be exchanged.
  • the first waveguide 140 can exchange the identifiers “first” and “second” with the second waveguide 142.
  • the exchange of identifiers takes place simultaneously.
  • the configurations are distinguished.
  • Identifiers may be removed.
  • Configurations with removed identifiers are distinguished by codes.
  • the description of identifiers such as “first” and “second” in this disclosure should not be used to interpret the order of the configuration or to determine the existence of lower-numbered identifiers.
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis are provided for convenience of explanation, and may be interchanged with each other. Configurations according to the present disclosure have been described using a Cartesian coordinate system comprised of an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis. The positional relationship of each component according to the present disclosure is not limited to being in an orthogonal relationship.
  • an optical integrated circuit device includes a first waveguide and a second waveguide. At least a portion of the first waveguide and at least a portion of the second waveguide are located side by side along the first direction.
  • the first waveguide has a first port configured to allow input or output of electromagnetic waves including a first polarized wave and a second polarized wave, and an output of the separated first polarized wave, or and a second port configured to allow input of the first polarized wave.
  • the second waveguide has a third port configured to be capable of outputting the separated second polarized wave, the separated and rotated second polarized wave, or inputting the second polarized wave. has.
  • a cross-sectional shape of at least one of the first waveguide and the second waveguide with the first direction as the normal line is not axisymmetric.
  • the shape of the cross section of the first waveguide with the first direction as the normal line may be asymmetrical.
  • the width of at least one of the first waveguide or the second waveguide in the direction intersecting the first direction is It may vary in at least a portion along one direction.
  • the first waveguide and the second waveguide may be formed including silicon.
  • the line width of each of the first waveguide and the second waveguide may be greater than 200 nm.
  • Optical receiver (81: input section, 82: polarization splitter rotator (PSR), 822: polarization splitter (PS), 83: demultiplexer (DEMUX), 84: delay device, 85: variable optical attenuator (VOA)) 10 Photodiode 50 Substrate 140 First waveguide (141: asymmetrical part, 143: first port, 144: second port) 142 Second waveguide (145: third port, 146: first part, 147: second part) 150 Substrate (151: Insulating layer)

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Abstract

光集積回路素子は、第１導波路と第２導波路とを備える。第１導波路の少なくとも一部と第２導波路の少なくとも一部とは第１方向に沿って並んで位置する。第１導波路は、第１の偏波と第２の偏波とを含む電磁波の入力又は出力が可能に構成される第１ポートと、分離した第１の偏波の出力、又は、第１の偏波の入力が可能に構成される第２ポートとを有する。第２導波路は、分離した第２の偏波若しくは分離して回転させた第２の偏波の出力、又は、第２の偏波の入力が可能に構成される第３ポートを有する。第１導波路又は第２導波路の少なくとも一方の、第１方向を法線とする断面の形状は、線対称でない。

Description

光集積回路素子 関連出願へのクロスリファレンス
　本出願は、日本国特許出願２０２２－１４８６０４号（２０２２年９月１６日出願）及び日本国特許出願２０２２－２０３７５１号（２０２２年１２月２０日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　本開示は、光集積回路素子に関する。
　ＴＭ０モードからＴＥ１モードへ変換するモード変換器と方向性結合器との組み合わせによって偏波の分離及び回転を実現する素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特表２０１７－５３６５７２号公報
　本開示の一実施形態に係る光集積回路素子は、第１導波路と、第２導波路とを備える。前記第１導波路の少なくとも一部と、前記第２導波路の少なくとも一部とは、第１方向に沿って並んで位置する。前記第１導波路は、第１の偏波と第２の偏波とを含む電磁波の入力又は出力が可能に構成される第１ポートと、分離した前記第１の偏波の出力、又は、前記第１の偏波の入力が可能に構成される第２ポートとを有する。前記第２導波路は、分離した前記第２の偏波若しくは分離して回転させた前記第２の偏波の出力、又は、前記第２の偏波の入力が可能に構成される第３ポートを有する。前記第１導波路又は前記第２導波路の少なくとも一方の、前記第１方向を法線とする断面の形状は、線対称でない。
一実施形態に係る光レシーバの構成例を示すブロック図である。 光レシーバの他の構成例を示すブロック図である。 図２の構成例において偏光スプリッタローテータを偏光スプリッタに置き換えた場合の光レシーバの構成例を示すブロック図である。 図２の構成例においてフォトダイオードの前に接続される遅延器を可変減衰器に置き換えた場合の光レシーバの構成例を示すブロック図である。 図４の構成例においてフォトダイオードの前に接続される可変減衰器とフォトダイオードとの間に遅延器を更に備える場合の光レシーバの構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る偏光スプリッタローテータの構成例を示す平面図である。 図６のＢ－Ｂ断面図である。 図６のＣ－Ｃ断面図である。 図６のＤ－Ｄ断面図である。 図６のＥ－Ｅ断面図である。 図６のＦ－Ｆ断面図である。 一実施形態に係る偏光スプリッタローテータの出力特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 一実施形態に係る偏光スプリッタローテータの出力特性の実測結果を示すグラフである。 偏光スプリッタローテータの他の構成例を示す平面図である。 図１４のＧ－Ｇ断面図である。 図１４のＨ－Ｈ断面図である。
　モード変換器及び方向性結合器の２つの素子を組み合わせた素子において、少なくとも一方の製造誤差によって性能が低下し得る。つまり、製造誤差に対してロバストでない。したがって、最先端プロセスに比べて技術的に作りやすく、かつ、製造コストが低いとされる０．１８μｍ（１８０ｎｍ）幅のプロセスで２つの素子を組み合わせた素子を作成した場合に、素子の特性を制御することが難しい。また、非対称な構造を有する方向性結合器についても、０．１８μｍ幅のプロセスで作成した場合に、方向性結合器の特性を制御することが難しい。本開示によれば、０．１８μｍ幅のプロセスで作成した場合でも特性を制御しやすい光集積回路素子が提供され得る。
　データセンター内の光通信において、デジタルシグナルプロセッサが簡便かつ低消費電力であることから、直接変調直接検波方式が広く用いられている。一方で、データセンター内光通信のトラフィック増大に伴い、より高密度なデータ伝送が求められており、シリコンを用いた光集積回路、特に小型の波長多重光回路を有する光トランシーバが検討されている。この中で、シリコンによって実現される波長多重光回路として、直列マッハツェンダー型干渉系又はアレイ導波路型グレーティングなどが用いられ得る。これらの波長多重光回路は、いずれも光の偏波によって特性が大きく変化するという特徴を有する。一方で、データセンター内の既設の光ファイバ網はシングルモード光ファイバが広く用いられている。しかし、この光ファイバは偏波保持特性を有していない。したがって、配線の曲げ部分又は接続部分を光が通過するたびに光の偏波がランダムに変化する。そこで、どのような偏波に対しても光レシーバの特性が均一になるように、光回路の前段に偏光スプリッタローテータを設け、入射した光をＴＥ（Transverse Electric）成分とＴＭ（Transverse Magnetic）成分とに分離し、それぞれを別々の波長多重光回路に入射させる必要がある。直接変調直接偏波方式において、ＴＥ又はＴＭのいずれかに偏光させた後、波長多重光回路の出力をフォトダイオードで受光し、各偏波成分に対応するフォトダイオードの出力の和を検出する必要がある。
　モード変換器及び方向性結合器の２つの素子を組み合わせた素子において、少なくとも一方の製造誤差によって性能が低下し得る。つまり、製造誤差に対してロバストでない。したがって、最先端プロセスに比べて技術的に作りやすく、かつ、製造コストが低い０．１８μｍ（１８０ｎｍ）幅のプロセスで２つの素子を組み合わせた素子を作成した場合に、素子の特性を制御することが難しい。また、非対称な構造を有する方向性結合器についても、０．１８μｍ幅のプロセスで作成した場合に、方向性結合器の特性を制御することが難しい。０．１８μｍ幅のプロセスで作成した場合でも特性を制御できる構造が求められる。
　本開示の一実施形態に係る光レシーバ１（図１等参照）は、光通信システムにおいて、光信号を送信する構成と組み合わせて用いられてよい。光信号を送信する構成は、光源及び変調器を含んでよい。
　光源は、例えば、ＬＤ（Laser Diode）又はＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の半導体レーザを含んでよい。光源は、可視光に限られず種々の波長の電磁波を射出するデバイスを含んでよい。変調器は、電磁波の強度を変化させることによって変調する。変調器は、例えば、電磁波をパルス変調してもよい。
　光信号を送信する構成は、信号入力部を更に含み得る。信号入力部は、外部装置等からの信号の入力を受け付ける。信号入力部は、例えばＤ／Ａコンバータを含んでよい。信号入力部は、変調器に信号を出力する。変調器は、信号入力部で取得した信号に基づいて、電磁波を変調する。
　図２に示されるように、光レシーバ１は、偏光スプリッタローテータ８２と２つの分波器８３それぞれとの間、及び、分波器８３とｎ個のフォトダイオード１０－１～ｎそれぞれとの間に、遅延器８４を更に備えてよい。遅延器８４は、光信号の伝搬を遅延させる。光レシーバ１は、導波路の製造誤差によって生じる光信号の遅延のずれを遅延器８４によって補償する。光レシーバ１は、遅延器８４を備えることによって、フォトダイオード１０から出力される、ＴＥモードの光信号と、ＴＭモードの光信号を変換したＴＥモードの光信号とを合わせた信号のジッタを低減できる。
　遅延器８４は、例えば、所定の長さを有する導波路として構成され、かつ、ヒータによって導波路の実効屈折率を調整可能に構成されてよい。遅延器８４は、所定の長さを有する位相変調器として構成され、かつ、電圧の印加によって位相変調量を調整可能に構成されてよい。
　図３に示されるように、光レシーバ１において、偏光スプリッタローテータ８２が偏光スプリッタ（ＰＳ：Polarizing Splitter）８２２に置き換えられてよい。偏光スプリッタ８２２は、入力された光信号を、ＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号とに分離する。ＴＥモードの光信号の伝搬速度とＴＭモードの光信号の伝搬速度とは、互いに異なる。光レシーバ１は、ＴＥモードの光信号とＴＭモードの光信号との遅延のずれを補償するように、遅延器８４を備えてよい。
　図４に示されるように、図２に例示される光レシーバ１において分波器８３とｎ個のフォトダイオード１０－１～ｎそれぞれとの間に接続されていた遅延器８４が、可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）８５に置き換えられてよい。可変光減衰器８５は、例えばシリコンのｐｉｎダイオードを含んで構成されてよい。可変光減衰器８５は、電流を注入することによって光を吸収し、光強度を減衰させる。各可変光減衰器８５に注入する電流を調整することによって、偏光スプリッタローテータ８２又は分波器８３において生じる光損失が補償され得る。したがって、偏光スプリッタローテータ８２又は分波器８３における光損失が光信号の偏波又は波長の違いに起因して均一ではない場合でも、光損失が大きい条件の光信号が通過する可変光減衰器８５の電流値を小さくし、光損失が小さい条件の光信号が通過する可変光減衰器８５の電流値を大きくすることによって、任意の偏波又は波長の光信号の受光感度を均一に近づけ得る。
　図５に示されるように、光レシーバ１は、分波器８３とｎ個のフォトダイオード１０－１～ｎそれぞれとの間に、可変光減衰器８５と遅延器８４とを両方とも備えてもよい。
　以上述べてきたように、本実施形態に係る光レシーバ１は、戻り光を低減するように構成されたフォトダイオード１０によって光信号を検出できる。戻り光が低減されることによって、入力部８１に戻る光信号が低減され得る。入力部８１に戻る光信号が低減されることによって入力部８１に光信号を送信する光源又は変調器の安定な動作が維持され得る。その結果、光レシーバ１を用いる光通信システムの信頼性が高められ得る。
＜光検出装置＞
　本開示に係るフォトダイオード１０は、光信号を検出する光検出装置として用いられる。光検出装置として、フォトダイオード１０に限られず、フォトトランジスタ等の他の受光素子が用いられてもよい。光検出装置として他の受光素子が用いられる場合においても、戻り光が低減するように構成されることによって、光通信システムの信頼性が高められ得る。
（偏光スプリッタローテータ８２の構成例）
　図６、並びに、図７、図８、図９、図１０及び図１１に例示されるように、一実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、第１導波路１４０と、第２導波路１４２とを備える。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、基板１５０の絶縁層１５１の上に形成されているとする。基板１５０は、シリコン等の種々の材料で構成されてよい。絶縁層１５１は、二酸化シリコン等の種々の材料で構成されてよい。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、少なくとも一部において、第１方向（Ｚ軸方向）に沿って延在する。第１導波路１４０の少なくとも一部と第２導波路１４２の少なくとも一部とは、互いに平行に並んで位置してよい。
　第１導波路１４０は、図８、図９及び図１０に例示されるように、第１方向（Ｚ軸方向）を法線とする断面において非対称になる、非対称部分１４１を有する。また、第１導波路１４０は、第１方向を法線とする断面において、基板５０の表面の法線に対して線対称になっていない。本実施形態において、第１導波路１４０の断面形状が非対称であるが、第２導波路１４２の断面形状が非対称であってよい。第１導波路１４０又は第２導波路１４２の少なくとも一方の断面形状が非対称であってよい。
　第１導波路１４０は、Ｚ軸の負の方向の側の端に第１ポート１４３を有し、Ｚ軸の正の方向の側の端、つまり第１ポート１４３と反対側の端に第２ポート１４４を有する。
　第２導波路１４２は、第１導波路１４０に沿って位置する第１部分１４６と、Ｚ軸の正の方向に進むにつれて第１導波路１４０から離れる第２部分１４７とを有する。第２部分１４７は、曲線状に構成されてもよいし、第１導波路１４０が延在する方向に対して傾斜する直線状に構成されてもよい。第２部分１４７は、第１部分１４６よりもＺ軸の正の方向の側に位置する。第２部分１４７は、第１部分１４６に接続する側の反対側の端に第３ポート１４５を有する。
　第１導波路１４０の第１ポート１４３は、電磁波を入力可能に構成されてよい。第２ポート１４４は、電磁波を出力可能に構成されてよい。第２導波路１４２の第３ポートは、電磁波を出力可能に構成されてよい。第１ポート１４３に入力された電磁波は、第１導波路１４０をＺ軸の正の方向に進行する。第１導波路１４０を進行する電磁波の少なくとも一部は、第２導波路１４２に乗り移る。第１導波路１４０に残った電磁波は、第２ポート１４４まで進行し、第２ポート１４４から出力される。第２導波路１４２に乗り移った電磁波は、第３ポート１４５まで進行し、第３ポート１４５から出力される。
　第１導波路１４０の第２ポート１４４は、電磁波を入力可能に構成されてよい。第２導波路１４２の第３ポート１４５は、電磁波を入力可能に構成されてよい。第１導波路１４０の第１ポート１４３は、電磁波を出力可能に構成されてよい。第２ポート１４４に入力された電磁波は、第１導波路１４０をＺ軸の負の方向に進行する。一方で、第３ポート１４５に入力された電磁波は、第２導波路１４２の第１部分１４６をＺ軸の負の方向に進行しつつ、第１導波路１４０に乗り移る。その結果、第１導波路１４０において、第２ポート１４４に入力された電磁波と第３ポート１４５に入力された電磁波とを合わせた合成電磁波がＺ軸の負の方向に進行する。合成電磁波は、第１ポート１４３まで進行し、第１ポート１４３から出力される。
　ここで、第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、第１ポート１４３に第１の偏波と第２の偏波とを含む電磁波が入力された場合に、それぞれの偏波を分離して、第１の偏波を第２ポート１４４から出力し、第２の偏波を第３ポート１４５から出力するように構成されてよい。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、逆に、第２ポート１４４に第１の偏波の電磁波が入力され、かつ、第３ポート１４５に第２の偏波の電磁波が入力された場合に、それぞれの偏波を合成した電磁波を第１ポート１４３から出力するように構成されてよい。上述した構成は、例えば、第１導波路１４０の非対称部分１４１の形状、又は、第１導波路１４０と第２導波路１４２とが互いに沿って並んでいる部分の長さ若しくは間隔等を適宜設計することによって実現され得る。本実施形態において、第１の偏波はＴＥモードの偏波であるとする。第２の偏波はＴＭモードの偏波であるとする。
　図１２に、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２の特性をシミュレーションした結果が示される。図１２のグラフにおいて、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸は接続損失（Insertion Loss：ＩＬ）を表す。接続損失の単位はｄＢ（デシベル）である。シミュレーションにおいて、第１ポート１４３にＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを含む電磁波が入力されている。第２ポート１４４から出力されるＴＥモードの偏波の成分は、一点鎖線で示される。第２ポート１４４から出力されるＴＭモードの偏波の成分は、二点鎖線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＥモードの偏波の成分は、実線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＭモードの偏波の成分は、破線で示される。図１２のグラフに示されるように、第２ポート１４４から出力される電磁波は、ＴＥモードの偏波を多く含む。第３ポート１４５から出力される電磁波は、ＴＭモードの偏波を多く含む。つまり、シミュレーションによれば、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、ＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを分離できている。
　図１３に、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２の特性を実測した結果が示される。図１３のグラフにおいて、横軸は波長を表す。波長の単位はｎｍ（ナノメートル）である。縦軸は接続損失（Insertion Loss：ＩＬ）を表す。接続損失の単位はｄＢ（デシベル）である。実測に際して、第１ポート１４３にＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを含む電磁波が入力されている。第２ポート１４４から出力されるＴＥモードの偏波の成分の実測値は、一点鎖線で示される。第２ポート１４４から出力されるＴＭモードの偏波の成分の実測値は、二点鎖線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＥモードの偏波の成分の実測値は、実線で示される。第３ポート１４５から出力されるＴＭモードの偏波の成分の実測値は、破線で示される。図１３のグラフに示されるように、第２ポート１４４から出力される電磁波は、ＴＥモードの偏波を多く含む。第３ポート１４５から出力される電磁波は、ＴＭモードの偏波を多く含む。つまり、実測した結果においても、本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、ＴＥモードの偏波とＴＭモードの偏波とを分離できている。
　本実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、第１導波路１４０と第２導波路１４２とを備えてよい。第１導波路１４０の少なくとも一部と、第２導波路１４２の少なくとも一部とは、第１方向（図６のＺ軸方向）に沿って並んで位置してよい。第１導波路１４０は、第１の偏波（例えばＴＥモードの偏波）と第２の偏波（例えばＴＭモードの偏波）とを含む電磁波の入力又は出力が可能に構成される第１ポートと、分離した第１の偏波の出力、又は、第１の偏波の入力が可能に構成される第２ポートとを有してよい。第２導波路１４２は、分離した第２の偏波若しくは分離して回転させた第２の偏波の出力、又は、第２の偏波の入力が可能に構成される第３ポートを有してよい。第１導波路１４０又は第２導波路１４２の少なくとも一方の、第１方向（図６のＺ軸方向）を法線とする断面の形状は、線対称でなくてよい。また、第１導波路１４０の、第１方向（図６のＺ軸方向）を法線とする断面の形状は、非対称であってよい。
　偏光スプリッタローテータ８２は、図１４、図１５及び図１６に示されるように構成されてよい。第２導波路１４２の第１部分１４６は、線路幅が一定でないように構成されてよい。第１部分１４６は、例えば、第１ポート１４３の側で細くなり、第２部分１４７に接続する側で太くなるテーパ状に構成されてよい。第１部分１４６は、断熱性テーパ導波路（Adiabatic tapered waveguide）として構成されてもよい。
　図１５に、第１部分１４６の第１ポート１４３に近い側と第１導波路１４０との断面が示されている。図１６に、第１部分１４６の第１ポート１４３から遠い側と第１導波路１４０との断面が示されている。第１ポート１４３に近い側における第１導波路１４０と第２導波路１４２との距離Ｄ１は、第１ポート１４３から遠い側における第１導波路１４０と第２導波路１４２との距離Ｄ２よりも長くされてよい。つまり、第１導波路１４０又は第２導波路１４２の少なくとも一方の、第１方向（図１４のＺ軸方向）に交差する方向の幅は、第１方向に沿った少なくとも一部において変化してよい。図１５の断面の位置から図１６の断面の位置までの距離は、例えば数十μｍ（マイクロメートル）に設定されてよい。第１導波路１４０及び第２導波路１４２の幅、又は、距離Ｄ１及びＤ２は、例えば数百ｎｍ（ナノメートル）に設定されてよい。
　第２導波路１４２は、第１導波路１４０から分離されたＴＭモードの偏波を回転させてＴＥモードの偏波として第３ポート１４５から出力するように構成されてもよい。
　第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、シリコンを含んで形成されてよい。また、第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、シリコンの基板１５０の上に形成されてよい。導波路がシリコンによって形成されることによって、偏光スプリッタローテータ８２を含む素子がシリコンプロセスで容易に製造され得る。第１導波路１４０及び第２導波路１４２は、シリコンに限られず他の種々の誘電体材料を含んで形成されてもよい。
　一実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２は、非対称な方向性結合器構造を有してよい。偏光スプリッタローテータ８２は、両側に入出力ポートを有する第１導波路１４０の形状が非対称であり、片側に入出力ポートを有して第１導波路１４０から分岐したり第１導波路１４０に合流したりする第２導波路の形状が対称であるように構成されてよい。言い換えれば、偏光スプリッタローテータ８２は、クロスアウトプットのポートを対称形状の導波路としてよい。偏光スプリッタローテータ８２がこのように構成されることによって、非対称形状の導波路の幅が太くされ得る。例えば、非対称形状の導波路の幅が３００ナノメートル（３００ｎｍ）以上とされ得る。その結果、偏光スプリッタローテータ８２は、商用のファウンダリにおいて作製可能な構造を有し得る。商用のファウンダリは、規模にかかわらず量産が可能なファウンダリを意味してよい。
　商用のファウンダリにおいて量産される素子の寸法又は形状は製造公差を有する。製造公差を緩和するための構造として、対称形状の導波路幅が一定でないように設計されてよい。このようにすることで、素子が製造公差に対してロバストな構造となる。
　一実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２において、非対称形状の第１導波路１４０、及び、対称形状の第２導波路１４２のそれぞれの線幅は、狭いところでも２００ナノメートル（２００ｎｍ）より大きくされてよい。また、第１導波路１４０と第２導波路１４２との間隔は、狭いところでも２００ナノメートル（２００ｎｍ）より大きくされてよい。この場合においても、素子が製造公差に対してロバストな構造となる。導波路の線幅又は線間が狭いところでも２００ナノメートルより大きくされる場合、１８０ナノメートル（１８０ｎｍ）幅のプロセスで導波路が作製され得る。一般的に、１８０ナノメートル幅のプロセスは、最先端プロセスと比較して、技術的に作りやすく、かつ、製造コストが低いとされる。したがって、導波路の線幅又は線間が狭いところでも２００ナノメートルより大きくされる場合、素子の製造歩留まりの向上、又は、製造コストの削減が実現され得る。
　一実施形態に係る偏光スプリッタローテータ８２において、非対称形状の第１導波路１４０が両側に入出力ポートを有するように構成されることによって、第１導波路１４０及び第２導波路１４２の線幅が大きくされてもロバスト性が確保されることがある。
　以上述べてきたように、非対称な方向性結合器構造を用いることによって、単純な構造の偏光スプリッタローテータ８２が実現され得る。また、偏光スプリッタローテータ８２は、対称形状の導波路幅が一定でないように設計されることによって、商用ファウンダリにおいて作製可能となる。
　本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
　本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１導波路１４０は、第２導波路１４２と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。
　本開示において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。本開示に係る構成は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸によって構成される直交座標系を用いて説明されてきた。本開示に係る各構成の位置関係は、直交関係にあると限定されるものではない。
　一実施形態において、（１）光集積回路素子は、第１導波路と、第２導波路とを備える。前記第１導波路の少なくとも一部と、前記第２導波路の少なくとも一部とは、第１方向に沿って並んで位置する。前記第１導波路は、第１の偏波と第２の偏波とを含む電磁波の入力又は出力が可能に構成される第１ポートと、分離した前記第１の偏波の出力、又は、前記第１の偏波の入力が可能に構成される第２ポートとを有する。前記第２導波路は、分離した前記第２の偏波若しくは分離して回転させた前記第２の偏波の出力、又は、前記第２の偏波の入力が可能に構成される第３ポートを有する。前記第１導波路又は前記第２導波路の少なくとも一方の、前記第１方向を法線とする断面の形状は、線対称でない。
　（２）上記（１）に記載の光集積回路素子において、前記第１導波路の、前記第１方向を法線とする断面の形状は、非対称であってよい。
　（３）上記（１）又は（２）に記載の光集積回路素子において、前記第１導波路又は前記第２導波路の少なくとも一方の、前記第１方向に交差する方向の幅は、前記第１方向に沿った少なくとも一部において変化してよい。
　（４）上記（１）から（３）までのいずれか１つに記載の光集積回路素子において、前記第１導波路及び前記第２導波路は、シリコンを含んで形成されていてよい。
　（５）上記（１）から（４）までのいずれか１つに記載の光集積回路素子において、前記第１導波路及び前記第２導波路のそれぞれの線幅は、２００ｎｍより大きくてよい。
　１　光レシーバ（８１：入力部、８２：偏光スプリッタローテータ（ＰＳＲ）、８２２：偏光スプリッタ（ＰＳ）、８３：分波器（ＤＥＭＵＸ）、８４：遅延器、８５：可変光減衰器（ＶＯＡ））
　１０　フォトダイオード
　５０　基板
　１４０　第１導波路（１４１：非対称部分、１４３：第１ポート、１４４：第２ポート）
　１４２　第２導波路（１４５：第３ポート、１４６：第１部分、１４７：第２部分）
　１５０　基板（１５１：絶縁層）

Claims (5)

  1. 　第１導波路と、第２導波路とを備え、
    　前記第１導波路の少なくとも一部と、前記第２導波路の少なくとも一部とは、第１方向に沿って並んで位置し、
    　前記第１導波路は、第１の偏波と第２の偏波とを含む電磁波の入力又は出力が可能に構成される第１ポートと、分離した前記第１の偏波の出力、又は、前記第１の偏波の入力が可能に構成される第２ポートとを有し、
    　前記第２導波路は、分離した前記第２の偏波若しくは分離して回転させた前記第２の偏波の出力、又は、前記第２の偏波の入力が可能に構成される第３ポートを有し、
    　前記第１導波路又は前記第２導波路の少なくとも一方の、前記第１方向を法線とする断面の形状は、線対称でない、光集積回路素子。
  2. 　前記第１導波路の、前記第１方向を法線とする断面の形状は、非対称である、請求項１に記載の光集積回路素子。
  3. 　前記第１導波路又は前記第２導波路の少なくとも一方の、前記第１方向に交差する方向の幅は、前記第１方向に沿った少なくとも一部において変化する、請求項１に記載の光集積回路素子。
  4. 　前記第１導波路及び前記第２導波路は、シリコンを含んで形成されている、請求項１から３までのいずれか一項に記載の光集積回路素子。
  5. 　前記第１導波路及び前記第２導波路のそれぞれの線幅は、２００ｎｍより大きい、請求項４に記載の光集積回路素子。
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