(57)【要約】【課題】デジタルコヒーレント光通信での光信号のモニタリングに適用される小型で高安定動作する光電子集積素子を提供する。【解決手段】光位相情報を光強度情報に変換する光９０度ハイブリッド１０と光強度情報を電気信号に変換するゲルマニウムフォトディテクタ１５と電流信号を増幅するトランスインピーダンスアンプ２０を備え、光９０度ハイブリッド１０をＳｉＯＮ導波路を用いて構成する。これにより、温度変動に対する特性変動を抑制できるので、小型で高安定動作する光電子集積素子を提供可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光位相情報を光強度情報に変換する光回路と、
前記光強度情報を電気信号に変換するフォトディテクタと、
前記電気信号を増幅する電気回路と、を有し、
前記光回路がシリコン酸窒化物導波路を用いて構成されることを特徴とする光電子集積素子。
【請求項２】
前記シリコン酸窒化物導波路をシリコン導波路に接続するスポットサイズ変換器を有し、
前記フォトディテクタは前記シリコン導波路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の光電子集積素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルコヒーレント光通信での光信号のモニタリングに適用される光電子集積素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークにおける情報トラフィックは伸び続けており、近年では従来の強度変調方式に加えて、位相変調方式を用いて伝送するデジタルコヒーレント光通信が普及し始めている。
【０００３】
デジタルコヒーレント光通信における受信側では、信号光と連続波局部発振光（Ｌｏｃａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＬＯ）とを干渉させることによって光位相情報を光強度情報として検出して信号光の復調を行っている。信号光とＬＯ光の間には、光位相雑音による雑音あるいは検出誤差がランダムに発生する。この位相雑音を除去するために、信号ビットレートよりもさらに高速なデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて信号成分の検出、雑音及び位相誤差の補正を行い、信号伝送を行っている。
【０００４】
デジタルコヒーレント光通信の信号品質の計測モニタリングのためには、測定器側にもデジタルコヒーレント受信機と同様な構成が必要となる。具体的には、５０ＧＳ／ｓ以上の超高速Ａ／Ｄコンバータ、超高速・超大容量ＤＳＰなど計測器に対する負荷は過大となり、現状では高額な測定器においても間欠的な計測しかできないのが実情である。
【０００５】
そこで、上記の間欠的方法に代えて、所要計算量の少ない光波形情報のリアルタイムな検出を実現する光計測技術の開発、およびリアルタイムに光伝送信号解析を行えるモニタリングシステムの開発が盛んに行われている。
【０００６】
そのためには低消費電力・小型高集積なデジタル光位相同期技術の開発および光伝送信号等のリアルタイムモニタリング機能の動作検証が必要である。
【０００７】
近年、非特許文献１に示すように、超高安定ＬＯ光源やデジタル光位相同期回路、およびこれらを用いたＬＯ光を長時間にわたって高安定に信号光に光同期させるモニタリングシステムが提案された。これによって超高速Ａ／Ｄコンバータ、超高速・超大容量ＤＳＰを用いずに光測定器として簡便にデジタルコヒーレント信号光の信号処理や簡易的な計測が実現されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】株式会社アルネアラボラトリ、学校法人東北大学、沖電気工業株式会社、「デジタル位相光制御による低消費電力高速コヒーレント伝送技術に関する研究開発（15401）：副題 デジタル光PLL を用いた省演算化を可能にする低消費電力コヒーレント復調技術の研究開発」、平成25年度  高度通信・放送研究開発委託研究 研究開発成果報告書、平成26年3月
【非特許文献２】Ricky W. Chuang, et al., “Integrated SiO2/SiON/SiO2 Thermo-Optical Switch Based on the Multimode Interference Effect”, Japanese Journal of Applied Physics, The Japan Society of Applied Physics, April 20, 2010, Vol. 49, No. 4S, 04DG21
【非特許文献３】Jie Teng, et al., “Athermal Silicon-on-insulator ring resonators by overlaying a polymer cladding on narrowed waveguides”, Optics Express, Optical Society of America, August 17, 2009, Vol. 17, No. 17, pp. 14627-14633
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１のシステムには下記のような課題があった。
【００１０】
すなわち、上記システムは市販の単体光学・電気部品を用いて構成されており、システム全体としてのサイズが大きい。これらの組み合わせ接続では、小型低消費電力なリアルタイム光伝送信号計測器として必要な可搬性を有し、かつ雑多な環境での常時観測性を満たすほどの長時間安定性を得ることができなかった。
【００１１】
光部品の集積度向上のために石英系光導波路や高速フォトディテクタ（ＰＤ）からなる集積モジュールを、他のモジュール化された電子回路部品と接続して位相同期回路を構築し、集積度の向上を図る試みが行われている。光と電気部品が別々のモジュールによって提供されるため、システムが依然大きく、デジタル光位相ロックループ長が１０ｃｍ以上と長く、位相雑音耐性が低かった。
【００１２】
さらなる光・電気部品からなるシステムの小型化のために、近年シリコンフォトニクス技術が注目されている。光位相情報を光強度情報に変換する光部品（光９０度ハイブリッド）と、光強度情報を電気信号に変換するフォトディテクタと、電気信号を増幅する電気部品（ＴＩＡ等）が集積された、光電子集積素子が実現されている。
【００１３】
シリコンフォトニクス光電子集積素子はシステム構成を小型化できる一方で、光部品がシリコン導波路によって構成されるため、温度依存性が大きく、安定なシステムを実現しにくいという課題があった。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、デジタルコヒーレント光通信での光信号のモニタリングに適用される小型で高安定動作する光電子集積素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る光電子集積素子は、光位相情報を光強度情報に変換する光回路と、前記光強度情報を電気信号に変換するフォトディテクタと、前記電気信号を増幅する電気回路と、を有し、前記光回路がシリコン酸窒化物導波路を用いて構成されることを特徴とする。
【００１６】
上記光電子集積素子において、前記シリコン酸窒化物導波路をシリコン導波路に接続するスポットサイズ変換器を有し、前記フォトディテクタは前記シリコン導波路に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、デジタルコヒーレント光通信での光信号のモニタリングに適用される小型で高安定動作する光電子集積素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の光集積素子の構成を示す概略図である。
【図２Ａ】図１の光集積素子のＡ−Ａの断面の構造を示す断面図である。
【図２Ｂ】図１の光集積素子のＢ−Ｂの断面の構造を示す断面図である。
【図２Ｃ】図１の光集積素子のＣ−Ｃの断面の構造を示す断面図である。
【図２Ｄ】図１の光集積素子のＤ−Ｄの断面の構造を示す断面図である。
【図３】９０度位相遅延線をＳｉＯＮ導波路及びＳｉ導波路で作製した際の位相進行の温度依存性の計算結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態の光集積素子の構成を示す概略図である。なお、図１では、基板や導波路コアの周囲のクラッドなどの構成要素を一部省略している。
【００２１】
本実施形態の光集積素子は、シリコン酸窒化物（ＳｉＯＮ）導波路を用いて構成された光位相情報を光強度情報に変換する光回路（光９０度ハイブリッド）１０と光強度情報を電気信号に変換するゲルマニウムフォトディテクタ（Ｇｅ  ＰＤ）１５を備え、これらがモノリシック集積されている。
【００２２】
ＳｉＯＮ導波路１１は、スポットサイズ変換器１２によりＳｉ導波路１３に接続する。Ｓｉ導波路１３にＳｉ台地が接続される。Ｓｉ台地上にゲルマニウムフォトディテクタ１５が形成されて導波路型光検出器を構成している。
【００２３】
ゲルマニウムフォトディテクタ１５には、電流出力を電圧信号に変換して増幅するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）２０が接続される。
【００２４】
光９０度ハイブリッド１０は様々な構成で実現できるが、４×４多モード干渉計（ＭＭＩ）型、４つの２×２素子（方向性結合器やＭＭＩ）の交差配置、及び９０度位相遅延線を組み合わせた組み込み型が一般的である。本実施形態では、この光９０度ハイブリッド１０をＳｉＯＮ導波路１１で構築する。なお、光９０度ハイブリッド１０には、ＴＩＡチャネル配置との整合性を満たすための交差導波路や多モード干渉計、およびフォトディテクタへの入射光位相を揃えるための遅延光導波路、といった光回路を含む。
【００２５】
光９０度ハイブリッド１０のＳｉＯＮ導波路１１のコアとなるＳｉＯＮ層は、重水素化シランと窒素を原料ガスとして用いてＥＣＲプラズマＣＶＤ法によって作製する。これにより、波長１．５μｍの通信波長帯で低損失かつ屈折率が制御された光学特性の良いコアが低温で作製できる。この作製方法を用いることで、ＳｉやＧｅを用いたシリコンフォトニクス素子とＳｉＯＮ導波路素子をモノリシックに集積できる。
【００２６】
信号増幅用電子回路や、抵抗・キャパシタ等の電子部品が、最近接配置となるように光集積デバイスチップ上に、フリップチップボンディングされていても良い。堅牢なＳｉ基板上に作製された光集積素子チップは、これらの電子部品の搭載にも耐え得るため、非常に小型で高集積度を有する素子を実現できる。これら光電子部品の高密度集積によって高周波信号の劣化を最小限に抑えることができ、高速な通信信号のモニタに対応可能となる。また、光位相同期ループ長を極めて短くすることができ、信号光・ＬＯ光の位相雑音に対する耐性が向上し、光位相同期の安定化が可能となる。
【００２７】
図２Ａ〜２Ｄのそれぞれは、図１のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−Ｄの断面の構造を示す断面図である。
【００２８】
図２Ａは、光９０度ハイブリッド１０の出力ポートの断面である。基板のＢＯＸ（ＳｉＯ2）層１０１上に、ＳｉＯＮ導波路１１のコアとなるＳｉＯＮ層１０２と、ＳｉＯＮ層１０２の周囲にクラッドとなるＳｉＯ2層１０３が形成されている。ＳｉＯＮ層１０２の断面は、縦横が３μｍ×３μｍの大きさである。
【００２９】
図２Ｂは、スポットサイズ変換部分の断面である。ＳｉＯＮ導波路はスポットサイズ変換器によってＳｉ導波路に接続される。ＳｉＯＮ層１０２の下部のＢＯＸ層１０１上にＳｉ導波路のコアとなるＳｉコア１１０が形成される。図２Ｂに示すＳｉコア１１０の幅は８０ｎｍで、高さは２００ｎｍである。
【００３０】
図２Ｃは、Ｓｉ導波路部分の断面である。図２Ｃに示すＳｉコア１１０の幅は、４００ｎｍで、高さは２００ｎｍである。
【００３１】
図２Ｄは、ゲルマニウムフォトディテクタ部分の断面である。Ｓｉ導波路と接続されるＳｉ台地のｐ型領域１２１の上にＧｅ１２０が形成される。Ｓｉ台地のＧｅ１２０が形成されていない領域の一部には、ｐ＋＋領域が形成され、Ａｌ  ｐａｄ電極１３０が接続される。Ｇｅ１２０の上側の領域にｎ型領域１２２が形成され、Ａｌ  ｐａｄ電極１３０が接続される。
【００３２】
これら全体の構造は、低温作製されるＳｉＯ2層１０３によって覆われている。
【００３３】
次に、ＳｉＯＮの温度変動に対する特性変動について説明する。
【００３４】
非特許文献２，３が示すように、ＳｉＯＮはＳｉと比べて約１０倍以上小さな熱光学係数（ｄｎ／ｄＴ）を有している。ＳｉＯＮ導波路を用いて光９０度ハイブリッドを構成することで、温度変動に対する特性変動を抑制できる。
【００３５】
図３は、９０度位相遅延線をＳｉＯＮ導波路及びＳｉ導波路で作製した際の位相進行の温度依存性の計算結果を示す図である。ここでＳｉＯＮ導波路はコアサイズ３μｍ×３μｍ、比屈折率差３％を有する導波路とし、Ｓｉ導波路はコアサイズ２００ｎｍ×４００ｎｍ、比屈折率差４０％を有する導波路とした。図３から、ＳｉＯＮ導波路を用いることで、温度変動に伴う位相進行の９０度からのずれを低減できることが分かる。
【００３６】
また、ＳｉＯＮ導波路は、コア寸法の変化に対する実効屈折率の変化がＳｉ導波路に比べて小さい。すなわち、光９０度ハイブリッドの特性において重要な影響を及ぼす位相誤差が、作製誤差の影響を受けにくいという優れた特徴を有する。
【００３７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、光位相情報を光強度情報に変換する光９０度ハイブリッド１０と光強度情報を電気信号に変換するゲルマニウムフォトディテクタ１５と電気信号を増幅するトランスインピーダンスアンプ２０を備え、光９０度ハイブリッド１０をＳｉＯＮ導波路を用いて構成することにより、温度変動に対する特性変動を抑制できるので、小型で高安定動作する光電子集積素子を提供可能となる。その結果、光ネットワークの安全運用において必要な、可搬性を有する小型デジタルコヒーレント光通信用光信号品質モニタにおいて主要部品となる、光集積デバイスの小型高集積・高安定動作化という、極めて優れた効果が得られる。
【００３８】
なお本実施例におけるＳｉＯＮは代表的な値として波長１．５５μｍにおいて屈折率１．５程度であることを想定している。しかし、ＳｉＯＮは材料中の主にＳｉ，Ｏ，Ｎ原子組成比率によって屈折率を任意に調整できるため、所望の光回路構成や温度依存性によって適宜原子組成比率を変化させた材料を用いる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…光９０度ハイブリッド
１１…ＳｉＯＮ導波路
１２…スポットサイズ変換器
１３…Ｓｉ導波路
１５…ゲルマニウムフォトディテクタ
２０…トランスインピーダンスアンプ
１０１…ＢＯＸ（ＳｉＯ2）層
１０２…ＳｉＯＮ層
１０３…ＳｉＯ2層
１１０…Ｓｉコア
１２０…Ｇｅ
１２１…ｐ型領域
１２２…ｎ型領域
１３０…Ａｌ  ｐａｄ電極
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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