特許 6383590 光受信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6383590

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】光受信装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/12 20060101AFI20180820BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/12 331

   G02B6/12 311

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-140063(P2014-140063)

(22)【出願日】2014年7月7日

(65)【公開番号】特開2016-18048(P2016-18048A)

(43)【公開日】2016年2月1日

【審査請求日】2017年4月4日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】鄭 錫煥

【審査官】 佐藤 洋允

(56)【参考文献】

【文献】 独国特許発明第１０１４７０５３（ＤＥ，Ｃ２）

【文献】 米国特許第０６５３８７８７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開平０５−３２３２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００８８７３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０９−２８１５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第０１／００９６６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１８６３５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ６／１２−６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力端より入力した光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号とに分離する偏波分離素子と、
前記偏波分離素子から出力された前記第２の信号の偏波面を９０度回転させる偏波回転素子と、
前記偏波分離素子から出力された前記第１の信号と前記偏波回転素子から出力された前記第２の信号とを合波して、互いに等しい振幅で第３の信号と第４の信号とに分岐する第１の光カプラと、
前記第３の信号の位相を制御する位相制御部と、
前記位相制御部から出力された第３の信号と前記第１の光カプラから出力された前記第４の信号とを合波して、互いに等しい振幅で第５の信号と第６の信号とに分岐する第２の光カプラと、
を有する光素子と、
前記第６の信号を複数の波長信号に分波する遅延干渉型合分波器と、
前記複数の波長信号を受光する受光部と、
を有することを特徴とする光受信装置。

【請求項2】

前記位相制御部は、前記入力端より入力した光の偏波状態に応じて前記第３の信号の位相を制御することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。

【請求項3】

前記第５の信号の強度を検出するフォトダイオードを有し、
前記位相制御部は、前記フォトダイオードにより検出された強度に応じて前記第３の信号の位相を制御することを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。

【請求項4】

前記位相制御部は、前記フォトダイオードにより検出される強度が閾値以下になるように前記第３の信号の位相を制御することを特徴とする請求項３に記載の光受信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光受信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信及び光インターコネクトに波長合分波素子等の光素子が用いられる。そして、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、モード断面積が数百μｍ角のＳｉ細線導波路に光信号を伝送させ、波長多重（ＷＤＭ：wavelength division multiplexing）により、処理容量を向上させることが検討されている。通常、光信号の伝送路では偏光状態が一定に保たれないため、光受信部にてＷＤＭ光信号を分波する際にＳｉ細線導波路の構造的な異方性による偏光成分間の特性ばらつきが応用上、深刻な問題となる。そして、Ｓｉ細線導波路の構造的な異方性による影響の抑制を図ったＷＤＭ偏波ダイバシティ構成のＭＲＲ（micro-ring resonator）型光波長フィルタが提案されている。

【0003】

しかしながら、上記の従来のＭＲＲ型光波長フィルタには、適用できる範囲が極めて限定的であるという問題点がある。例えば、低損失性及び広透過帯域幅の点で優れている遅延干渉計（ＤＭＺＩ：delayed Mach-Zehnder interferometer）を多段に接続した波長合分波器に適用することができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−２４４３２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の目的は、入力光の偏波状態の影響を抑制することができる適用範囲が広い光素子及び光受信装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

光受信装置の一態様には、入力端より入力した光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号とに分離する偏波分離素子と、前記偏波分離素子から出力された前記第２の信号の偏波面を９０度回転させる偏波回転素子と、前記偏波分離素子から出力された前記第１の信号と前記偏波回転素子から出力された前記第２の信号とを合波して、互いに等しい振幅で第３の信号と第４の信号とに分岐する第１の光カプラと、前記第３の信号の位相を制御する位相制御部と、前記位相制御部から出力された第３の信号と前記第１の光カプラから出力された前記第４の信号とを合波して、互いに等しい振幅で第５の信号と第６の信号とに分岐する第２の光カプラと、を有する光素子と、前記第６の信号を複数の波長信号に分波する遅延干渉型合分波器と、前記複数の波長信号を受光する受光部と、が含まれる。

【発明の効果】

【0008】

上記の光素子等によれば、適切な偏波分離素子、偏波回転素子及び位相制御部等が含まれるため、入力光の偏波状態の影響を抑制することができ、広く適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】参考例に係る合分波器の構成を示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る光素子の構成を示す図である。

【図3】第１の実施形態に係る光素子の動作を示す図である。

【図4】導波路の断面構造を示す図である。

【図5】位相制御部の断面構造を示す図である。

【図6】第２の実施形態に係る光素子の構成を示す図である。

【図7】フォトダイオードの断面構造を示す図である。

【図8】第３の実施形態に係る光受信装置の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（参考例）
本願発明者は、ＭＲＲ型光波長フィルタを参考にしつつ、ＤＭＺＩ型素子に適用可能な合分波器を見出した。図１は、参考例に係る合分波器の構成を示す図である。

【0011】

この参考例には、図１に示すように、ＷＤＭ光信号の偏光成分をＴＥ（transverse electric）信号（ＴＥモードの光）とＴＭ（transverse magnetic）信号（ＴＭモードの光）に分離する偏波スプリッタ（ＰＢＳ：polarization splitter）５０１、及びＴＭ信号をＴＥ信号（ＴＥ＊信号）に変換する偏波ローテータ（ＰＲ：polarization rotator）５０４が設けられている。ＴＥ信号を４分波するＤＭＺＩ型のデマルチプレクサ５１１及びＴＥ＊信号を４分波するＤＭＺＩ型のデマルチプレクサ５１２が設けられている。デマルチプレクサ５１１は導波路５０２により偏波スプリッタ５０１に接続されており、デマルチプレクサ５１２は導波路５０３により偏波ローテータ５０４を介して偏波スプリッタ５０１に接続されている。検出波長が相違する４つのフォトダイオード５２１〜５２４を含む受光部５２０が設けられており、フォトダイオード５２１〜５２４の各々に、デマルチプレクサ５１１からの波長信号及びデマルチプレクサ５１２からの波長信号が入力される。

【0012】

この参考例はＤＭＺＩ型素子に適用可能である。しかしながら、ＤＭＺＩ型素子の入力ポートは１つなので、ＴＥ信号を処理するデマルチプレクサ５１１及びＴＥ＊信号を処理するデマルチプレクサ５１２が必要であり、従来のＭＲＲ型光波長フィルタと比較すると必然的に素子全体のサイズが大きい。また、従来のＭＲＲ型光波長フィルタに設けられている２つの合分波素子と比べると、デマルチプレクサ５１１及びデマルチプレクサ５１２間で素子特性を揃えることは容易でない。更に、デマルチプレクサ５１１及びデマルチプレクサ５１２からの信号のフォトダイオード５２１〜５２４への入力に波長信号の合波が必要なため、両偏光信号間のスキュー調整も必要不可欠である。従って、安定した動作の実現には煩雑な調整が必要である。

【0013】

本願発明者は、更に鋭意検討を重ねた結果、下記の諸態様に想到した。以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

【0014】

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図２は、第１の実施形態に係る光素子の構成を示す図である。

【0015】

第１の実施形態に係る光素子１００には、図２に示すように、入力端より入力した光（入力光）を偏波面に応じてＴＥ信号とＴＭ信号とに分離する偏波スプリッタ１０１が含まれている。光素子１００には、偏波スプリッタ１０１から出力されたＴＭ信号の偏波面を９０度回転させてＴＥ＊信号とする偏波ローテータ１０４が含まれている。光素子１００には、偏波スプリッタ１０１から出力されたＴＥ信号と偏波ローテータ１０４から出力されたＴＥ＊信号とを合波する光カプラ１０５が含まれている。光カプラ１０５の入力側は導波路１０２及び導波路１０３により偏波スプリッタ１０１に接続されており、導波路１０３に偏波ローテータ１０４が設けられている。導波路１０２をＴＥ信号が伝搬し、導波路１０３をＴＭ信号及びＴＥ＊信号が伝搬する。光カプラ１０５の出力側に導波路１０７及び導波路１０８が接続されている。例えば、導波路１０７の光路長は導波路１０８の光路長と等しい。光カプラ１０５は、入力してきたＴＥ信号及びＴＥ＊信号を互いに等しい振幅で導波路１０７及び導波路１０８に分岐して出力する。導波路１０７及び導波路１０８は光カプラ１０６の入力側に接続されており、導波路１０７に位相制御部１０９が設けられている。光カプラ１０６は、導波路１０７を伝搬して位相制御部１０９から出力された信号と導波路１０８を伝搬してきた信号とを合波して、互いに等しい振幅で２つの信号に分岐する。光カプラ１０６の出力信号は出力ポート１１１及び出力ポート１１２から外部に出力される。光カプラ１０５及び光カプラ１０６は、例えば３ｄＢの光カプラである。位相制御部１０９には、例えばマイクロヒータが含まれている。導波路１０２を伝搬する信号が第１の信号の一例であり、導波路１０３を伝搬する信号が第２の信号の一例であり、導波路１０７を伝搬する信号が第３の信号の一例であり、導波路１０８を伝搬する信号が第４の信号の一例である。また、出力ポート１１２に出力される信号が第５の信号の一例であり、出力ポート１１１に出力される信号が第６の信号の一例であり、光カプラ１０５が第１の光カプラの一例であり、光カプラ１０６が第２の光カプラの一例である。

【0016】

この光素子１００では、光カプラ１０５に入力してくるＴＥ信号及びＴＥ＊信号の間の強度比は、入力光の偏光成分（ＴＥ信号及びＴＭ信号）の割合に依存する。光カプラ１０５から導波路１０７及び導波路１０８に出力される信号の振幅は互いに等しいが、そのまま光カプラ１０６に入力されると、出力ポート１１１から出力される信号及び出力ポート１１２から出力される信号の強度が安定しない。そこで、本実施形態では、位相制御部１０９が導波路１０７を伝搬する信号の位相を、導波路１０８を伝搬する信号（第４の信号）と同位相又は逆位相となるように制御する。例えば、入力光中でＴＭ信号の割合がＴＥ信号の割合よりも高い場合には、図３（ａ）に示すように、入力光に対するＴＭ信号の割合（偏波消光比（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ））に応じて、−１πラジアン〜−０．５πラジアンの位相変化を、導波路１０７を伝搬する信号に付与する。ここで、負の偏波消光比はＴＭモードの割合が高いことを意味し、正の偏波消光比はＴＥモードの割合が高いことを意味する。尚、ＴＥ信号の割合が増大するにつれて、−０．５πラジアン〜０πラジアンの位相変化を、導波路１０７を伝搬する信号に付与すればよい。この結果、図３（ｂ）に示すように、過剰損失を抑制して安定した信号を出力ポート１１１から出力させることができる。この場合、位相変化の量は、例えば位相制御部１０９に設けられたヒータの温度により調整される。

【0017】

このように、光素子１００によれば、入力光の偏波状態の影響を受けることなく、安定した出力状態を得ることができ、また、ＤＭＺＩ型素子等の種々の波長合分波器に適用することが可能である。更に、参考例では、２つのデマルチプレクサが設けられているために、素子特性を揃える必要があり、スキュー調整も必要であるのに対し、光素子１００では、これらの煩雑な調整は必要とされない。

【0018】

導波路１０２、導波路１０３、導波路１０７及び導波路１０８には、例えば図４（ａ）に示す断面構造のＳｉ細線導波路が用いられる。図４（ａ）に示すチャネル構造では、Ｓｉ基板１１上に、Ｓｉ酸化物の埋め込み酸化層１２、Ｓｉ層１３及びＳｉ酸化層１４が設けられている。Ｓｉ層１３の厚さは２２０ｎｍであり、幅は４５０ｎｍである。このようなチャネル構造は、例えば、次のようにして形成することができる。先ず、Ｓｉ基板、Ｓｉ酸化物の層及びＳｉ層を備えたＳＯＩ基板を準備する。次いで、光露光又は電子ビーム露光等によって導波路又は光カプラを構成する部分を覆うフォトマスクを形成する。その後、フォトマスクを用いてＳｉ層のドライエッチングを行うことにより、所定のパターン形状のＳｉ層１３を形成する。ドライエッチングとしては、例えば反応性イオンエッチングを行う。続いて、Ｓｉ酸化層１４を蒸着法等により形成する。このようにして、Ｓｉ基板１１、埋め込み酸化層１２、Ｓｉ層１３及びＳｉ酸化層１４を備えたチャネル構造が得られる。なお、図４（ｂ）に示すようなリブ導波路構造を採用してもよい。この場合、Ｓｉ層１３に代えて、５０ｎｍ程度のスラブ高を有するＳｉ層１５が用いられる。

【0019】

位相制御部１０９には、例えば図５に示す断面構造のマイクロヒータを備えたＳｉ細線導波路が用いられる。この構造では、Ｓｉ酸化層１４中に抵抗体としてＴｉ層２１が形成され、このＴｉ層２１にＡｌ層２２が電極として接続されている。Ｔｉ層２１は、当該Ｔｉ層２１で発生した熱がＳｉ層１３に届く位置に、Ｓｉ層１３から絶縁されるようにして形成されている。

【0020】

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態に係る光素子の構成を示す図である。

【0021】

第２の実施形態では、図６に示すように、出力ポート１１２にフォトダイオード１１３が接続されており、フォトダイオード１１３の出力が位相制御部１０９に入力される。位相制御部１０９は、フォトダイオード１１３に流れる電流量が任意の閾値以下になるように、好ましくは最小値となるように、導波路１０７を伝搬する信号に位相変化を付与する。この位相変化の量は、図３（ａ）に示すものと実質的に一致する。他の構成は第１の実施形態と同様である。

【0022】

第２の実施形態に係る光素子２００によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。更に、位相制御を容易に行うことができる。

【0023】

フォトダイオード１１３には、例えば図７に示す断面構造のｐｉｎダイオードが用いられる。この構造では、図４（ｂ）に示すリブ導波路構造のリブ領域にｐ⁺領域３１が形成され、Ｓｉ層１５のコア領域上にＧｅ層３３が形成され、Ｇｅ層３３の表面にｎ⁺領域３４が形成されている。また、Ｓｉ酸化層１４中に、ｐ⁺領域３１に接触するＡｌ層３２及びｎ⁺領域３４に接触するＡｌ層３５が電極として形成されている。例えば、ｐ⁺領域３１はリブ領域へのｐ型不純物のイオン注入により形成することができ、Ｇｅ層３３はコア領域上への結晶成長により形成することができ、ｎ⁺領域３４はＧｅ層３３へのｎ型不純物のイオン注入により形成することができる。

【0024】

なお、図３（ｂ）からわかるように、偏波消光比が１０ｄＢ程度以下であれば、位相制御部１０９による位相制御を省略したとしても、過剰損失は１ｄＢ以下に抑制することができる。

【0025】

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、光受信装置の一例である。図８は、第３の実施形態に係る光受信装置の構成を示す図である。

【0026】

第３の実施形態に係る光受信装置３００には、図８に示すように、第２の実施形態に係る光素子２００、デマルチプレクサ２０１及び受光部２１０が含まれている。デマルチプレクサ２０１が光素子２００の出力ポート１１１に接続され、受光部２１０に４つのフォトダイオード２１１〜２１４が含まれ、これらがデマルチプレクサ２０１の４つの出力ポートに接続されている。フォトダイオード２１１〜２１４の断面構造は、例えば図７に示すフォトダイオード１１３のそれと同様であり、フォトダイオード１１３及びフォトダイオード２１１〜２１４は、例えば一つのフォトダイオードアレイに含まれている。デマルチプレクサ２０１は遅延干渉型合分波器の一例である。

【0027】

この光受信装置３００では、光素子２００から安定して出力されたＴＥモードのＷＤＭ光信号がデマルチプレクサ２０１に入力され、デマルチプレクサ２０１により分波される。そして、デマルチプレクサ２０１から出力された４波長の光信号が受光部２１０により検波される。このため、波長合分波器の動作方式の影響を受けることなく、任意の入力偏波状態で入射するＷＤＭ信号を分波し、これらを受信することができる。参考例では、デマルチプレクサ５１１とデマルチプレクサ５１２とを並列して配置する必要があるのに対し、本実施形態には、デマルチプレクサ２０１が設けられているだけである。このため、参考例では、フォトダイオード５２１〜５２４への入力の前に合波が必要であるのに対し、本実施形態では、そのような合波は必要ではない。このため、参考例と比較すると、小型化が可能であり、高い受信効率を得ることができる。

【0028】

出力ポート１１１に、ＭＲＲ型合分波器、アレイ導波路格子型合分波器又はEchelle回折格子型合分波器が接続されてもよい。また、出力ポート１１１に、リング共振器アレイ、アレイ導波路格子又はEchelle回折格子が接続されてもよい。

【0029】

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0030】

（付記１）
入力端より入力した光を偏波面に応じて第１の信号と第２の信号とに分離する偏波分離素子と、
前記偏波分離素子から出力された前記第２の信号の偏波面を９０度回転させる偏波回転素子と、
前記偏波分離素子から出力された前記第１の信号と前記偏波回転素子から出力された前記第２の信号とを合波して、互いに等しい振幅で第３の信号と第４の信号とに分岐する第１の光カプラと、
前記第３の信号の位相を制御する位相制御部と、
前記位相制御部から出力された第３の信号と前記第１の光カプラから出力された前記第４の信号とを合波して、互いに等しい振幅で第５の信号と第６の信号とに分岐する第２の光カプラと、
を有することを特徴とする光素子。

【0031】

（付記２）
前記位相制御部は、前記入力端より入力した光の偏波状態に応じて前記第３の信号の位相を制御することを特徴とする付記１に記載の光素子。

【0032】

（付記３）
前記第５の信号の強度を検出するフォトダイオードを有し、
前記位相制御部は、前記フォトダイオードにより検出された強度に応じて前記第３の信号の位相を制御することを特徴とする付記１に記載の光素子。

【0033】

（付記４）
前記位相制御部は、前記フォトダイオードにより検出される強度が閾値以下になるように前記第３の信号の位相を制御することを特徴とする付記３に記載の光素子。

【0034】

（付記５）
前記第６の信号が入力される合分波器、リング共振器アレイ、アレイ導波路格子又はEchelle回折格子を有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の光素子。

【0035】

（付記６）
付記１乃至４のいずれか１項に記載の光素子と、
前記第６の信号を複数の波長信号に分波する遅延干渉型合分波器と、
前記複数の波長信号を受光する受光部と、
を有することを特徴とする光受信装置。

【0036】

（付記７）
付記３又は４に記載の光素子と、
前記第６の信号を複数の波長信号に分波する遅延干渉型合分波器と、
前記複数の波長信号を受光する複数の受光用フォトダイオードと、
を有し、
前記第５の信号の強度を検出するフォトダイオードと前記複数の受光用フォトダイオードとがフォトダイオードアレイに含まれていることを特徴とする光受信装置。

【符号の説明】

【0037】

１００、２００：光素子
１０１：偏波スプリッタ
１０４：偏波ローテータ
１０５、１０６：光カプラ
１０９：位相制御部
１１３：フォトダイオード
３００：光受信装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】