JP2016040572A - Optical receiver - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical receiver that sufficiently reduces polarization dependency with a single wavelength branch circuit using no polarization diversity configuration.SOLUTION: An optical receiver 100 includes: an input waveguide 101; an input side slab waveguide 102; an array waveguide 103; an output side slab waveguide 104; an output waveguide 105 that is a multimode waveguide; and a photodetector 106. Between the input waveguide and the input side slab waveguide, a polarization conversion circuit 107 is further provided that outputs the basis mode light of the input TE polarization directly and converts the basis mode light of the input TM polarization into the primary mode light of the TE polarization to output it.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光受信器に関し、より詳細には、シリコン集積回路で形成された波長分割多重信号用の光受信器に関する。   The present invention relates to an optical receiver, and more particularly, to an optical receiver for wavelength division multiplexing signals formed of a silicon integrated circuit.

波長分割多重(Wavelength Division Multiplexing)信号用光受信器(以下、WDM光受信器)は、近年、100ギガビット/秒以上の高速なイーサネット(登録商標)信号を送受する装置が実用化されるにあたり、重要なデバイスとして盛んに開発が行われている。WDM光受信器は、入力するWDM信号を各波長の信号に分波し、各波長の信号をフォトディテクターで検出し、電気信号に変換して出力する機能を有する。   Wavelength division multiplexing signal receivers (hereinafter referred to as WDM optical receivers) have recently been put to practical use in devices that transmit and receive high-speed Ethernet (registered trademark) signals of 100 gigabits / second or higher. It has been actively developed as an important device. The WDM optical receiver has a function of demultiplexing an input WDM signal into signals of each wavelength, detecting a signal of each wavelength with a photodetector, converting the signal into an electric signal, and outputting the electric signal.

このようなWDM光受信器の第1の従来例としては、石英材料の平面光波回路によるアレイ導波路回折格子タイプの光波長分波回路と、フォトディテクターあるいはフォトディテクターアレイを組み合せた構成が提案されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。   As a first conventional example of such a WDM optical receiver, a configuration is proposed in which an optical waveguide demultiplexing circuit of an arrayed waveguide diffraction grating type using a planar lightwave circuit made of quartz material and a photodetector or a photodetector array are combined. (For example, refer to Patent Document 1 and Patent Document 2).

図20は、第1の従来例によるWDM光受信器の構成を示した平面図である。ここでWDM光受信器は、入力導波路11、入力側スラブ導波路12、アレイ導波路13、出力側スラブ導波路14、およびマルチモード導波路である出力導波路15を備えたアレイ導波路回折格子のチップ10と、光結合用のレンズ16と、フォトディテクター17とを備える。   FIG. 20 is a plan view showing a configuration of a WDM optical receiver according to the first conventional example. Here, the WDM optical receiver includes an input waveguide 11, an input side slab waveguide 12, an arrayed waveguide 13, an output side slab waveguide 14, and an output waveguide 15 that is a multimode waveguide. A lattice chip 10, an optical coupling lens 16, and a photodetector 17 are provided.

第1の従来例のWDM光受信器において、入力導波路11に入力した光は、入力側スラブ導波路12で広がり、アレイ導波路13の各アレイ導波路に分配されて伝搬後、出力側スラブ導波路14に入力して干渉し、波長に応じて出力側スラブ導波路14の異なる位置に集光する。この集光した光は、集光位置に設置された出力マルチモード導波路15のいずれかのモードに結合して伝搬し、光結合レンズ16を介してフォトディテクター17に達して受光される。ここで集光位置に配置された出力マルチモード導波路15が、十分に多数のモードを伝搬できる設計であれば、その導波路幅の範囲に集光した光のいずれも出力マルチモード導波路15とほぼ損失なく結合するので、フォトディテクター16の受光特性としては、ある波長範囲で平坦な波長特性を得ることができる。   In the WDM optical receiver of the first conventional example, the light input to the input waveguide 11 spreads in the input-side slab waveguide 12, is distributed to each array waveguide of the arrayed waveguide 13, propagates, and then the output-side slab The light is input to the waveguide 14 and interferes therewith, and is condensed at different positions on the output-side slab waveguide 14 according to the wavelength. The condensed light is propagated by being coupled to any mode of the output multimode waveguide 15 installed at the condensing position, and reaches the photodetector 17 through the optical coupling lens 16 and is received. Here, if the output multimode waveguide 15 disposed at the condensing position is designed to be able to propagate a sufficiently large number of modes, any of the light condensed in the range of the waveguide width is output to the output multimode waveguide 15. Therefore, the light receiving characteristic of the photodetector 16 can be flat in a certain wavelength range.

また石英材料から成る導波路は複屈折が極めて小さく、偏波に対してほぼ依存性の無い光学特性を得ることができるため、本従来例のWDM光受信器における受光特性の偏波依存性も十分抑えられている。   In addition, the waveguide made of quartz material has very little birefringence and can obtain optical characteristics that are almost independent of the polarization. Therefore, the polarization dependence of the light reception characteristics in the conventional WDM optical receiver is also high. It is sufficiently suppressed.

このように石英材料の平面光波回路による光波長分波回路は優れた光特性を提供するが、チップサイズの小型化には限界があり、近年の光通信デバイスの小型化要求に追従できなくなりつつあることが指摘されている。   As described above, an optical wavelength demultiplexing circuit using a planar lightwave circuit made of quartz material provides excellent optical characteristics, but there is a limit to miniaturization of the chip size, and it is difficult to follow the recent demand for miniaturization of optical communication devices. It has been pointed out that there is.

一方、シリコン細線光導波路による光回路は、石英など従来の材料に比して回路サイズを飛躍的に小さくできる利点を有し、研究開発が盛んにおこなわれている。またシリコン光回路は、光細線導波路と一連の製造工程において、フォトディテクターを形成することが可能であり、光細線導波路とフォトディテクターを同一チップ内に集積することができる。よってWDM光受信器を飛躍的に小型、かつ簡易に作製できる技術として、注目されている。   On the other hand, an optical circuit using a silicon fine wire optical waveguide has an advantage that the circuit size can be remarkably reduced as compared with a conventional material such as quartz, and research and development are actively performed. In addition, a silicon optical circuit can form a photodetector in an optical thin line waveguide and a series of manufacturing steps, and the optical thin line waveguide and the photodetector can be integrated in the same chip. Therefore, it is attracting attention as a technology that can make WDM optical receivers dramatically smaller and simpler.

しかしながら一般にシリコン光細線導波路は、きわめて大きな実効複屈折を有する。すなわち、合分波回路としてAWG(Arrayed Waveguide Gratings)やリング共振器を使う場合、入力する光がTE偏光とTM偏光によって分波の特性が大きく異なってしまい、入力信号の偏波に依存しない受信特性が求められるWDM受信器には、そのままでは適用できない。この問題を解決し、シリコン光回路によってWDM受信器を実現する手段として、偏波ダイバーシティ構成が提案されている。   However, in general, a silicon optical wire waveguide has a very large effective birefringence. In other words, when AWG (Arrayed Waveguide Gratings) or ring resonators are used as a multiplexing / demultiplexing circuit, the input light is greatly different in characteristics of demultiplexing depending on the TE polarization and TM polarization, and reception is not dependent on the polarization of the input signal. It cannot be applied as it is to WDM receivers that require characteristics. As a means for solving this problem and realizing a WDM receiver by a silicon optical circuit, a polarization diversity configuration has been proposed.

図21は、第2の従来例による、偏波ダイバーシティ構成を適用したシリコン光回路によるWDM受信器の構成を示した平面図である。ここでWDM受信器は、シリコン光回路のチップ20上に2つの同一のアレイ導波路回折格子を備え、アレイ導波路回折格子は、入力導波路(21a,21b)、入力側スラブ導波路(22a,22b)、アレイ導波路(23,23b)、出力側スラブ導波路(24a、24b)、およびマルチモード導波路である出力導波路(25a,25b)を備える。また、シリコン光回路のチップ20上は、入力導波路26、および偏波分離回転回路27を備える。さらに、シリコン光チップ20にはフォトディテクター28も集積されたている。   FIG. 21 is a plan view showing a configuration of a WDM receiver using a silicon optical circuit to which a polarization diversity configuration is applied according to a second conventional example. Here, the WDM receiver includes two identical arrayed waveguide diffraction gratings on the silicon optical circuit chip 20, and the arrayed waveguide diffraction grating includes the input waveguide (21 a, 21 b) and the input side slab waveguide (22 a). 22b), arrayed waveguides (23, 23b), output-side slab waveguides (24a, 24b), and output waveguides (25a, 25b) which are multimode waveguides. On the chip 20 of the silicon optical circuit, an input waveguide 26 and a polarization separation / rotation circuit 27 are provided. Further, a photodetector 28 is also integrated in the silicon optical chip 20.

第2の従来例のWDM光受信器において、入力導波路26に入力した光は、偏波分離回転回路27でTE偏波成分とTM偏波成分に分離され、更にTM偏波成分はTE偏波に回転されて出力される。2つのアレイ導波路回折格子はTE偏波成分に対して正しく動作するよう設計されており、偏波分離回転回路27から出力された2つのTE偏波光を波長分波する。ここで各アレイ導波路回折格子の同じ出力ポートに対応する2つ導波路(25a,25b)からの光は同一のフォトディテクター28に双方向から入力し、受光される構成になっている。すなわち第2の従来例のWDM光受信器に入力した光は、偏波によって分離され、それぞれアレイ導波路回折格子によって波長分波されて、同じ波長の2つの光は同一のフォトディテクター28に達するので、回路全体としては偏波依存性なく動作することができる。また出力導波路(25a,25b)はマルチモード導波路であるので、フォトディテクター28の受光特性としては、ある波長範囲で平坦な波長特性を得ることができる。   In the WDM optical receiver of the second conventional example, the light input to the input waveguide 26 is separated into a TE polarization component and a TM polarization component by the polarization separation / rotation circuit 27, and the TM polarization component is further converted into a TE polarization component. Rotated by wave and output. The two arrayed waveguide diffraction gratings are designed to operate correctly with respect to the TE polarization component, and wavelength-demultiplex the two TE polarization lights output from the polarization separation / rotation circuit 27. Here, light from two waveguides (25a, 25b) corresponding to the same output port of each arrayed waveguide diffraction grating is inputted to the same photodetector 28 from both directions and is received. That is, the light input to the WDM optical receiver of the second conventional example is separated by the polarization, and is wavelength-demultiplexed by the arrayed waveguide diffraction grating, and the two lights having the same wavelength reach the same photodetector 28. Therefore, the entire circuit can operate without polarization dependency. Further, since the output waveguides (25a, 25b) are multimode waveguides, the light receiving characteristics of the photodetector 28 can obtain flat wavelength characteristics in a certain wavelength range.

国際公開2003/083534号パンフレットInternational Publication No. 2003/083534 Pamphlet 特開2004−361660号公報JP 2004-361660 A

W. D. Sacher et al, “Polarization rotator-splitters in standard active silicon photonics platforms”, OPTICS EXPRESS, Vol. 22, pp.3779-3786, (2014)W. D. Sacher et al, “Polarization rotator-splitters in standard active silicon photonics platforms”, OPTICS EXPRESS, Vol. 22, pp.3779-3786, (2014)

しかしながら、図21を参照して説明したシリコン光回路によるWDM光受信器には、以下のような課題がある。   However, the WDM optical receiver using the silicon optical circuit described with reference to FIG. 21 has the following problems.

第1に、波長分波回路(従来例ではアレイ導波路回折格子を適用)が2回路必要となり、またこの2回路の分波波長を共に信号波長に一致させる必要があるため、波長分波回路が1つである場合に比べて回路の製造歩留りが劣化する。   First, since two wavelength demultiplexing circuits (in which the arrayed waveguide diffraction grating is applied in the conventional example) are required and the demultiplexing wavelengths of these two circuits need to coincide with the signal wavelength, the wavelength demultiplexing circuit As compared with the case where there is only one, the manufacturing yield of the circuit is deteriorated.

第2に、偏波分離・回転回路と、2つの波長分波回路と、フォトディテクターとをシリコン光回路のチップ20上に設け、更にフォトディテクターには2方向から光を入力するように構成するため、回路レイアウトの自由度が低い。   Second, a polarization separation / rotation circuit, two wavelength demultiplexing circuits, and a photodetector are provided on the silicon optical circuit chip 20, and light is input to the photodetector from two directions. Therefore, the degree of freedom in circuit layout is low.

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、偏波ダイバーシティ構成を必要とせず、単一の波長分波回路で偏波依存性を十分に低減した、シリコン光回路によるWDM光受信器を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a silicon whose polarization dependency is sufficiently reduced with a single wavelength demultiplexing circuit without requiring a polarization diversity configuration. An object of the present invention is to provide a WDM optical receiver using an optical circuit.

このような目的を達成するために、本発明の第1の態様の光受信器は、入力導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路、出力側スラブ導波路、マルチモード導波路である出力導波路、およびフォトディテクター106を備えた光受信器である。第1の態様の光受信器は、入力導波路と入力側スラブ導波路の間に、入力されたTE偏波の基底モード光をTE偏波の基底モード光のまま出力し、入力されたTM偏波の基底モード光をTE偏波の1次モード光に変換して出力する偏波変換回路をさらに備える。   In order to achieve such an object, the optical receiver according to the first aspect of the present invention is an output that is an input waveguide, an input-side slab waveguide, an arrayed waveguide, an output-side slab waveguide, or a multimode waveguide. An optical receiver including a waveguide and a photodetector 106. The optical receiver of the first aspect outputs the input TE-polarized base mode light as the TE-polarized base mode light between the input waveguide and the input-side slab waveguide, and inputs the input TM It further includes a polarization conversion circuit that converts the polarized fundamental mode light into TE polarized primary mode light and outputs the converted light.

また、一実施形態では、偏波変換回路は、リブ部分とフィン部分とを備えたリブ型シリコン導波路であり、フィン部分のコアの厚さがリブ部分のコアの厚さよりも薄く、また、フィン部分のコア幅が徐々に拡大するテーパ形状である。   In one embodiment, the polarization conversion circuit is a rib-type silicon waveguide having a rib portion and a fin portion, and the core thickness of the fin portion is thinner than the core thickness of the rib portion, It has a tapered shape in which the core width of the fin portion gradually increases.

さらに、一実施形態では、偏波変換回路と入力側スラブ導波路との間に、中間テーパ導波路をさらに備えることができる。また、一実施形態では、偏波変換回路は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路とすることができる。テーパ導波路は、コアと下部クラッドおよび上部クラッドとから成る導波路あり、コアはシリコンで形成し、下部クラッドおよび上部クラッドはシリコンよりも屈折率の低い材料で形成することができる。テーパ導波路の上部近辺の領域において、上部クラッドは、コアの上部に接する第一層と、当該第一層の上部に形成された第二層とを有してもよい。上部クラッドの第一層は、シリコンよりも屈折率の低い材料で形成し、第二層は、下部クラッドを形成する材料および第一層を形成する材料より屈折率が高く、シリコンよりも屈折率の低い材料で形成してもよい。また、コアの上面と上部クラッドの第二層の下面との距離は、コアの厚さと同等か、コアの厚さよりも薄くすることができる。   Furthermore, in one embodiment, an intermediate taper waveguide can be further provided between the polarization conversion circuit and the input-side slab waveguide. In one embodiment, the polarization conversion circuit may be a tapered waveguide whose width gradually increases. The tapered waveguide is a waveguide composed of a core and a lower clad and an upper clad. The core is made of silicon, and the lower clad and the upper clad can be made of a material having a refractive index lower than that of silicon. In the region near the upper part of the tapered waveguide, the upper cladding may have a first layer in contact with the upper part of the core and a second layer formed on the upper part of the first layer. The first layer of the upper cladding is made of a material having a lower refractive index than silicon, and the second layer has a higher refractive index than the material forming the lower cladding and the material forming the first layer, and the refractive index is higher than that of silicon. May be formed of a low material. Further, the distance between the upper surface of the core and the lower surface of the second layer of the upper clad can be equal to or smaller than the thickness of the core.

さらにまた、一実施形態では、偏波変換回路は、リブ部分とフィン部分とをそれぞれ備え相互に接続された第1および第2のリブ型シリコン導波路であり、フィン部分のコアの厚さがリブ部分のコアの厚さよりも薄く、第1のリブ型シリコン導波路は、リブ部分のコアの幅およびフィン部分のコア幅が徐々に拡大するテーパ形状とし、第2のリブ型シリコン導波路は、リブ部分のコア幅が徐々に拡大し、フィン部分のコア幅が徐々に減少するテーパ形状とすることができる。   Furthermore, in one embodiment, the polarization conversion circuit is first and second rib-type silicon waveguides each having a rib portion and a fin portion and connected to each other, and the core thickness of the fin portion is The first rib-type silicon waveguide is thinner than the core of the rib portion, and the first rib-type silicon waveguide has a taper shape in which the core width of the rib portion and the core width of the fin portion gradually increase, and the second rib-type silicon waveguide is The taper shape in which the core width of the rib portion gradually increases and the core width of the fin portion gradually decreases can be obtained.

さらにまた、一実施形態では、偏波変換回路は、リブ部分とフィン部分とを備えたリブ型シリコン導波路であり、リブ型シリコン導波路は、入力側スラブ導波路に直接接続され、フィン部分のコアの厚さがリブ部分のコアの厚さよりも薄く、リブ部分のコアの幅およびフィン部分のコア幅が徐々に拡大するテーパ形状とすることとができる。   Furthermore, in one embodiment, the polarization conversion circuit is a rib-type silicon waveguide having a rib portion and a fin portion, and the rib-type silicon waveguide is directly connected to the input-side slab waveguide, and the fin portion The thickness of the core can be made thinner than the thickness of the core of the rib portion, and the taper shape in which the core width of the rib portion and the core width of the fin portion gradually increase can be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、偏波ダイバーシティ構成を必要とせず、単一の波長分波回路で偏波依存性を十分に低減した、シリコン光回路によるWDM光受信器を提供することができる。また、本発明によれば、回路の製造歩留りの劣化を防ぎ、回路サイズを低減して回路レイアウトの自由度を拡大することができる。   As described above, according to the present invention, there is provided a WDM optical receiver using a silicon optical circuit that does not require a polarization diversity configuration and sufficiently reduces the polarization dependency with a single wavelength demultiplexing circuit. be able to. Further, according to the present invention, it is possible to prevent deterioration in circuit manufacturing yield, reduce the circuit size, and increase the degree of freedom of circuit layout.

本発明の第1の実施形態にかかるWDM光受信器の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the WDM optical receiver concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態にかかるWDM光受信器の偏波変換回路の近傍を拡大した図である。It is the figure which expanded the vicinity of the polarization converting circuit of the WDM optical receiver concerning the 1st Embodiment of this invention. 図2のA−A’断面線における断面図である。It is sectional drawing in the A-A 'sectional line of FIG. 図2のB−B’断面線における断面図である。It is sectional drawing in the B-B 'sectional line of FIG. 図2の偏波変換回路107の主要部分113における、導波路113bのコア幅の変化に対する、実効屈折率の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the effective refractive index with respect to the change of the core width of the waveguide 113b in the main part 113 of the polarization conversion circuit 107 of FIG. 図5の第2モードに関して、各偏波成分の強度比率を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity ratio of each polarization component regarding the 2nd mode of FIG. 本発明の第1の実施形態における各フォトディテクターの受光感度の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light reception sensitivity of each photodetector in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態にかかるWDM光受信器の偏波変換回路107の近傍を拡大した図である。It is the figure which expanded the vicinity of the polarization converting circuit 107 of the WDM optical receiver concerning the 2nd Embodiment of this invention. 図8のC−C’断面線における断面図である。It is sectional drawing in the C-C 'sectional line of FIG. 本発明の第2の実施形態にかかるWDM光受信器の偏波変換回路のテーパ導波路202のシリコンコアの幅に対する、実効屈折率の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result of the effective refractive index with respect to the width | variety of the silicon core of the taper waveguide 202 of the polarization converting circuit of the WDM optical receiver concerning the 2nd Embodiment of this invention. 図10の第2モードに関して、各偏波成分の強度比率を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity ratio of each polarization component regarding the 2nd mode of FIG. 偏波変換の効率と、窒化シリコン領域の幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the efficiency of polarization conversion, and the width | variety of a silicon nitride area | region. 本発明の第2の実施形態にかかるWDM光受信器の偏波変換回路107の近傍を拡大した図である。It is the figure which expanded the vicinity of the polarization converting circuit 107 of the WDM optical receiver concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかるWDM光受信器の偏波変換回路107の近傍を拡大した図である。It is the figure which expanded the vicinity of the polarization converting circuit 107 of the WDM optical receiver concerning the 3rd Embodiment of this invention. 図14のD−D’断面線における断面図である。It is sectional drawing in the D-D 'sectional line of FIG. 図14の第1のリブ型導波路テーパの左端から第2のリブ型導波路テーパの右端の各位置における、実効屈折率を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the effective refractive index in each position of the right end of the 2nd rib type waveguide taper from the left end of the 1st rib type waveguide taper of FIG. 図16の第2モードに関して、各偏波成分の強度比率を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensity ratio of each polarization component regarding the 2nd mode of FIG. 本発明の第4の実施形態にかかるWDM光受信器の偏波変換回路107の近傍を拡大した図である。It is the figure which expanded the vicinity of the polarization converting circuit 107 of the WDM optical receiver concerning the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態における各フォトディテクターの受光感度の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light reception sensitivity of each photodetector in the 4th Embodiment of this invention. 従来技術における、WDM光受信器の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the WDM optical receiver in a prior art. 従来技術における、WDM光受信器の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the WDM optical receiver in a prior art.

まず、本発明の各種実施形態に係る光受信器の動作原理ついて説明する。本発明の各種実施形態に係る光受信器は、シリコン光細線導波路で構成されたアレイ導波路回折格子は単一であり、偏波分離回転回路は無く、アレイ導波路回折格子の入力導波路101と入力側スラブ導波路102との間に偏波変換回路107が挿入されている点において、上記の従来例2の光受信器と異なる。   First, the principle of operation of the optical receiver according to various embodiments of the present invention will be described. The optical receiver according to various embodiments of the present invention has a single arrayed waveguide grating composed of silicon optical waveguides, no polarization separation rotation circuit, and an input waveguide of the arrayed waveguide grating. This is different from the optical receiver of the above-described conventional example 2 in that a polarization conversion circuit 107 is inserted between 101 and the input-side slab waveguide 102.

本発明の各種実施形態に係る光受信器における偏波変換回路107は、入力したTE偏波の基底モード光を、そのままTE偏波の基底モード光として出力し、入力したTM偏波の基底モード光を、TE偏波の1次モード光に変換して出力するという機能を有する。アレイ導波路回折格子はTE偏波に対して正しく動作するよう設計されており、入力したTE偏波の基底モード光を、波長に応じて出力側スラブ導波路104の異なる位置に集光する。このとき集光した光の電界分布は、入力側スラブ導波路102に入力したTE偏波の基底モードが再構成される。一方、入力したTM偏波の基底モード光は、仮に偏波変換回路107が無ければ、TM偏波の基底モード光のままアレイ導波路回折格子に入り、TE偏波の基底モード光と同様の波長分波はできないが、偏波変換回路107により、TE偏波の1次モード光に変換され、波長に応じてTE偏波の基底モード光と同じ位置に集光する。ただしこのとき集光した光の電界分布はTE偏波の1次モードが再構成される。   The polarization conversion circuit 107 in the optical receiver according to various embodiments of the present invention outputs the input TE-polarized base mode light as it is as the TE-polarized base mode light, and inputs the TM-polarized base mode. It has a function of converting light into TE-polarized primary mode light and outputting it. The arrayed waveguide diffraction grating is designed to operate correctly with respect to TE polarized light, and collects the input TE polarized fundamental mode light at different positions on the output slab waveguide 104 according to the wavelength. The electric field distribution of the collected light at this time reconfigures the TE polarized fundamental mode input to the input-side slab waveguide 102. On the other hand, if there is no polarization conversion circuit 107, the input TM-polarized fundamental mode light enters the arrayed waveguide grating as the TM-polarized fundamental mode light, and is similar to the TE-polarized fundamental mode light. Although wavelength demultiplexing is not possible, the signal is converted into TE-polarized primary mode light by the polarization conversion circuit 107 and condensed at the same position as the TE-polarized base mode light according to the wavelength. However, the electric field distribution of the condensed light at this time reconstructs the primary mode of TE polarization.

さらに、波長に応じて出力側スラブ導波路104の異なる位置に集光した光は、集光位置に設置された出力マルチモード導波路105のいずれかのモードに結合して伝搬し、フォトディテクター106に達して受光されるが、出力導波路(マルチモード導波路)105が、十分に多数のモードを伝搬できる設計であれば、TE偏波の基底モード光もTE偏波の1次モード光のいずれも出力導波路105とほぼ損失なく結合するので、フォトディテクター106に受光される光の波長特性は、ほとんど偏波に依存しないことになる。すなわち本発明によれば、単一のアレイ導波路回折格子だけを用いながら、偏波依存性のほとんどない受光特性の光受信回路を実現できる。   Further, the light condensed at different positions of the output-side slab waveguide 104 according to the wavelength is propagated by being coupled to any mode of the output multimode waveguide 105 installed at the condensing position. However, if the output waveguide (multi-mode waveguide) 105 is designed to propagate a sufficiently large number of modes, the TE-polarized base mode light is also the TE-polarized primary mode light. Since both are coupled to the output waveguide 105 with almost no loss, the wavelength characteristic of the light received by the photodetector 106 hardly depends on the polarization. That is, according to the present invention, it is possible to realize a light receiving circuit having a light receiving characteristic having almost no polarization dependence while using only a single arrayed waveguide diffraction grating.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光受信器100の構成を示す平面図である。本実施形態の光受信器100は、入力導波路101と、入力側スラブ導波路102と、アレイ導波路103と、出力側スラブ導波路104と、マルチモード導波路である出力導波路105と、フォトディテクター106とを備える。また光受信器100は、入力導波路101と入力側スラブ導波路102を光学的に接続する偏波変換回路107を備える。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical receiver 100 according to the first embodiment of the present invention. The optical receiver 100 of this embodiment includes an input waveguide 101, an input-side slab waveguide 102, an arrayed waveguide 103, an output-side slab waveguide 104, an output waveguide 105 that is a multimode waveguide, A photodetector 106. The optical receiver 100 also includes a polarization conversion circuit 107 that optically connects the input waveguide 101 and the input-side slab waveguide 102.

偏波変換回路107は、入力導波路101から入力したTE偏波の基底モード光を、そのままTE偏波の基底モード光として入力側スラブ導波路102に出射し、入力導波路101から入力したTM偏波の基底モード光を、TE偏波の1次モード光に変換して入力側スラブ導波路102に出射する機能を有する。   The polarization conversion circuit 107 emits the TE-polarized base mode light input from the input waveguide 101 to the input-side slab waveguide 102 as TE-polarized base mode light as it is, and the TM input from the input waveguide 101. It has a function of converting polarized fundamental mode light into TE polarized primary mode light and emitting it to the input-side slab waveguide 102.

光受信器100は、シリコン光細線導波路(入力導波路101、アレイ導波路103、出力導波路105)のコア厚0.22μmであり、入力導波路101およびアレイ導波路103のコア幅は0.5μmであり、出力導波路105のコア幅は3μmである。シリコン光細線導波路のクラッド材料は石英である。アレイ導波路103の本数は75本で、導波路長は、内側から外側に向かって一定量ΔLずつ順次長くなるよう設計され、ΔLは11.73μmである。また入力側スラブ導波路102、出力側スラブ導波路104の長さは110μm、出力側スラブ導波路104に接続する部分における出力導波路105の配列間隔は4.5μm、入力側スラブ導波路102および出力側スラブ導波路104に接続する部分におけるアレイ導波路103の導波路間隔は1.2μmである。出力導波路105の本数すなわち分波のポート数は4であり、ポート間の合分波光周波数間隔が800GHzとなるように設計されている。   The optical receiver 100 has a silicon optical wire waveguide (input waveguide 101, array waveguide 103, output waveguide 105) core thickness of 0.22 μm, and the core width of the input waveguide 101 and array waveguide 103 is 0.5 μm. The core width of the output waveguide 105 is 3 μm. The clad material of the silicon optical wire waveguide is quartz. The number of arrayed waveguides 103 is 75, and the length of the waveguides is designed to increase sequentially by a certain amount ΔL from the inside toward the outside, and ΔL is 11.73 μm. Further, the length of the input side slab waveguide 102 and the output side slab waveguide 104 is 110 μm, the arrangement interval of the output waveguides 105 in the portion connected to the output side slab waveguide 104 is 4.5 μm, the input side slab waveguide 102 and the output The waveguide interval of the arrayed waveguide 103 at the portion connected to the side slab waveguide 104 is 1.2 μm. The number of output waveguides 105, that is, the number of demultiplexing ports, is four, and the optical frequency interval between ports is designed to be 800 GHz.

図2は、入力導波路101と入力側スラブ導波路102を光学的に接続する偏波変換回路107とその近傍を詳しく示した平面図である。偏波変換回路107は、その主要部分113において、図上左(入力導波路101側)から入力したTM偏波の基底モード光を、TE偏波の1次モード光に変換して図上右(入力側スラブ導波路102側)より出力し、図上左から入力したTE偏波の基底モード光を、TE偏波の基底モード光のまま図面上右より出力する。主要部分113は、中央のリブ部113aと、周辺フィン部113bから成るリブ型シリコン導波路(図4参照)で形成され、周辺フィン部113bのコア幅は幅がw1からw2まで広がるテーパ導波路になっている。中央のリブ部113aのコア幅は一定である。偏波変換回路107の主要部分113の前段(図上左)には、入力導波路101をリブ導波路113へ滑らかに接続するリブ型−チャネル型変換導波路が設けられている。リブ型−チャネル型変換導波路は、チャネル型からリブ型に導波路構造を変換する部分(リブ型導波路)111、リブ型導波路の中央部のコア幅を変化させる部分(リブ型導波路)112から構成されている。このリブ型−チャネル型変換導波路(111,112)は、偏波変換の機能には直接寄与しないが、前後に接続される入力導波路101の構造と主要部分113の構造の不連続性を解消し、光過剰損失を抑制する効果があり、設置されることが好ましい。   FIG. 2 is a plan view showing in detail the polarization conversion circuit 107 that optically connects the input waveguide 101 and the input-side slab waveguide 102 and the vicinity thereof. The polarization conversion circuit 107 converts the TM-polarized base mode light input from the left side (input waveguide 101 side) into the TE-polarized primary mode light at the main portion 113 by converting it into the TE-polarized primary mode light. The TE polarized base mode light output from the input side slab waveguide 102 side and input from the left in the figure is output from the right in the figure as the TE polarized base mode light. The main portion 113 is formed of a rib-type silicon waveguide (see FIG. 4) including a central rib portion 113a and a peripheral fin portion 113b, and the core width of the peripheral fin portion 113b is a tapered waveguide whose width extends from w1 to w2. It has become. The core width of the central rib portion 113a is constant. A rib type-channel type conversion waveguide that smoothly connects the input waveguide 101 to the rib waveguide 113 is provided in the previous stage (left in the figure) of the main portion 113 of the polarization conversion circuit 107. The rib type-channel type conversion waveguide is a part (rib type waveguide) 111 for converting the waveguide structure from the channel type to the rib type, and a part for changing the core width at the center of the rib type waveguide (rib type waveguide). ) 112. The rib type-channel type conversion waveguides (111, 112) do not directly contribute to the function of polarization conversion, but the discontinuity between the structure of the input waveguide 101 connected to the front and the back and the structure of the main portion 113 is eliminated. It has the effect of eliminating the excessive light loss and is preferably installed.

ここで偏波変換回路107のリブ型導波路113は、長さ(光の伝播方向の長さ、以下同様)が100μm、リブ部のコア幅が0.15μm、フィン部のコア幅が拡大するように変化しており、リブ型導波路112との境界におけるフィン部のコア幅がw1=0.9μm、入力側スラブ導波路102との境界におけるコア幅がw2=1.8μmである。リブ型−チャネル型変換導波路111および112においては、リブ型導波路111は、長さが50μm、リブ部のコア幅が0.5μm、フィン部のコア幅が0.5μmから0.9μmへ拡大するように変化しており、リブ型導波路112は、長さが200μm、リブ部のコア幅が0.5μmから0.15μmに変化させており、フィン部のコア幅は0.9μmである。   Here, the rib-type waveguide 113 of the polarization conversion circuit 107 has a length (length in the light propagation direction, hereinafter the same) of 100 μm, the core width of the rib portion is 0.15 μm, and the core width of the fin portion is increased. The core width of the fin portion at the boundary with the rib-type waveguide 112 is w1 = 0.9 μm, and the core width at the boundary with the input-side slab waveguide 102 is w2 = 1.8 μm. In the rib-to-channel conversion waveguides 111 and 112, the rib-type waveguide 111 has a length of 50 μm, a core width of the rib portion is increased to 0.5 μm, and a core width of the fin portion is increased from 0.5 μm to 0.9 μm. The rib-type waveguide 112 has a length of 200 μm, the core width of the rib portion is changed from 0.5 μm to 0.15 μm, and the core width of the fin portion is 0.9 μm.

図3は、図2の入力導波路101のA−A’断面線における断面の回路構造を示す。チャネル型導波路のコアである入力導波路101は、シリコン基板123上において上部クラッド121および下部クラッド122に埋め込まれた導波路である。入力導波路101は、シリコンで形成されている。上部クラッド121および下部クラッド122は、ともに石英ガラスで形成されている。入力導波路101は、コア厚が0.22μm、上部クラッド121の厚さは1.5μm、下部クラッド122の厚さ(シリコン基板123から入力導波路101との間の距離に相当)が2μmである。   FIG. 3 shows a circuit structure of a cross section taken along the line A-A ′ of the input waveguide 101 of FIG. 2. The input waveguide 101 which is the core of the channel-type waveguide is a waveguide embedded in the upper clad 121 and the lower clad 122 on the silicon substrate 123. The input waveguide 101 is made of silicon. Both the upper clad 121 and the lower clad 122 are made of quartz glass. The input waveguide 101 has a core thickness of 0.22 μm, the upper cladding 121 has a thickness of 1.5 μm, and the lower cladding 122 has a thickness of 2 μm (corresponding to the distance between the silicon substrate 123 and the input waveguide 101).

図4は、図2の偏波変換回路107のリブ型導波路113のB−B’断面線における断面での回路構造を示す。シリコンで形成されたリブ型導波路のリブ部コア113aおよびフィン部コア113bが、シリコン基板133上において下部クラッド132および上部クラッド131に埋め込まれている。上部クラッド131および下部クラッド132は、石英ガラスで形成されている。シリコン基板133、上部クラッド131および下部クラッド132は、図2におけるシリコン基板123、上部クラッド121および下部クラッド122にそれぞれ対応する。リブ部113aのコア厚さが0.22μm、フィン部113bのコア厚さが0.06μm、上部クラッド131の厚さが1.5μm、下部クラッド132の厚さが2μmである。リブ型−チャネル型変換導波路を構成する、リブ型導波路111および112についてもリブ型導波路113と同様の断面の回路構造を有しており、リブ部およびフィン部のコア厚さは、リブ型導波路113と同じである。   4 shows a circuit structure of the rib waveguide 113 of the polarization conversion circuit 107 of FIG. A rib core 113 a and a fin core 113 b of a rib-type waveguide formed of silicon are embedded in the lower clad 132 and the upper clad 131 on the silicon substrate 133. The upper clad 131 and the lower clad 132 are made of quartz glass. The silicon substrate 133, the upper clad 131, and the lower clad 132 correspond to the silicon substrate 123, the upper clad 121, and the lower clad 122 in FIG. 2, respectively. The rib portion 113a has a core thickness of 0.22 μm, the fin portion 113b has a core thickness of 0.06 μm, the upper cladding 131 has a thickness of 1.5 μm, and the lower cladding 132 has a thickness of 2 μm. The rib type waveguides 111 and 112 constituting the rib type-channel type conversion waveguide also have a circuit structure with the same cross section as the rib type waveguide 113, and the core thickness of the rib part and the fin part is as follows. The same as the rib-type waveguide 113.

図5は、偏波変換回路107の主要部分113の機能を説明する図で、リブ型導波路のフィン部のコア幅wに対する、実効屈折率を計算した結果を示す図である。ここで材料、および導波路の断面構造は、図4を参照して説明したものと同様とし、フィン部のコア幅wだけを変化させて実効屈折率を3つまで算出している。ここで第1モードはwによらずTE偏波の基底モードが保持されるが、第2モードおよび第3モードはコア幅wの変化によってTE偏波成分とTM偏波成分が混合した複合モードになっている。コア幅wが0.8μm付近のときは、第2モードはほぼTM偏波の基底モード、第3モードはほぼTE偏波の1次モードになっている。一方、コア幅wが2.4μm付近のときは、第2モードはほぼTE偏波の1次モード、第3モードはほぼTM偏波の基底モードに入れ替わる。   FIG. 5 is a diagram for explaining the function of the main part 113 of the polarization conversion circuit 107, and showing the result of calculating the effective refractive index with respect to the core width w of the fin portion of the rib-type waveguide. Here, the material and the cross-sectional structure of the waveguide are the same as those described with reference to FIG. 4, and the effective refractive index is calculated up to three by changing only the core width w of the fin portion. Here, the fundamental mode of TE polarization is maintained regardless of w in the first mode, but the second mode and the third mode are combined modes in which the TE polarization component and the TM polarization component are mixed by changing the core width w. It has become. When the core width w is around 0.8 μm, the second mode is almost the TM polarized base mode, and the third mode is almost the TE polarized primary mode. On the other hand, when the core width w is in the vicinity of 2.4 μm, the second mode is switched to the primary mode of approximately TE polarization, and the third mode is switched to the fundamental mode of TM polarization.

図6は、図5における特に第2モードの計算結果から、TE偏波成分とTM偏波成分の強度比を表したものである。コア幅wが増大するにつれて、TM偏波成分の強度比が減少し、TE偏波成分の強度比が増加し、TM偏波成分とTE偏波成分が入れ替わる様子がわかる。偏波変換回路107の主要部分113は、フィン部のコア幅の狭い側(リブ型導波路112との境界側)のコア幅w1と、広い側(入力側スラブ導波路102との境界側)のコア幅w2とが、この第2モードの偏波成分が入れ替わる領域をなるべく含むように設計されている。つまり、コア幅w1は第2のモードがほぼTM偏波の基底モードになるような幅に、コア幅w2は第2のモードがほぼTE偏波の1次モードになるような幅に設定される。具体的に本実施形態では、上述したようにw1=0.9μm、w2=1.8μmである。図2においてリブ型導波路である主要部分113の左からTM偏波の基底モードの光が入力した場合、コア幅がw1からw2に徐々に拡大することで、伝搬する光波はTM偏波の基底モードからTE偏波の1次モードに変換され、右側から出力する。   FIG. 6 shows the intensity ratio between the TE polarization component and the TM polarization component, particularly from the calculation result of the second mode in FIG. It can be seen that as the core width w increases, the intensity ratio of the TM polarization component decreases, the intensity ratio of the TE polarization component increases, and the TM polarization component and the TE polarization component are interchanged. The main portion 113 of the polarization conversion circuit 107 includes a core width w1 on the narrower core width side (boundary side with the rib-type waveguide 112) and a wider side (boundary side with the input-side slab waveguide 102). The core width w2 is designed to include as much as possible the region where the polarization component of the second mode is switched. That is, the core width w1 is set to such a width that the second mode is substantially a TM polarized base mode, and the core width w2 is set to be a width such that the second mode is substantially a TE polarized primary mode. The Specifically, in the present embodiment, as described above, w1 = 0.9 μm and w2 = 1.8 μm. In FIG. 2, when TM-polarized fundamental mode light is input from the left of the main portion 113 that is a rib-type waveguide, the propagating light wave of TM-polarized light is gradually increased from w1 to w2. It is converted from the fundamental mode to the primary mode of TE polarization and output from the right side.

本実施形態の光受信器において、入力導波路101に入力したTE偏波の基底モード光は、そのまま入力側スラブ導波路102に入力し、TE偏波の基底モード光は、アレイ導波路103により各アレイ導波路に分配されて結合し、アレイ導波路103を伝搬した後、出力側スラブ導波路104に入力して干渉し、波長に応じて出力側スラブ導波路104の異なる位置に集光する。このとき集光した光の電界分布は入力側スラブ導波路102に入力したTE偏波の基底モードが再構成される。この集光した光は、出力側スラブ導波路104の集光位置に設置された出力導波路(マルチモード導波路)105のいずれかのモードに結合して伝搬し、フォトディテクター106に達して受光される。この時、出力導波路105のどの導波路にどの波長域の光が結合するか、すなわちフォトディテクター106のどのディテクターにどの波長域の光が受光されるかは、アレイ導波路103で付与される光の遅延量によって決まる。   In the optical receiver of the present embodiment, the TE-polarized fundamental mode light input to the input waveguide 101 is directly input to the input-side slab waveguide 102, and the TE-polarized fundamental mode light is transmitted through the arrayed waveguide 103. After being distributed and coupled to each arrayed waveguide and propagating through the arrayed waveguide 103, it is input to and interferes with the output-side slab waveguide 104, and is condensed at different positions on the output-side slab waveguide 104 according to the wavelength. . The electric field distribution of the collected light at this time reconfigures the fundamental mode of the TE polarization input to the input-side slab waveguide 102. The condensed light is propagated by being coupled to any mode of the output waveguide (multimode waveguide) 105 installed at the condensing position of the output-side slab waveguide 104, and reaches the photodetector 106 to be received. Is done. At this time, which wavelength band light is coupled to which waveguide of the output waveguide 105, that is, which wavelength band of light is received by which detector of the photodetector 106 is given by the arrayed waveguide 103. It depends on the amount of light delay.

ここで入力導波路101にTM偏波の基底モード光が入力した場合、仮に偏波変換回路107が無ければ、TM偏波の基底モード光のまま入力側スラブ導波路102に入力し、TM偏波の基底モード光は、入力側スラブ導波路102により各アレイ導波路に分配されて結合する。アレイ導波路103を伝搬するのはTM偏波の基底モード光であるため、TE偏波とは付与される遅延量が異なり、各ディテクターに受光される波長域も異なってしまう。   Here, when TM-polarized fundamental mode light is input to the input waveguide 101, if there is no polarization conversion circuit 107, the TM-polarized fundamental mode light is input to the input-side slab waveguide 102 as it is, and TM-polarized light is input. The fundamental wave of the wave is distributed and coupled to each arrayed waveguide by the input side slab waveguide 102. Since the TM-polarized base mode light propagates through the arrayed waveguide 103, the amount of delay applied differs from the TE-polarized light, and the wavelength range received by each detector also differs.

しかし、偏波変換回路107を設けることにより、TM偏波の基底モード光はTE偏波の1次モード光に変換され、入力側スラブ導波路102に入力する。この場合、TE偏波の1次モード光は、アレイ導波路103により各アレイ導波路に分配されて結合し、アレイ導波路103を伝搬するため、アレイ導波路103において付与される遅延量は、入力導波路101でTE偏波を入力した場合と全く同じになる。よって出力側スラブ導波路104において干渉し、波長に応じて集光する位置も同じである。このとき集光した光の電界分布は入力側スラブ導波路102に入力したTE偏波の1次モードが再構成される。この集光した光は、集光位置に設置された出力導波路(マルチモード導波路)105のいずれかのモードに結合して伝搬し、フォトディテクター106に達して受光される。   However, by providing the polarization conversion circuit 107, the TM-polarized base mode light is converted into TE-polarized primary mode light and input to the input-side slab waveguide 102. In this case, since the TE-polarized primary mode light is distributed and coupled to each array waveguide by the array waveguide 103 and propagates through the array waveguide 103, the delay amount given in the array waveguide 103 is This is exactly the same as when TE polarization is input through the input waveguide 101. Therefore, the position of interference in the output-side slab waveguide 104 and condensing according to the wavelength is the same. The electric field distribution of the collected light at this time reconstructs the primary mode of the TE polarization input to the input side slab waveguide 102. The condensed light is propagated by being coupled to any mode of the output waveguide (multimode waveguide) 105 installed at the condensing position, and reaches the photodetector 106 to be received.

つまり本実施形態の光受信器によれば、ある波長のTE偏波の基底モード光が入力した場合には、その波長に応じた集光位置にTE偏波の基底モード光の電界分布が再構成され、同じ波長のTM偏波の基底モード光が入力した場合には、TE偏波の基底モード光の時と同じ集光位置に、TE偏波の1次モード光の電界分布が再構成される。ここで集光位置に配置されたマルチモード導波路である出力導波路105が、十分に多数のモードを伝搬できる設計であれば、TE偏波の基底モード光もTE偏波の1次モード光のいずれも出力導波路105とほぼ損失なく結合するので、フォトディテクター106に受光される光の波長特性は、ほとんど偏波依存性が無いと言える。   That is, according to the optical receiver of this embodiment, when TE-polarized base mode light having a certain wavelength is input, the electric field distribution of the TE-polarized base mode light is re-established at the condensing position according to the wavelength. When the TM polarized base mode light of the same wavelength is input, the electric field distribution of the TE polarized primary mode light is reconstructed at the same condensing position as the TE polarized base mode light. Is done. Here, if the output waveguide 105, which is a multi-mode waveguide disposed at the condensing position, is designed to be able to propagate a sufficiently large number of modes, the TE-polarized base mode light is also the TE-polarized primary mode light. Since both are coupled to the output waveguide 105 almost without loss, it can be said that the wavelength characteristic of the light received by the photodetector 106 has almost no polarization dependence.

図7は、本実施形態の光受信器において、入力光がその波長に応じて出力側スラブ導波路104での集光位置およびその電界分布と、出力導波路(マルチモード導波路)105との光結合から計算した、フォトディテクター106のそれぞれの受光感度の波長依存性を示す。ここで図1に示された4つのフォトディテクター106を、上からフォトディテクター1、2、3および4と呼んでいる。図7において、実線は入力光がTE偏波の基底モード光である場合の受光感度であり、破線は入力光がTM偏波の基底モード光である場合の受光感度を表す。また、受光感度は各フォトディテクターの波長中心における感度を基準とした相対感度で表している。図7より、フォトディテクターの受光感度の波長依存性は入力偏波が、TE偏波であるかTM偏波であるかに依らず、ほぼ同様で、かつ従来のWDM光受信器と同様に平坦な波形を得ることができる。   FIG. 7 shows the position of the condensing position of the input light in the output-side slab waveguide 104 and its electric field distribution according to the wavelength, and the output waveguide (multimode waveguide) 105 in the optical receiver of this embodiment. The wavelength dependence of each light receiving sensitivity of the photodetector 106 calculated from optical coupling is shown. Here, the four photodetectors 106 shown in FIG. 1 are called photodetectors 1, 2, 3, and 4 from the top. In FIG. 7, the solid line represents the light receiving sensitivity when the input light is TE-polarized base mode light, and the broken line represents the light receiving sensitivity when the input light is TM-polarized base mode light. The light receiving sensitivity is expressed as a relative sensitivity based on the sensitivity at the wavelength center of each photodetector. From FIG. 7, the wavelength dependence of the photodetection sensitivity of the photodetector is almost the same regardless of whether the input polarization is TE polarization or TM polarization, and is flat as in the conventional WDM optical receiver. A simple waveform can be obtained.

以上説明したように、本実施形態の光受信器により、偏波ダイバーシティ構成を必要とせず、単一の波長分波回路で偏波依存性を十分に低減したWDM光受信器を実現することができる。   As described above, the optical receiver of the present embodiment can realize a WDM optical receiver that does not require a polarization diversity configuration and has a sufficiently reduced polarization dependency with a single wavelength demultiplexing circuit. it can.

[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施形態に係る光受信器について説明する。本実施形態における光受信器の全体構成は第1の実施の形態の光受信器と同様で、図1に示した通りであり、アレイ導波路回折格子の設計パラメータも第1の実施の形態で例示したものと同様である。本実施形態の光受信器は、偏波変換回路107の構成が第1の実施形態の場合(図2等参照)と異なる。
[Second Embodiment]
An optical receiver according to the second embodiment of the present invention will be described. The overall configuration of the optical receiver in this embodiment is the same as that of the optical receiver of the first embodiment, as shown in FIG. 1, and the design parameters of the arrayed waveguide grating are also the same as those of the first embodiment. It is the same as that illustrated. The optical receiver of this embodiment is different from the case of the first embodiment (see FIG. 2 and the like) in the configuration of the polarization conversion circuit 107.

図8は、本実施形態に係る光受信器の偏波変換回路107とその近傍を詳しく示した平面図である。偏波変換回路107は、コア幅がw1からw2まで広がるテーパ導波路である主要部分202を含む。主要部分(テーパ導波路)202は、出力側が入力側スラブ導波路102の入力側に接続され、また入力側が、入力導波路101と主要部分(テーパ導波路)202とを滑らかに接続する第2のテーパ導波路201の出力側に接続されている。テーパ導波路202および第2のテーパ導波路201は、入力導波路101と同様のチャネル型導波路である。   FIG. 8 is a plan view showing in detail the polarization conversion circuit 107 and its vicinity of the optical receiver according to the present embodiment. The polarization conversion circuit 107 includes a main portion 202 that is a tapered waveguide whose core width extends from w1 to w2. The main part (tapered waveguide) 202 has an output side connected to the input side of the input-side slab waveguide 102, and the input side smoothly connects the input waveguide 101 and the main part (tapered waveguide) 202 to the second side. The taper waveguide 201 is connected to the output side. The tapered waveguide 202 and the second tapered waveguide 201 are channel waveguides similar to the input waveguide 101.

主要部分であるテーパ導波路202は、長さが50μm、入力導波路101側(第2のテーパ導波路側)のコアの幅がw1=0.64μm、入力側スラブ導波路102側のコアの幅がw2=0.74μmである。入力導波路101のコアの幅は0.5μm、第2のテーパ導波路201の長さは15μmである。   The main portion of the tapered waveguide 202 is 50 μm in length, the core width on the input waveguide 101 side (second taper waveguide side) is w1 = 0.64 μm, and the core width on the input side slab waveguide 102 side. Is w2 = 0.74 μm. The width of the core of the input waveguide 101 is 0.5 μm, and the length of the second tapered waveguide 201 is 15 μm.

本実施形態の光受信器は、主要部分(テーパ導波路)202の上部(シリコン基板側の反対側、以下同様)に形成された窒化シリコンSi3N4の層を有する。図8において、領域204は、この窒化シリコンSi3N4の層が形成された領域を示す。加えて、本実施形態の光受信器は、第2のテーパ導波路201および入力側スラブ導波路102の上部に、窒化シリコンで形成されたテーパ構造の領域203および205が、それぞれ窒化シリコンSi3N4の層の領域204と接続して配置される。これは、シリコン導波路(201,202,102)の上部クラッドと下部クラッドとの間に屈折率の非対称性を生じさせ、これが摂動となりTM偏波の基底モードからTE偏波の1次モードへの偏波変換を生じさせるためである。 The optical receiver according to the present embodiment has a silicon nitride Si 3 N 4 layer formed on an upper portion (opposite side of the silicon substrate side, the same applies hereinafter) of a main portion (tapered waveguide) 202. In FIG. 8, a region 204 indicates a region where the silicon nitride Si 3 N 4 layer is formed. In addition, the optical receiver of this embodiment, the upper portion of the second tapered waveguide 201 and the input-side slab waveguide 102, regions 203 and 205 of the tapered structure formed of silicon nitride, each silicon nitride Si 3 It is connected to the region 204 of the N 4 layer. This causes an asymmetry of the refractive index between the upper clad and the lower clad of the silicon waveguide (201, 202, 102), and this becomes a perturbation from the TM polarization fundamental mode to the TE polarization primary mode. This is to cause the polarization conversion.

ここでテーパ構造の領域203は、入力導波路側から幅が0.2μmからw1=0.64μmまで変化する。テーパ構造の領域205は、主要部分202側から幅がw2=0.74μmから0.2μmまで変化する。このテーパ構造の領域203および205は、偏波変換の動作には直接寄与しないが、第2のテーパ導波路201と主要部分202、および主要部分202と入力側スラブ導波路102との接続部におけるモード不整合を緩和し、過剰損失の発生を抑える効果がある。すなわち、光エネルギーの反射や放射の原因となるモード不整合(テーパ構造間の構造の不連続性)を緩和することで、光エネルギーの反射や放射に起因する過剰損失の発生を抑制することができる。   Here, the width 203 of the tapered region 203 changes from 0.2 μm to w1 = 0.64 μm from the input waveguide side. The width 205 of the tapered structure region 205 changes from the main portion 202 side from w2 = 0.74 μm to 0.2 μm. The tapered regions 203 and 205 do not directly contribute to the operation of polarization conversion, but at the connection between the second tapered waveguide 201 and the main portion 202 and between the main portion 202 and the input-side slab waveguide 102. This has the effect of reducing mode mismatch and suppressing the occurrence of excess loss. In other words, by mitigating mode mismatch (discontinuity of structure between tapered structures) that causes reflection and emission of light energy, it is possible to suppress the occurrence of excess loss due to reflection and emission of light energy. it can.

図9は、図8の主要部のC−C’断面線における断面での回路構造を示す。シリコンで形成された主要部分(テーパ導波路)202のコアが、シリコン基板213上において下部クラッド212および上部クラッド211に埋め込まれている。上部クラッド211は、上部クラッドの第1層214と、上部クラッドの第二層204とを含む。下部クラッド212および上部クラッドの第1層214はともに石英で形成されている。上部クラッドの第二層204は、窒化シリコンで形成されている。第二層204は、下部クラッド212を形成する材料および第一層214を形成する材料より屈折率が高く、シリコンよりも屈折率の低い材料であれば良い。   FIG. 9 shows a circuit structure in a cross section taken along the line C-C ′ of the main part of FIG. 8. A core of a main portion (tapered waveguide) 202 made of silicon is embedded in the lower clad 212 and the upper clad 211 on the silicon substrate 213. The upper cladding 211 includes an upper cladding first layer 214 and an upper cladding second layer 204. Both the lower clad 212 and the upper clad first layer 214 are made of quartz. The second layer 204 of the upper cladding is made of silicon nitride. The second layer 204 may be a material having a refractive index higher than that of the material forming the lower cladding 212 and the material forming the first layer 214 and lower than that of silicon.

主要部分(テーパ導波路)202は、コア厚さが0.22μm、上部クラッド211の厚さは1.5μm、下部クラッド212の厚さが2μmである。上部クラッドの第二層204の厚さが0.5μmであり、テーパ導波路202のコア上面から第二層204の下面までの上部クラッドの第一層214の厚さが0.1μmとなっている。このように、コア202の上面と第二層204の下面との距離は、コアの厚さと同等かそれよりも薄くてもよい。   The main portion (tapered waveguide) 202 has a core thickness of 0.22 μm, an upper clad 211 having a thickness of 1.5 μm, and a lower clad 212 having a thickness of 2 μm. The thickness of the second layer 204 of the upper cladding is 0.5 μm, and the thickness of the first layer 214 of the upper cladding from the upper surface of the core of the tapered waveguide 202 to the lower surface of the second layer 204 is 0.1 μm. As described above, the distance between the upper surface of the core 202 and the lower surface of the second layer 204 may be equal to or less than the thickness of the core.

ここで偏波変換回路107の適切な動作のためには、主要部分(テーパ導波路)202を伝搬する光が、テーパ導波路の上下の屈折率の非対称性を感じることが必要である。そのため、上部クラッドの第二層(窒化シリコン)204の幅は、テーパ導波路202の幅に比較して十分広いことが望ましく、本実施形態では2μmに設定されている。   Here, for proper operation of the polarization conversion circuit 107, it is necessary for the light propagating through the main portion (tapered waveguide) 202 to feel the asymmetry of the refractive index above and below the tapered waveguide. Therefore, it is desirable that the width of the second layer (silicon nitride) 204 of the upper cladding is sufficiently wider than the width of the tapered waveguide 202, and is set to 2 μm in this embodiment.

図10は、偏波変換回路107の主要部分202の機能を説明する図で、シリコンのテーパ導波路202のコア幅wに対する、実効屈折率を計算した結果を示す図である。ここで材料、および導波路の断面構造は図9を参照して説明したものと同様とし、テーパ導波路202のコア幅wだけを変化させて実効屈折率を3つまで算出している。ここで第1モードはwによらずTE偏波の基底モードが保持されるが、第2モードおよび第3モードはコア幅wの変化によってTE偏波成分とTM偏波成分が混合した複合モードになっている。コア幅wが0.64μm付近のときは、第2モードはほぼTM偏波の基底モード、第3モードはほぼTE偏波の1次モードになっている。一方、コア幅wが0.74μm付近のときは、第2モードはほぼTE偏波の1次モード、第3モードはほぼTM偏波の基底モードに入れ替わる。   FIG. 10 is a diagram for explaining the function of the main part 202 of the polarization conversion circuit 107, and shows the result of calculating the effective refractive index with respect to the core width w of the silicon tapered waveguide 202. FIG. Here, the material and the cross-sectional structure of the waveguide are the same as those described with reference to FIG. 9, and the effective refractive index is calculated up to three by changing only the core width w of the tapered waveguide 202. Here, the fundamental mode of TE polarization is maintained regardless of w in the first mode, but the second mode and the third mode are combined modes in which the TE polarization component and the TM polarization component are mixed by changing the core width w. It has become. When the core width w is around 0.64 μm, the second mode is almost the TM polarized base mode, and the third mode is almost the TE polarized primary mode. On the other hand, when the core width w is in the vicinity of 0.74 μm, the second mode is switched to the primary mode of about TE polarization, and the third mode is switched to the base mode of about TM polarization.

図11は、図10における特に第2モードの計算結果から、TE偏波成分とTM偏波成分の強度比を表したものである。コア幅wが増大するにつれて、TM偏波成分の強度比が減少、TE偏波成分の強度比が増加し、TM偏波成分とTE偏波成分が入れ替わる様子がわかる。偏波変換回路107の主要部分202は、本実施形態では、コア幅がw1=0.64μm、コア幅がw2=0.74μmと設定され、狭い側(第2のテーパ導波路側との境界側)のコア幅w1、広い側(入力側スラブ導波路102との境界側)のコア幅w2が、この第2モードの偏波成分が入れ替わる領域をなるべく含むように設計されている。つまり、コア幅w1は第2のモードがほぼTM偏波の基底モードになるような幅に、コア幅w2は第2のモードがほぼTE偏波の1次モードになるような幅に設定されている。   FIG. 11 shows the intensity ratio of the TE polarization component and the TM polarization component from the calculation result of the second mode in FIG. 10 in particular. It can be seen that as the core width w increases, the TM polarization component intensity ratio decreases, the TE polarization component intensity ratio increases, and the TM polarization component and the TE polarization component are interchanged. In the present embodiment, the main portion 202 of the polarization conversion circuit 107 is set such that the core width is set to w1 = 0.64 μm and the core width is set to w2 = 0.74 μm, and the narrow side (the boundary side with the second tapered waveguide side). The core width w1 and the core width w2 on the wide side (the boundary side with the input-side slab waveguide 102) are designed to include as much as possible the region where the polarization component of the second mode is switched. That is, the core width w1 is set to such a width that the second mode is substantially a TM polarized base mode, and the core width w2 is set to be a width such that the second mode is substantially a TE polarized primary mode. ing.

よって図8において入力導波路101から入力したTE偏波の基底モード光は、そのまま偏波変換回路107を通過して入力側スラブ導波路102に入力し、入力導波路101から入力したTM偏波の基底モード光は、テーパ導波路202を伝搬する過程でTE偏波の1次モード光に変換され、入力側スラブ導波路102に入力する。   Therefore, the TE-polarized fundamental mode light input from the input waveguide 101 in FIG. 8 passes through the polarization conversion circuit 107 as it is and is input to the input-side slab waveguide 102, and TM polarization input from the input waveguide 101. The fundamental mode light is converted to TE-polarized primary mode light in the process of propagating through the tapered waveguide 202 and is input to the input-side slab waveguide 102.

従って本実施形態の光受信器においても、第1の実施形態の光受信器と同様の動作によって、ある波長のTE偏波の基底モード光が入力した場合には、その波長に応じた集光位置にTE偏波の基底モード光の電界分布が再構成され、同じ波長のTM偏波の基底モード光が入力した場合には、TE偏波の基底モード光の時と同じ集光位置に、TE偏波の1次モード光の電界分布が再構成される。さらにTE偏波の基底モード光もTE偏波の1次モード光のいずれもマルチモード導波路である出力導波路(マルチモード導波路)105とほぼ損失なく結合するので、フォトディテクター106での受光感度の波長依存性は偏波に依らずほぼ同様で、かつ従来のWDM光受信器と同様に平坦な波形を得ることができる。   Therefore, in the optical receiver according to the present embodiment, when the fundamental mode light of the TE polarized wave having a certain wavelength is input by the same operation as that of the optical receiver according to the first embodiment, the light is condensed according to the wavelength. When the electric field distribution of the TE-polarized base mode light is reconfigured at the position and TM-polarized base mode light of the same wavelength is input, The electric field distribution of the TE-polarized primary mode light is reconstructed. Further, since both the TE-polarized fundamental mode light and the TE-polarized primary mode light are coupled to the output waveguide (multimode waveguide) 105, which is a multimode waveguide, with almost no loss, the light is received by the photodetector 106. The wavelength dependence of the sensitivity is almost the same regardless of the polarization, and a flat waveform can be obtained as in the conventional WDM optical receiver.

加えて本実施形態の光受信器における偏波変換回路107は、第1の実施形態の光受信器のものと比較して、入力側スラブ導波路102との構造連続性が良く、偏波変換回路107と入力側スラブ導波路102との接合部分において反射や損失の生成が抑えられるという利点も有する。   In addition, the polarization conversion circuit 107 in the optical receiver according to the present embodiment has better structure continuity with the input-side slab waveguide 102 than the optical receiver according to the first embodiment, and polarization conversion. There is also an advantage that the generation of reflection and loss is suppressed at the junction between the circuit 107 and the input-side slab waveguide 102.

以上から、本実施形態の光受信器により、偏波ダイバーシティ構成を必要とせず、単一の波長分波回路で偏波依存性を十分に低減し、かつ反射あるいは損失特性に優れた、WDM光受信器を実現することができる。   From the above, the optical receiver of the present embodiment does not require a polarization diversity configuration, the WDM light that sufficiently reduces the polarization dependence with a single wavelength demultiplexing circuit and has excellent reflection or loss characteristics. A receiver can be realized.

ここで、本実施形態においては、窒化シリコンで形成された上部クラッドの第二層204の幅を2μmに設定する例を示したが、本願発明は、この数値例に限定されるものではない。図12は、本実施形態の光受信器において、上部クラッドの第二層204の幅を変化させた場合の、偏波変換回路107における偏波変換の効率を示している。横軸は具体的に上部クラッドの第二層204の幅が、シリコンのテーパ導波路202のコア幅w2=0.74μmの何倍に当たるかを示している。図12から理解されるように、上部クラッドの第二層204の幅は、テーパ導波路202のコア幅w2の1.5倍以上あることが好ましい。上部クラッドの第二層204の幅=2μmはこの条件を満足し、100%に近い偏波変換が実現される。   Here, in the present embodiment, an example is shown in which the width of the second layer 204 of the upper cladding formed of silicon nitride is set to 2 μm, but the present invention is not limited to this numerical example. FIG. 12 shows the efficiency of polarization conversion in the polarization conversion circuit 107 when the width of the second layer 204 of the upper cladding is changed in the optical receiver of this embodiment. The abscissa specifically indicates how many times the width of the second layer 204 of the upper cladding corresponds to the core width w2 = 0.74 μm of the silicon tapered waveguide 202. As can be understood from FIG. 12, the width of the second layer 204 of the upper cladding is preferably 1.5 times or more the core width w 2 of the tapered waveguide 202. The width = 2 μm of the second layer 204 of the upper cladding satisfies this condition, and polarization conversion close to 100% is realized.

また図13は、本実施形態の変形例として、偏波変換回路107の構成をわずかに変えた例を示したものである。具体的にはシリコンのテーパ導波路202と入力側スラブ導波路102の間に、更に第3のテーパ導波路221が設けられている。ここで第3のテーパ導波路221は、導波路のコアの幅をw2から更に拡大し、入力側スラブ導波路102に接続するものであり、TE偏波の基底モードの光とTE偏波の1次モードの光の両方が伝搬可能である。第3のテーパ導波路221は、テーパ導波路202および第2のテーパ導波路201と同様のチャネル型導波路である。第3のテーパ導波路221を、偏波変換回路と入力側スラブ導波路とを滑らかに接続する中間テーパ導波路とすることができる。よって第3のテーパ導波路221の設置により、光受信器の動作に何ら変化はないが、入力側スラブ導波路102に接続する導波路の開口幅を第3のテーパ導波路221によってある程度調整することが可能であるため、アレイ導波路回折格子の設計に自由度を持たせることができる点で好ましい。   FIG. 13 shows an example in which the configuration of the polarization conversion circuit 107 is slightly changed as a modification of the present embodiment. Specifically, a third tapered waveguide 221 is further provided between the silicon tapered waveguide 202 and the input-side slab waveguide 102. Here, the third taper waveguide 221 further expands the width of the waveguide core from w2, and is connected to the input-side slab waveguide 102. The TE-polarized base mode light and the TE-polarized wave Both light in the first order mode can propagate. The third tapered waveguide 221 is a channel type waveguide similar to the tapered waveguide 202 and the second tapered waveguide 201. The third taper waveguide 221 can be an intermediate taper waveguide that smoothly connects the polarization conversion circuit and the input side slab waveguide. Therefore, although the operation of the optical receiver is not changed by the installation of the third tapered waveguide 221, the opening width of the waveguide connected to the input side slab waveguide 102 is adjusted to some extent by the third tapered waveguide 221. Therefore, it is preferable in that a degree of freedom can be given to the design of the arrayed waveguide diffraction grating.

[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施形態に係る光受信器について説明する。本実施形態における光受信器の全体構成は、第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態の光受信器と同様で、図1に示した通りであり、アレイ導波路回折格子の設計パラメータも第1の実施の形態で例示したものと同様である。本実施形態の光受信器は、偏波変換回路107の構成が第1の実施形態の場合(図2等参照)と異なる。なお、本実施形態における偏波変換回路107は非特許文献1にて報告されているものである。
[Third Embodiment]
An optical receiver according to the third embodiment of the present invention will be described. The overall configuration of the optical receiver in this embodiment is the same as that of the optical receiver of the first embodiment or the second embodiment, as shown in FIG. Is the same as that exemplified in the first embodiment. The optical receiver of this embodiment is different from the case of the first embodiment (see FIG. 2 and the like) in the configuration of the polarization conversion circuit 107. The polarization conversion circuit 107 in this embodiment is reported in Non-Patent Document 1.

図14は、本実施形態に係る光受信器の偏波変換回路107とその近傍を詳しく示した平面図である。入力導波路101と入力側スラブ導波路102との間に挿入された偏波変換回路107は、第1のリブ型導波路テーパ(301,302)と、第2のリブ型導波路テーパ(303,304)とを備える。第1のリブ型導波路テーパは、リブ部分301とリブ部分301の周辺のフィン部分302とを有する。リブ部分301は、左端が入力導波路101に接続され、左端の幅が入力導波路101の幅に等しく、右端の幅がw1に変化するテーパ形状である。第1のリブ型導波路テーパのフィン部分302は、左端の幅がリブ部分301の左端の幅(すなわち、入力導波路101の幅)に等しく、右端の幅がw3に変化するテーパ形状である。第2のリブ型導波路テーパは、リブ部分303とリブ部分303の周辺のフィン部分304とを有する。第2のリブ型導波路テーパのリブ部分303は、左端が第1のリブ型導波路テーパのリブ部分301の右端に接続し、左端の幅がw1であり、右端の幅がw2に変化するテーパ形状である。第2のリブ型導波路テーパのフィン部分304は、左端の幅はw3であり、右端の幅がw2に減少するテーパ形状である。   FIG. 14 is a plan view showing in detail the polarization conversion circuit 107 and its vicinity of the optical receiver according to the present embodiment. The polarization conversion circuit 107 inserted between the input waveguide 101 and the input-side slab waveguide 102 includes a first rib-type waveguide taper (301, 302) and a second rib-type waveguide taper (303). 304). The first rib-type waveguide taper has a rib portion 301 and a fin portion 302 around the rib portion 301. The rib portion 301 has a tapered shape in which the left end is connected to the input waveguide 101, the width of the left end is equal to the width of the input waveguide 101, and the width of the right end changes to w1. The fin portion 302 of the first rib-type waveguide taper has a tapered shape in which the left end width is equal to the left end width of the rib portion 301 (that is, the width of the input waveguide 101) and the right end width changes to w3. . The second rib-type waveguide taper has a rib portion 303 and a fin portion 304 around the rib portion 303. The rib portion 303 of the second rib-type waveguide taper has a left end connected to the right end of the rib portion 301 of the first rib-type waveguide taper, the left end width is w1, and the right end width is changed to w2. Tapered shape. The fin portion 304 of the second rib-type waveguide taper has a tapered shape in which the width at the left end is w3 and the width at the right end is reduced to w2.

本実施形態において入力導波路101の幅が0.5μmであり、第1のリブ型導波路テーパ(301,302)の長さが50μm、幅がw1=0.55μm、w3=1.2μmであり、第2のリブ型導波路テーパ(303,304)の長さが50μm、幅がw2=0.85μmである。   In the present embodiment, the width of the input waveguide 101 is 0.5 μm, the length of the first rib-type waveguide taper (301, 302) is 50 μm, the width is w1 = 0.55 μm, w3 = 1.2 μm, The length of the second rib-type waveguide taper (303, 304) is 50 μm and the width is w2 = 0.85 μm.

図15は、図14の偏波変換回路107のD−D’断面線における断面での回路構造を示す。シリコンで形成された第2のリブ型導波路テーパのリブ部分のコア303およびフィン部分のコア304が、シリコン基板313上において下部クラッド312および上部クラッド311に埋め込まれている。上部クラッド311および下部クラッド312ははともに石英で形成されている。リブ部分のコア303の厚さが0.22μm、フィン部分のコア304の厚さが0.15μm、上部クラッド311の厚さが1.5μm、下部クラッド312の厚さが2μmである。第1のリブ型導波路テーパの回路構造の断面は、第2のリブ型導波路テーパと同様である。   FIG. 15 shows a circuit structure in a cross section taken along the line D-D ′ of the polarization conversion circuit 107 in FIG. 14. The core 303 of the rib part and the core 304 of the fin part of the second rib-type waveguide taper formed of silicon are embedded in the lower clad 312 and the upper clad 311 on the silicon substrate 313. Both the upper clad 311 and the lower clad 312 are made of quartz. The rib portion core 303 has a thickness of 0.22 μm, the fin portion core 304 has a thickness of 0.15 μm, the upper clad 311 has a thickness of 1.5 μm, and the lower clad 312 has a thickness of 2 μm. The cross section of the circuit structure of the first rib-type waveguide taper is the same as that of the second rib-type waveguide taper.

図16は、偏波変換回路107の機能を説明する図で、第1のリブ型導波路テーパの左端(入力導波路101との接続端)から第2のリブ型導波路テーパの右端までの各位置(第1のリブ型導波路テーパの左端より0, 5, 10, 15, 20, 35, 50, 75, 100μmの位置)における実効屈折率を計算した結果を示す図である。ここで計算では実効屈折率を3つまで算出している。ここで第1モードは位置によらずTE偏波の基底モードが保持されるが、第2モードおよび第3モードは導波路を進むにつれてTE偏波成分とTM偏波成分が混合した複合モードになっている。位置が0μmのときは、第2モードはほぼTM偏波の基底モード、第3モードはほぼTE偏波の1次モードになっており、一方、位置が50μmでは、第2モードはほぼTE偏波の1次モード、第3モードはほぼTM偏波の基底モードに入れ替わる。   FIG. 16 is a diagram for explaining the function of the polarization conversion circuit 107, from the left end of the first rib-type waveguide taper (connection end to the input waveguide 101) to the right end of the second rib-type waveguide taper. It is a figure which shows the result of having calculated the effective refractive index in each position (0, 5, 10, 15, 20, 35, 50, 75, 100 micrometer position from the left end of a 1st rib type waveguide taper). In this calculation, up to three effective refractive indexes are calculated. Here, the fundamental mode of TE polarization is maintained regardless of the position of the first mode, but the second mode and the third mode are combined modes in which the TE polarization component and the TM polarization component are mixed as they travel through the waveguide. It has become. When the position is 0 μm, the second mode is almost a TM polarized fundamental mode, and the third mode is almost a TE polarized primary mode, while when the position is 50 μm, the second mode is almost TE polarized. The primary mode and the third mode of the wave are switched to the fundamental mode of TM polarization.

図17は、図16おける特に第2モードの計算結果から、TE偏波成分とTM偏波成分の強度比を表したものである。光が偏波変換回路107を進むにつれて、TM偏波成分の強度比が減少し、TE偏波成分の強度比が増加し、TM偏波成分とTE偏波成分が入れ替わる様子がわかる。   FIG. 17 shows the intensity ratio of the TE polarization component and the TM polarization component from the calculation result of the second mode in FIG. It can be seen that as the light travels through the polarization conversion circuit 107, the intensity ratio of the TM polarization component decreases, the intensity ratio of the TE polarization component increases, and the TM polarization component and the TE polarization component are switched.

よって、図14において入力導波路101から入力したTE偏波の基底モード光は、そのまま偏波変換回路107を通過し、入力導波路101から入力したTM偏波の基底モード光は、偏波変換回路107を伝搬する過程でTE偏波の1次モード光に変換される。   Therefore, in FIG. 14, the TE-polarized fundamental mode light input from the input waveguide 101 passes through the polarization conversion circuit 107 as it is, and the TM-polarized fundamental mode light input from the input waveguide 101 is polarization-converted. In the process of propagating through the circuit 107, the light is converted into TE polarized primary mode light.

更に本実施形態では、偏波変換回路107と入力側スラブ導波路102との間に第3のテーパ導波路305が設けられている。第3のテーパ導波路305は、導波路の幅をw2から更に拡大し、入力側スラブ導波路(102)に接続するものであり、TE偏波の基底モード光とTE偏波の1次モード光の両方が伝搬可能である。第3のテーパ導波路305は、チャネル型シリコン導波路である。第2のリブ型導波路テーパと第3のテーパ導波路305とを接続した構成を、偏波変換回路と入力側スラブ導波路とを滑らかに接続する中間テーパ導波路とすることができる。よって第3のテーパ導波路305の設置により、光受信器の動作に何ら変化はないが、入力側スラブ導波路102に接続する導波路の開口幅を第3のテーパ導波路305によってある程度調整することが可能であるため、アレイ導波路回折格子の設計に自由度を持たせることができる点で好ましい。   Further, in the present embodiment, a third taper waveguide 305 is provided between the polarization conversion circuit 107 and the input side slab waveguide 102. The third taper waveguide 305 further expands the width of the waveguide from w2 and is connected to the input-side slab waveguide (102). The TE-polarized fundamental mode light and the TE-polarized primary mode Both light can propagate. The third taper waveguide 305 is a channel type silicon waveguide. The configuration in which the second rib-type waveguide taper and the third taper waveguide 305 are connected can be an intermediate tapered waveguide that smoothly connects the polarization conversion circuit and the input-side slab waveguide. Therefore, although the operation of the optical receiver is not changed by the installation of the third tapered waveguide 305, the opening width of the waveguide connected to the input side slab waveguide 102 is adjusted to some extent by the third tapered waveguide 305. Therefore, it is preferable in that a degree of freedom can be given to the design of the arrayed waveguide diffraction grating.

以上より本実施形態の光受信器においても、第1の実施形態あるいは第2の実施形態の光受信器と同様の動作によって、ある波長のTE偏波の基底モード光が入力した場合には、その波長に応じた集光位置にTE偏波の基底モード光の電界分布が再構成され、同じ波長のTM偏波の基底モード光が入力した場合には、TE偏波の時と同じ集光位置に、TE偏波の1次モード光の電界分布が再構成される。さらにTE偏波の基底モード光もTE偏波の1次モード光のいずれも出力導波路(マルチモード導波路)105とほぼ損失なく結合するので、フォトディテクター106での受光感度の波長依存性は偏波に依らずほぼ同様で、かつ従来のWDM光受信器と同様に平坦な波形を得ることができる。   As described above, also in the optical receiver of the present embodiment, when the fundamental mode light of the TE polarization of a certain wavelength is input by the same operation as the optical receiver of the first embodiment or the second embodiment, When the electric field distribution of TE-polarized base mode light is reconstructed at the condensing position according to the wavelength, and TM-polarized base mode light of the same wavelength is input, the same condensing as in TE polarized light At the position, the electric field distribution of the TE-polarized primary mode light is reconstructed. Furthermore, since both the TE-polarized fundamental mode light and the TE-polarized primary mode light are coupled to the output waveguide (multimode waveguide) 105 with almost no loss, the wavelength dependence of the light receiving sensitivity at the photodetector 106 is as follows. It is almost the same regardless of the polarization, and a flat waveform can be obtained as in the conventional WDM optical receiver.

加えて本実施形態の光受信器における偏波変換回路107は、第1の実施形態のものに比較して、入力側スラブ導波路102との構造連続性が良く、偏波変換回路107と入力側スラブ導波路102との接合部分において反射や損失の生成が抑えられるという利点も有する。   In addition, the polarization conversion circuit 107 in the optical receiver of the present embodiment has better structural continuity with the input side slab waveguide 102 than the first embodiment, and the polarization conversion circuit 107 and the input There is also an advantage that generation of reflection and loss is suppressed at the junction with the side slab waveguide 102.

以上から、本実施例の光受信器により、偏波ダイバーシティ構成を必要とせず、単一の波長分波回路で偏波依存性を十分に低減し、かつ反射あるいは損失特性に優れた、WDM光受信器を実現することができる。   From the above, the optical receiver of the present embodiment does not require a polarization diversity configuration, a WDM light that sufficiently reduces polarization dependence with a single wavelength demultiplexing circuit and has excellent reflection or loss characteristics. A receiver can be realized.

また図18は、本実施形態の変形例として、偏波変換回路107の構成をわずかに変えた例を示したものである。具体的には第2のリブ型導波路テーパ(303,304)において、フィン部分304の幅が入力側スラブ導波路102に向かってw4まで更に拡大する点、また第3のテーパ導波路305は存在せず、第2のリブ型導波路テーパが入力側スラブ導波路102に直接接続している点で図14の偏波変換回路107の構成と異なる。この変形例の第2のリブ型導波路テーパの設計の例としては、w2=1.0μm、w3=2.0μm、長さ100μmである。   FIG. 18 shows an example in which the configuration of the polarization conversion circuit 107 is slightly changed as a modification of the present embodiment. Specifically, in the second rib waveguide taper (303, 304), the width of the fin portion 304 is further expanded to w4 toward the input-side slab waveguide 102, and the third taper waveguide 305 is It differs from the configuration of the polarization conversion circuit 107 in FIG. 14 in that it does not exist and the second rib-type waveguide taper is directly connected to the input-side slab waveguide 102. As an example of the design of the second rib-type waveguide taper of this modification, w2 = 1.0 μm, w3 = 2.0 μm, and length 100 μm.

図18に示す偏波変換回路107は、本実施形態の図14のものに比較して、入力側スラブ導波路102との構造連続性が更に良く、偏波変換回路107と入力側スラブ導波路102との接合部分において反射や損失の生成が更に抑えられるという利点を有する。   The polarization conversion circuit 107 shown in FIG. 18 has better structural continuity with the input-side slab waveguide 102 than the one shown in FIG. 14 of this embodiment, and the polarization conversion circuit 107 and the input-side slab waveguide. There is an advantage that generation of reflection and loss can be further suppressed at the joint portion with 102.

[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施形態に係る光受信器について説明する。本実施形態における光受信器の構成は、第3の実施形態と同様であるが、受信するWDM信号の波長間隔が異なる例を説明する。本実施形態の光受信器の回路全体の構成は、図1の通りであり、出力導波路105のコア幅が3μm、出力側スラブ導波路104に接続する部分の出力導波路105の配列間隔が4.5μm、出力導波路105の本数が4、入力側スラブ導波路102および出力側スラブ導波路104に接続する部分のアレイ導波路103の導波路間隔が1.2μmであることは同様であるが、ポート間の合分波光波長間隔は20nmとなるように設計されている。そこで、アレイ導波路103の本数は40本で、内側の導波路より一定量ΔLずつ順次長くなるよう設計され、ΔLは3.88μm、入力側スラブ導波路(102)および出力側スラブ導波路(104)の長さは64μmである。
[Fourth Embodiment]
An optical receiver according to the fourth embodiment of the present invention will be described. The configuration of the optical receiver in this embodiment is the same as that in the third embodiment, but an example in which the wavelength interval of the received WDM signal is different will be described. The configuration of the entire circuit of the optical receiver according to the present embodiment is as shown in FIG. 1. The core width of the output waveguide 105 is 3 μm, and the arrangement interval of the output waveguides 105 connected to the output side slab waveguide 104 is It is the same that the waveguide interval of the arrayed waveguide 103 in the portion connected to 4.5 μm, the number of the output waveguides 105 is 4, and the input side slab waveguide 102 and the output side slab waveguide 104 is 1.2 μm. The wavelength division between the ports is designed to be 20nm. Therefore, the number of arrayed waveguides 103 is 40, which is designed to be successively longer than the inner waveguide by a certain amount ΔL. ΔL is 3.88 μm, the input side slab waveguide (102) and the output side slab waveguide (104 ) Is 64 μm long.

図19は、本実施形態の光受信器において、フォトディテクター106のそれぞれの受光感度の波長依存性を計算した結果を示す図である。ここで図1に示された4つのフォトディテクター106を、上からフォトディテクター1、2、3および4と呼んでいる。実線は入力光がTE偏波の基底モード光である場合の受光感度であり、破線は入力光がTM偏波の基底モード光である場合の受光感度を表す。また、受光感度は各フォトディテクターの波長中心における感度を基準とした相対感度で表している。他の実施形態と同様に、受光感度の波長依存性は、入力偏波がTE偏波であるかTM偏波であるかに依らず、ほぼ同様で、平坦な波形を得ることができる。またアレイ導波路回折格子の設計パラメータを変えるだけで、波長間隔20nmのような広波長間隔のWDM受信器も実現できることがわかる。   FIG. 19 is a diagram illustrating a result of calculating the wavelength dependence of each light receiving sensitivity of the photodetector 106 in the optical receiver of the present embodiment. Here, the four photodetectors 106 shown in FIG. 1 are called photodetectors 1, 2, 3, and 4 from the top. The solid line represents the light receiving sensitivity when the input light is TE-polarized base mode light, and the broken line represents the light receiving sensitivity when the input light is TM-polarized base mode light. The light receiving sensitivity is expressed as a relative sensitivity based on the sensitivity at the wavelength center of each photodetector. As in the other embodiments, the wavelength dependence of the light reception sensitivity is substantially the same regardless of whether the input polarization is TE polarization or TM polarization, and a flat waveform can be obtained. It can also be seen that a WDM receiver with a wide wavelength spacing such as a wavelength spacing of 20 nm can be realized by simply changing the design parameters of the arrayed waveguide grating.

以上、種々の実施の形態から、本発明により、受光感度の波長依存性は偏波に依らずほぼ同様で、かつ従来のWDM光受信器と同様に平坦な波形を得ることができるところの、光受信器が実現できることを示した。   As described above, from various embodiments, according to the present invention, the wavelength dependence of the light receiving sensitivity is substantially the same regardless of the polarization, and a flat waveform can be obtained like the conventional WDM optical receiver. It was shown that an optical receiver can be realized.

上記の実施の形態では、上部クラッド、および下部クラッドの材料として石英ガラスを用いたが、本発明の適用範囲は、この材料に限定されるものではない。シリコンより屈折率の低い材料で形成されれば良い。   In the above embodiment, quartz glass is used as the material for the upper cladding and the lower cladding, but the scope of application of the present invention is not limited to this material. It may be formed of a material having a refractive index lower than that of silicon.

上記の実施の形態では、上部クラッドおよび下部クラッドの厚さとして特定の数値を用いたが、本発明の適用範囲は、この数値に限定されるものではなく、コアと同程度以上の厚さがあればよい。   In the above embodiment, specific numerical values are used as the thicknesses of the upper clad and the lower clad. However, the scope of the present invention is not limited to this value, and the thickness is equal to or greater than that of the core. I just need it.

上記の実施の形態の光受信器における偏波変換回路部分では、シリコン導波路の設計パラメータを特定の値に限定したが、本発明の適用範囲は、このパラメータに限定されるものではない。TM偏波の基底モード光とTE偏波の1次モード光の間で変換が生じるシリコン導波路のコア幅の構造は、コアの厚さおよび幅、上部クラッドおよび下部クラッドの材料の屈折率によって決まる。   In the polarization conversion circuit portion of the optical receiver of the above embodiment, the design parameter of the silicon waveguide is limited to a specific value. However, the application range of the present invention is not limited to this parameter. The structure of the core width of the silicon waveguide where conversion occurs between the TM-polarized fundamental mode light and the TE-polarized primary mode light depends on the thickness and width of the core, and the refractive index of the upper and lower cladding materials. Determined.

第1、第3、第4の実施形態におけるリブ型導波路のフィン部のコアの厚さも特定の値に限定されるものではないが、リブ部分のコアの厚さに匹敵する厚さになると、1次モード以上の不要な高次モードが発生し、特性の劣化を招く可能性がある。よって高次モード抑制の観点では、フィン部分のコアの厚さは、第1の実施形態においてはリブ部分のコアの厚さの1/3程度以下に、第3、第4の実施形態においてはリブ部分のコアの厚さの3/4程度以下に設定するのが好ましい。   The thickness of the core of the fin portion of the rib-type waveguide in the first, third, and fourth embodiments is not limited to a specific value, but when the thickness is comparable to the thickness of the core of the rib portion. There is a possibility that an unnecessary higher-order mode higher than the first-order mode may occur, resulting in deterioration of characteristics. Therefore, from the viewpoint of suppressing higher-order modes, the core thickness of the fin portion is about 1/3 or less of the core thickness of the rib portion in the first embodiment, and in the third and fourth embodiments. It is preferable to set it to about 3/4 or less of the thickness of the core of the rib portion.

また上記の実施の形態では、他の回路との接続性の観点から、入力導波路はシングルモード導波路であるか、シングルモード導波路に光学的に接続していることが好ましい。シリコン導波路のシングルモード条件は、上部クラッド、および下部クラッドの各材料の屈折率によって異なるが、最も一般的な石英をクラッドに用いた場合、チャネル型であれば、概ね導波路コアの断面積が0.2μm2以下であることが必要である。 In the above embodiment, the input waveguide is preferably a single mode waveguide or optically connected to the single mode waveguide from the viewpoint of connectivity with other circuits. The single-mode condition of the silicon waveguide varies depending on the refractive index of each material of the upper cladding and the lower cladding. However, when the most common quartz is used for the cladding, if it is a channel type, the cross-sectional area of the waveguide core is approximately Must be 0.2 μm 2 or less.

10 アレイ導波路回折格子のチップ
11,21,26,101 入力導波路
12,22,102 入力側スラブ導波路
13,23,103 アレイ導波路
14,24,104 出力側スラブ導波路
15,25,105 出力導波路(マルチモード導波路)
16 光結合レンズ
17,28,106 フォトディテクター
20 シリコン光回路のチップ
27 偏波分離回転回路
100 光受信器
107 偏波変換回路
111,112 チャネル型−リブ型導波路変換回路
113 偏波変換回路の主要部分
113a リブ型導波路のリブ部分
113b リブ型導波路のフィン部分
121,131,211,311 上部クラッド
122,132,212,312 下部クラッド
123,133,213,313 シリコン基板
201 第2のテーパ導波路
202 テーパ導波路
203,205 テーパ構造
204 窒化シリコンの層(上部クラッドの第2層)
214 上部クラッドの第1層
221,305 第3のテーパ導波路
301 第1のリブ型導波路テーパのリブ部分
302 第1のリブ型導波路テーパのフィン部分
303 第2のリブ型導波路テーパのリブ部分
304 第2のリブ型導波路テーパのフィン部分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Array waveguide diffraction grating chip 11, 21, 26, 101 Input waveguide 12, 22, 102 Input side slab waveguide 13, 23, 103 Array waveguide 14, 24, 104 Output side slab waveguide 15, 25, 105 Output waveguide (multi-mode waveguide)
16 Optical coupling lens 17, 28, 106 Photo detector 20 Silicon optical circuit chip 27 Polarization separation rotation circuit 100 Optical receiver 107 Polarization conversion circuit 111, 112 Channel type-rib type waveguide conversion circuit 113 Polarization conversion circuit Main portion 113a Rib portion of rib type waveguide 113b Fin portion of rib type waveguide 121, 131, 211, 311 Upper clad 122, 132, 212, 312 Lower clad 123, 133, 213, 313 Silicon substrate 201 Second taper Waveguide 202 Tapered waveguide 203, 205 Tapered structure 204 Layer of silicon nitride (second layer of upper cladding)
214 First layer of upper cladding 221, 305 Third tapered waveguide 301 Rib portion of first rib-type waveguide taper 302 Fin portion of first rib-type waveguide taper 303 303 of second rib-type waveguide taper Rib portion 304 Fin portion of second rib-type waveguide taper

Claims (6)

入力導波路、入力側スラブ導波路、アレイ導波路、出力側スラブ導波路、マルチモード導波路である出力導波路、およびフォトディテクターを備えた光受信器であって、
前記入力導波路と前記入力側スラブ導波路の間に、入力されたTE偏波の基底モード光をTE偏波の基底モード光のまま出力し、入力されたTM偏波の基底モード光をTE偏波の1次モード光に変換して出力する偏波変換回路をさらに備えた、ことを特徴とする光受信器。
An optical receiver comprising an input waveguide, an input slab waveguide, an arrayed waveguide, an output slab waveguide, an output waveguide that is a multimode waveguide, and a photodetector,
Between the input waveguide and the input-side slab waveguide, the input TE-polarized base mode light is output as TE-polarized base mode light, and the input TM-polarized base mode light is output as TE. An optical receiver characterized by further comprising a polarization conversion circuit for converting into polarized first-order mode light for output.
前記偏波変換回路は、リブ部分とフィン部分とを備えたリブ型シリコン導波路であり、
前記リブ型シリコン導波路は、前記フィン部分のコアの厚さが前記リブ部分のコアの厚さよりも薄く、前記フィン部分のコア幅が徐々に拡大するテーパ形状である、ことを特徴とする請求項1に記載の光受信器。
The polarization conversion circuit is a rib-type silicon waveguide having a rib portion and a fin portion,
The rib-type silicon waveguide has a tapered shape in which the core of the fin portion is thinner than the core of the rib portion, and the core width of the fin portion gradually increases. Item 4. The optical receiver according to Item 1.
前記偏波変換回路は、幅が徐々に拡大するテーパ導波路であり、前記テーパ導波路は、コアと下部クラッドおよび上部クラッドとから成る導波路あり、前記コアはシリコンで形成され、前記下部クラッドおよび前記上部クラッドは、シリコンよりも屈折率の低い材料で形成され、
前記テーパ導波路の上部近辺の領域において、前記上部クラッドは、前記コアの上部に接する第一層と前記第一層の上部に形成された第二層とを有し、前記第一層は、シリコンよりも屈折率の低い材料で形成され、前記第二層は、前記下部クラッドを形成する材料および前記第一層を形成する材料より屈折率が高く、シリコンよりも屈折率の低い材料で形成され、前記コアの上面と前記第二層の下面との距離は、前記コアの厚さと同等か、前記コアの厚さよりも薄い、ことを特徴とする請求項1に記載の光受信器。
The polarization conversion circuit is a tapered waveguide whose width gradually increases. The tapered waveguide is a waveguide including a core, a lower clad, and an upper clad. The core is made of silicon, and the lower clad And the upper cladding is formed of a material having a lower refractive index than silicon,
In the region near the upper part of the tapered waveguide, the upper clad has a first layer in contact with the upper part of the core and a second layer formed on the upper part of the first layer, The second layer is formed of a material having a refractive index higher than that of the material forming the lower cladding and the material of forming the first layer, and having a refractive index lower than that of silicon. The optical receiver according to claim 1, wherein a distance between an upper surface of the core and a lower surface of the second layer is equal to or less than a thickness of the core.
前記偏波変換回路は、リブ部分とフィン部分とをそれぞれ備え相互に接続された第1および第2のリブ型シリコン導波路であり、前記フィン部分のコアの厚さが前記リブ部分のコアの厚さよりも薄く、
前記第1のリブ型シリコン導波路は、前記リブ部分のコアの幅および前記フィン部分のコア幅が徐々に拡大するテーパ形状であり、
前記第2のリブ型シリコン導波路は、前記リブ部分のコア幅が徐々に拡大し、前記フィン部分のコア幅が徐々に減少するテーパ形状である、ことを特徴とする、請求項1に記載の光受信器。
The polarization conversion circuit includes first and second rib-type silicon waveguides each having a rib portion and a fin portion and connected to each other, and the thickness of the core of the fin portion is equal to that of the core of the rib portion. Thinner than the thickness,
The first rib-type silicon waveguide has a taper shape in which the core width of the rib portion and the core width of the fin portion gradually increase,
The said 2nd rib type | mold silicon waveguide is a taper shape which the core width of the said rib part expands gradually, and the core width of the said fin part reduces gradually, The said 1st characterized by the above-mentioned. Optical receiver.
前記偏波変換回路と前記入力側スラブ導波路との間に、中間テーパ導波路をさらに備えること、を特徴とする請求項3または4に記載の光受信器。   The optical receiver according to claim 3, further comprising an intermediate taper waveguide between the polarization conversion circuit and the input-side slab waveguide. 前記偏波変換回路は、リブ部分とフィン部分とを備えたリブ型シリコン導波路であり、
前記リブ型シリコン導波路は、前記フィン部分のコアの厚さが前記リブ部分のコアの厚さよりも薄く、前記リブ部分のコアの幅および前記フィン部分のコア幅が徐々に拡大するテーパ形状であり、前記入力側スラブ導波路に直接接続していること、を特徴とする請求項1に記載の光受信器。
The polarization conversion circuit is a rib-type silicon waveguide having a rib portion and a fin portion,
The rib-type silicon waveguide has a tapered shape in which the core of the fin portion is thinner than the core of the rib portion, and the core width of the rib portion and the core width of the fin portion gradually increase. The optical receiver according to claim 1, wherein the optical receiver is directly connected to the input-side slab waveguide.
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