(57)【要約】  たとえば光変調器といったシステムは、光導波路および複数の光共振器を含む。光導波路は、平面基板の面に沿って配置されている。面に沿って、複数の光共振器も配置され、光導波路に結合されている。前記光共振器のそれぞれが、別々の光周波数で光導波路に共振的に結合するように構成されている。
2015522180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面を有する基板と、
前記平面に沿って配置された第１の光導波路と、
前記平面に沿って配置され、前記光導波路に光学的に結合されている第１の複数の光共振器であって、それぞれが、前記光導波路に別々の光周波数で共振的に結合するように構成されている第１の複数の光共振器と、
第２の光導波路と、
前記第２の光導波路に光学的に結合されている第２の複数の光共振器であって、それぞれが、前記第１の複数の光共振器のうちの対応する光共振器とほぼ同一の光周波数で前記第２の光導波路に共振的に結合するように構成されている第２の複数の光共振器と、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のうちの対応する光導波路の終端に接続された第１および第２の入力を有する光結合器であって、前記第１の光導波路が、前記光パワー結合器の第１の入力に光パワー・スプリッタの第１の出力を端接続し、前記第２の光導波路が、前記光パワー結合器の第２の入力に前記光パワー・スプリッタの第２の出力を端接続する、光結合器とを備える光通信システム。
【請求項２】
前記第２の光導波路が前記平面に沿って配置されている請求項１に記載の光通信システム。
【請求項３】
前記光導波路および前記共振器の光コア領域が、誘電体層の上に配置されたシリコンに形成されている請求項１に記載の光通信システム。
【請求項４】
前記第１および第２の光導波路ならびに前記第１および第２の光共振器が、一連の波長において光搬送波をＱＰＳＫで光学的に変調するように構成されている請求項１に記載の光通信システム。
【請求項５】
平面を有する基板と、
前記平面に沿って配置された光導波路と、
前記平面に沿って配置され、前記光導波路に光学的に結合されている複数の光共振器であって、それぞれが、前記光導波路に別々の光周波数で共振的に結合するように構成されている複数の光共振器と
を備える光通信システムであって、各光共振器が、それに対する準静的光路調整を可能にするように構成された第１の光位相変調器と、少なくとも約１ＧＨｚの周波数における光路調整を可能にするように構成された第２の光位相変調器とを含む、光通信システム。
【請求項６】
前記基板に沿って配置された第２の光導波路と、
前記第２の光導波路に光学的に結合されている第２の複数の光共振器であって、それぞれが、前記第１の複数の光共振器のうちの対応する光共振器とほぼ同一の光周波数で前記第２の光導波路に共振的に結合するように構成されている第２の複数の光共振器とをさらに含む請求項５に記載の光通信システム。
【請求項７】
前記光導波路および前記第２の光導波路のうちの対応する光導波路の各終端に接続された第１および第２の入力を有する光結合器をさらに含む請求項６に記載の光通信システム。
【請求項８】
基板の面に沿って、光導波路および複数の光共振器を、前記光共振器のそれぞれが、前記光導波路のセグメントに隣接して、前記光導波路に光学的に結合されるように形成するステップであって、前記共振器のそれぞれが、別々の光周波数で共振するように構成されており、各共振器が、前記各共振器の準静的な光路調整を可能にするように構成された第１の光移相器と、約１ＧＨｚ以上の周波数において光路長を変化させることができる第２の光移相器とを含む、ステップを含む光通信方法。
【請求項９】
前記光導波路および前記第２の光導波路のうちの対応する光導波路の各終端に接続された第１および第２の入力を有する光結合器を製作するステップをさらに含む請求項８に記載の光通信方法。
【請求項１０】
基板の面に沿って、第１の光導波路および複数の光共振器を、前記共振器のそれぞれが、前記光導波路のセグメントに隣接して、前記光導波路に光学的に結合されるように形成するステップであって、前記共振器のそれぞれが、別々の光周波数で共振するように構成されている、ステップと、
前記面に沿って、第２の光導波路および第２の複数の光共振器を、前記第２の複数の光共振器が、前記第２の光導波路のセグメントに隣接して、前記第２の光導波路に光学的に結合されるように形成するステップであって、前記第２の複数の共振器のそれぞれが、前記第１の複数の共振器のうちの対応する光導波路の光共振周波数のあたりで共振するように構成されている、ステップと、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のうちの対応する光導波路の終端に接続された第１および第２の入力を有する光結合器を製作するステップと、
前記第１の光導波路および前記第２の光導波路のうちの対応する光導波路の終端に接続された第１および第２の出力を有する光パワー・スプリッタを製作するステップとを含む光通信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、一般に、光通信のシステムおよび方法を対象とするものである。
【背景技術】
【０００２】
この節は、本発明のよりよい理解を促すのに役立つ態様を紹介する。したがって、この節の記述は、この観点から読むべきであり、何が従来技術にあり、または何が従来技術にないかについて認めるものと理解すべきではない。
【０００３】
光変調器は、多くの場合、１つまたは複数のマッハツェンダー干渉計を使用する。これらのデバイスは、一般に電気光学変調器を含む。そのような変調器は、シリコン、化合物半導体、およびＬｉＮｂＯ３を含む様々な光媒体で実装されている。これらのデバイスは高速動作が可能であるが、たとえば導波路セグメントを加熱するかまたは電気的に分極して導波路セグメントの屈折率を変調するのに、かなりの電力を消費する可能性がある。光学システムに組み込まれたとき、システムの消費電力のかなりの部分が光変調器に由来する可能性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一態様は、たとえば光変調器といったシステムを提供するものである。このシステムは、光導波路および複数の光共振器を含む。光導波路は、平面基板の面に沿って配置されている。面に沿って複数の光共振器も配置され、光導波路に結合されている。光共振器のそれぞれが、光導波路に別々の光周波数で共振的に結合するように構成されている。
【０００５】
別の態様は、たとえば変調器といった光学システムを、たとえば製造するための方法を提供するものである。この方法は、基板の面に沿って光導波路および複数の光共振器を形成するステップを含む。形成するステップは、共振器のそれぞれが、光導波路のセグメントに隣接して、光導波路に光学的に結合されるように遂行される。共振器のそれぞれが、別々の光周波数で共振するように構成されている。
【０００６】
前述の実施形態のいくつかは、第２の光導波路と、第２の光導波路に光学的に結合された第２の複数の光共振器とを含む。第２の複数の光共振器のそれぞれが、第１の複数の光共振器のうちの対応する光共振器とほぼ同一の光周波数で第２の光導波路に共振的に結合するように構成されている。いくつかのそのような実施形態では、第１の光導波路は、光パワー・スプリッタの第１の出力を光パワー結合器の第１の入力に端接続してよく、第２の光導波路は、光パワー・スプリッタの第２の出力を光パワー結合器の第２の入力に端接続してよい。いくつかのそのような実施形態では、第１および第２の光学導波路および光共振器は、光搬送波を、一連の波長においてＱＰＳＫで光学的に変調するように構成されている。
【０００７】
前述の実施形態のうち任意のものにおいて、光共振器のうちのいくつかは、関連する光導波路に対して過結合されてよい。任意の実施形態において、光導波路および共振器の光コア領域は、誘電体層の上に配置されたシリコンに形成されてよい。任意の実施形態が、光共振器の共振周波数に対応する周波数成分を含むような光信号を出力するように構成された光源を含み得る。任意の実施形態において、各光共振器が、それに対する準静的光路調整を可能にするように構成された第１の光位相変調器と、少なくとも約１ＧＨｚの周波数における光路調整を可能にするように構成された第２の光位相変調器とを含み得る。
【０００８】
次に、添付図面とともに以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】スプリッタと、結合器と、スプリッタの出力を結合器の入力に結合する２つの光導波路の対と、たとえばリング共振器といった光マイクロキャビティ共振器の複数の対とを使用して、たとえば４値位相シフトキーイング（ＱＰＳＫ）変調器といった光学システムを実施する本発明の一実施形態を示す図である。
【図２】光学システムの一実施形態による図１の光路および近接したリング共振器を示す断面図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｄは、リング共振器に結合された導波路の例示の振幅特性および位相特性を示す図である。
【図４】準静的光路長調整器と、１ＧＨｚまたは数ＧＨｚと数１０ＧＨｚの間の割合で経路長を変調ように構成された高速光路長調整器とを有する、たとえば図１のリング共振器のうちの１つといった単一のリング共振器を示す図である。
【図５】図５Ａ〜図５Ｅは、電気光学変調器（図５Ａおよび図５Ｂ）および熱的移相器（図５Ｃ〜図５Ｅ）を含み、共振器の光路長を変化させるのに使用され得る特徴を示す、図４の共振器の様々な実施形態を示す断面図である。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、不足結合されたリング共振器を有する、たとえば図１の導波路のうちの１つの振幅特性および位相特性を示す図である。
【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、過結合されたリング共振器を有する、たとえば図１の導波路のうちの１つの振幅特性および位相特性を示す図である。
【図８】図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれがＷＤＭチャネル周波数の上と下の２つの所定の共振周波数のうちの１つを有するように制御され得る図１の４つのリング共振器に対して結合された導波路に関する４つの伝達特性の振幅応答を示す図である。
【図９Ａ】搬送波信号を変調するために図１のリング共振器の共振周波数を制御するように構成されたコントローラの実施形態を示す図である。
【図９Ｂ】搬送波信号を変調するために図１のリング共振器の共振周波数を制御するように構成されたコントローラの実施形態を示す図である。
【図１０】たとえば図１〜図９といった様々な実施形態によって本明細書で説明されたものなどの光学システムをたとえば製造するための方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明者は、複数の波長のそれぞれにおいて光搬送波信号の位相を変調するように導波路に光学的に結合された、たとえばリング共振器といった複数の制御可能な光マイクロキャビティ共振器を使用することにより、従来の変調器のいくつかの制約が克服され得ると判断した。そのような組立体は、ＷＤＭ（波長分割多重化）通信システムにおける複数のチャネルのＱＰＳＫ（４値位相シフトキーイング）変調をもたらすことができるコンパクトかつ低電力の光変調器のベースを形成し得る。いくつかの説明される実施形態は、製造ばらつきを補償するために各リング共振器の共振周波数の準静的調節を用意することにより、製造ばらつきに対して比較的頑健であると期待される。いくつかの説明される実施形態は、半導体処理において一般に用いられる処理ツールを用いて、一般的で廉価な半導体基板（たとえばシリコン・ウェーハ）上に形成され得る。したがって、いくつかの実施形態は、ＭＺＩ（マッハツェンダー干渉計）を使用するものなどの他のアーキテクチャを用いる類似のシステムよりも低コストで製造することができると期待される。
【００１１】
シリコンは、ＬｉＮｂＯ３およびＩＩＩ〜Ｖ族の半導体と比較して、比較的弱い電気光学的応答を有する。このように応答が弱いことは、低電圧のシリコンＭＺＩを採用するＳｉベースの変調器を使用することに対して深刻な問題となる。しかしながら、本発明者は、シリコンの電気光学的応答は、マイクロキャビティ共振器に基づく効果的で費用対効果が大きい光変調器を実現するのに十分であり得ることに気付いた。さらに、低電圧のシリコン変調器は、いくつかの集積された光素子の消費電力をかなり低減する能力を有する。
【００１２】
図１に移って、たとえばＷＤＭのＱＰＳＫ変調器といった一実施形態による装置１００が示されている。１×２の結合器１１０は、たとえば複数のＷＤＭチャネル波長λ１、λ２、λ３、．．．、λＭを有する、また同じ様に、複数のＷＤＭチャネル周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭを有する、非変調（ＣＷ）レーザ出力といった、変調すべき光搬送波信号１２０を受け取る。いくつかの実施形態では、搬送波信号１２０は、装置１００によって適用される付加的な変調と互換性があり得るやり方で既に変調されていてもよい。たとえば、搬送波信号１２０は、組｛ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭ｝の要素ではない、データを送信するために以前に変調されている周波数も含み得る。
【００１３】
光源１２５は搬送波信号１２０を生成してよい。光源１２５は、搬送波信号１２０を生成するために、たとえばレーザおよび結合器などの１つまたは複数の光学部品を含んでよい。いくつかの実施形態では、光源１２５は、チャネル周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭにおける信号成分を有するコム１２７によって例示されるものなどの周波数コムを生成する。これらの周波数は、いかなる特定の値にも限定されず、たとえばＳ帯域（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ）、Ｃ帯域（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）またはＬ帯域（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）における光通信に用いられる任意の波長帯域にあってよい。さらに、コム１２７の周波数成分は、たとえば規則的な、たとえば約１００ＧＨｚといったほぼ同一の周波数差による周波数成分の間隔のＷＤＭ格子間隔Δｆで配置されてよい。
【００１４】
結合器１１０は、たとえば搬送波信号１２０をパワーにおいてほぼ均等に分割してよく、搬送波の第１の部分１２０ａを、たとえば平面導波路またはリッジ導波路といった第１の光導波路１３０に導く。結合器１１０は、搬送波の第２の部分１２０ｂを、たとえば平面導波路またはリッジ導波路といった第２の光導波路１４０に導く。光導波路１３０および１４０のコア領域は、たとえば下にある誘電材料および／または上にある誘電材料および／または空気を含み得るクラッド１４５によって囲まれる。いくつかの実施形態では、移相器１８０は、光導波路１４０の光路に配置された部分を有する。図示の実施形態では、移相器１８０は、搬送波の一部分１２０ｂに対して、たとえばπ／２±２０％、より一般的には（π／２±１０％）＋ｎπただしｎ＝０、１、２、．．．といった約π／２の正味の位相シフトを与えるように構成されている。光結合器１７０は、光導波路１３０および１４０から第１および第２の信号部分を受け取って、これらの信号部分を出力信号１９９へと組み合わせる。
【００１５】
装置１００は、たとえばリング共振器といったマイクロキャビティ共振器の第１の組１５０および第２の組１６０を含む。便宜上、第１の組１５０および第２の組１６０は、それぞれリング共振器１５０およびリング共振器１６０と称されてよく、また、さらに区別する必要がないときには、単一のリング共振器はリング共振器１５０または１６０と称され得る。リング共振器１５０および１６０は、それぞれ、そのリング共振器の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ）によって分離された一連の共振周波数のうちの１つで共振する。特定のリング共振器の共振周波数は、リング・コアおよびクラッド材の光学的性質と、特定のリングの寸法形状とから決定され得る。様々な実施形態において、搬送波信号１２０の光の周波数範囲は、一般的には、最小のＦＳＲを有するリング共振器の１つのＦＳＲの周期内にあるように制限される。ＦＳＲは、一般的にはリング共振器の光路長に反比例し、このため、リング径がより小さければリング共振器１５０および１６０のＦＳＲがより大きくなり、搬送波信号１２０の周波数範囲に対する制約が緩和される。したがって、搬送波信号１２０の周波数範囲は、一般に、リング共振器１５０および１６０のそれぞれの単一の共振周波数のみを含み得る。この単一の共振周波数は、本明細書では、一般にｆｒと称され得る。第１の組１５０は、ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭの近くの対応する共振周波数を有するリング共振器１５０−１、１５０−２、１５０−３、．．．、１５０−Ｍを含む。第２の組１６０は、ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭの近くの対応する共振周波数をやはり有するリング共振器１６０−１、１６０−２、１６０−３、．．．、１６０−Ｍを含んでいる、。「近くの」という用語は、リング共振器１５０および１６０のそれぞれのｆｒが、以下で説明されるように、たとえばｆ１、ｆ２、．．．、ｆＭのうちの１つといった対応するＷＤＭチャネル周波数を含んでいる狭い範囲内に制御され得ることを意味する。この範囲は、たとえばおよそ格子間隔Δｆよりも小さくてよい。いくつかの実施形態では、範囲はΔｆのせいぜい約１０％でよい。
【００１６】
いくつかの実施形態では、リング共振器１５０および１６０は、示されるように、ほぼ同一の共振波長を有しており導波路１３０および１４０に対して垂直な軸にほぼ整列している、組１５０および１６０のそれぞれからのリング共振器を対が含むように、リング共振器の対として構成されている、しかしながら、各実施形態は、そのような対に限定されない。図示の実施形態では、第１の対は、ｆ１の近くの共振周波数を有するリング共振器１５０−１およびリング共振器１６０−１を含む。第２の対は、ｆ２の近くの共振周波数を有するリング共振器１５０−２およびリング共振器１６０−２を含む。第３の対は、ｆ３の近くの共振周波数を有するリング共振器１５０−３およびリング共振器１６０−３を含む。第Ｍの対は、ｆＭの近くの共振周波数を有するリング共振器１５０−Ｍおよびリング共振器１６０−Ｍを含む。各実施形態は、第１のリング共振器の組１５０および第２のリング共振器の組１６０における、リング共振器のいかなる特定の数にも限定されない。さらに、組１５０および１６０の一方または両方が、組１５０、１６０の他方の同一の共振周波数を有するリング共振器によってマッチングされない１つまたは複数のリング共振器を含み得る。
【００１７】
図２は、導波路１３０のコアおよび代表的なリング共振器１５０の断面図を概略的に示す。後の参照のために、導波路１３０のコアおよびリング共振器１５０の光コアのセグメントは、横方向距離Ｄだけ分離して示されている。導波路１３０およびリング共振器１５０は、それぞれ幅Ｗおよび高さＨを有する。導波路１３０のコアおよびリング共振器１５０の光コアのセグメントは、それぞれ同一の幅を有して示されているが、各実施形態は、そのような場合に限定されない。導波路１３０のコアおよびリング共振器１５０のコアは、たとえばシリコン・ウェーハといった基板２１０の上の、たとえばシリコンといった半導体から形成されてよい。クラッド１４５は、基板２１０と導波路１３０の間、および基板２１０と導波路リング共振器１５０の間に配置された誘電体層２２０を含み得る。クラッド１４５は、誘電体層２２０の上にある誘電体２３０も含み得る。誘電体層２２０および誘電体２３０は、導波路１３０およびリング共振器１５０−１のためのクラッドとして働き、したがって、光信号は、これらの構造内に実質的に制限され、それによって導かれる。
【００１８】
シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）のウェーハのプラットフォームの上に装置１００を形成するのが便利であるが、本発明の実施形態はそれに限定されない。たとえば、プラズマ酸化物などといったＣＶＤ誘電体層を任意の適切な基板上に形成することもでき、任意の適切な方法によって、その上にシリコン層を形成することもできる。他の実施形態は、たとえばガラス、サファイアまたは化合物半導体から形成された基板を使用することもある。誘電体２３０は、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、または空気といった、適切な誘電材料でよい。本開示の目的のために、「空気」は真空を含む。
【００１９】
導波路１３０およびリング共振器１５０は、たとえばシリコン、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＡｓもしくはＩｎＰなどの化合物半導体、または電気光学ポリマーといった、任意の従来型または非従来型の光学材料システムから形成されてよい。本明細書で説明された、いくつかの実施形態は、限定的でない例としてＳｉで実施される。本発明の範囲内の実施形態はＳｉに限定されるわけではないが、この材料は、他の材料のシステムと比較して、たとえば比較的低コストで十分に練られた製造インフラストラクチャといった、いくつかの利点をもたらす。
【００２０】
再度図１を参照して、組１５０のリング共振器のそれぞれが、導波路１３０に対して光学的に結合されている。組１６０のリング共振器のそれぞれが、導波路１４０に対して光学的に結合されている。本明細書および特許請求の範囲では、以下でさらに説明されるように、リング共振器は、導波路に対して過結合されているかまたは不足結合されているとき、導波路に対して光学的に結合されていると定義される。
【００２１】
光学部品技術の当業者には理解されるように、導波路１３０内を伝搬する光は、たとえばエバネセント結合によって組１５０のリング共振器に結合し得、導波路１４０内を伝搬する光は、たとえばエバネセント光の結合によって、組１６０のリング共振器に結合し得る。そのような結合によって、導波路１３０、１４０内を伝搬する光エネルギーの一部分が、リング共振器１５０、１６０に結合する。結合度は、とりわけ、伝搬する光の波長に左右される。マイクロキャビティ共振器の光路長が、結合された光の波長の整数倍であるとき、相対的に最大の結合が生じ、導波路の通過帯域にノッチが生じる。以下でさらに論じられるように、このノッチの応答は、低電力光変調器で用いるのに利用され得る。
【００２２】
本明細書では、たとえばリング共振器１５０と導波路１３０の隣接セグメントといった、リング共振器と導波路の近接したセグメントは、それらの間の結合が、リング共振器の往復損失にほぼ等しいとき、臨界結合されていると定義される。この場合、Ｄ＝ＤＣ（図２）である。たとえば、往復損失が約１ｄＢであれば、リング共振器１５０と導波路１３０は、その間の結合も約１ｄＢであるとき臨界結合されている。言い換えれば、リング共振器に近接した導波路の中を伝搬する光信号の約１ｄＢの部分が、たとえばエバネセント結合によってリング共振器に伝達される。Ｄ＜ＤＣのとき、リング共振器と導波路が過結合されており、たとえば、導波路からリング共振器に結合される信号の部分は、結合された信号のリング共振器における一往復の損失よりも大きい。反対にＤ＞ＤＣのとき、リング共振器と導波路は不足結合されており、たとえば、結合はリング共振器における往復損失よりも小さい。以下でさらに与えられるように、Ｄが最大の結合距離Ｄｍａｘよりも大きいとき、リング共振器と導波路は結合されていないと見なされてよい。
【００２３】
これらの態様は図３Ａ〜図３Ｄによってさらに説明され、これらの図では、任意のリング共振器の共振周波数は約ｆ’である。図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、導波路とリング共振器が不足結合されているという事例について、たとえばリング共振器１５０−１といったリング共振器の隣接したセグメントに結合されているたとえば導波路１３０といった導波路の伝達関数Ｇｕｃ（ｆ）の簡素化された限定的でない振幅特性および位相特性を示す。図３Ｃおよび図３Ｄは、それぞれ、導波路とリング共振器が過結合されているという事例について、たとえばリング共振器１５０−１といったリング共振器に結合されているたとえば導波路１３０といった導波路の伝達関数Ｇｏｃ（ｆ）の簡素化された限定的でない振幅特性および位相特性を示す。
【００２４】
伝達関数Ｇｕｃ（ｆ）およびＧｏｃ（ｆ）の振幅特性は、質的に類似であり、それぞれが、不足結合された場合（図３Ａ）と過結合された場合（図３Ｃ）の両方に関してｆ’における極小を有する。不足結合された場合については、伝達関数Ｇｕｃ（ｆ）（図３Ｂ）の位相は、ｆ＜＜ｆ’におけるφｏからｆ’−δにおける極大φｍａｘへと増加し（δは、たとえばΔｆのせいぜい約５％といった小さい値である）、また、ｆ’＋δにおける極小φｍｉｎからｆ＞＞ｆ’におけるφｏへと増加する。位相は、約ｆ’において不定値を有し得る。過結合された場合については、伝達関数Ｇｏｃ（ｆ）（図３Ｄ）の位相は、ｆ＜＜ｆ’における初期値φｍｉｎ＝φｏからｆ＞＞ｆｒにおけるφｍａｘ＝φｏ＋２πの最終値へと滑らかに増加する。図３Ｂと図３Ｄの両方で、φｏは任意であり、２つの図でφｏは異なり得る。
【００２５】
以下でさらに論じられるように、φｍａｘ−φｍｉｎが約πラジアンあるとき、導波路１３０内を伝搬する信号に対してＢＰＳＫ（２値位相シフトキーイング）変調をもたらすために、リング共振器１５０と導波路１３０の間の結合が利用され得る。過結合されている場合には、φｍａｘ−φｍｉｎがこの条件を常に満たすと予期される。不足結合されている場合には、リング共振器と導波路の間の結合が、たとえばＤ≦Ｄｍａｘと十分に強固なとき、φｍａｘ−φｍｉｎは少なくとも約πであり得る。
【００２６】
したがって、本明細書および特許請求の範囲では、光導波路とマイクロキャビティ共振器の間が過結合、臨界結合、または不足結合であるとき、これらは「光学的に結合されている」。リング共振器および近接した導波路に関して、「不足結合された」という用語は、リング共振器と導波路が過結合されているわけではないが、導波路の伝達関数において少なくとも約πラジアンの位相変化をもたらすように十分に結合されることを意味するものと定義される。リング共振器によってもたらされる伝達関数のどんな位相変化もが約πラジアン未満となるように、コア・セグメントが、たとえばＤ＞Ｄｍａｘと導波路から十分遠く離れているリング共振器は、「結合されていない」と見なされる。
【００２７】
戻って図１を参照して、組１５０のリング共振器のそれぞれが別々の物理的経路長を有し得る。リング共振器は、いかなる特定の経路形状にも限定されない。たとえば、リング共振器の光路は、円、楕円、または「レーストラック型」の形状を有してよいが、リング共振器の損失を低減するために円形の経路形状が好ましいものであり得る。円形経路の事例では、リング共振器１５０−１は半径ｒ１を有してよく、リング共振器１５０−２は半径ｒ２＞ｒ１を有してよく、リング共振器１５０−３は半径ｒ３＞ｒ２を有してよく、以下同様である。半径ｒ１は、リング共振器１５０−１と導波路１３０の間の光結合を約ｆ１で共振させる物理的経路長をリング共振器１５０−１が有するように選択されてよい。半径ｒ２は、リング共振器１５０−２と導波路１３０の間の光結合を約ｆ２で共振させる物理的経路長をリング共振器１５０−２が有するように選択されてよい。半径ｒ３は、リング共振器１５０−３と導波路１３０の間の光結合を約ｆ３で共振させる物理的経路長をリング共振器１５０−２が有するように選択されてよく、図示のように以下同様である。
【００２８】
図４は、リング共振器１５０、１６０のうち任意のものを表し得る、共振周波数ｆ’を有する単一のリング共振器４１０の限定的でない実施形態を示す。リング共振器４１０は、光路長ｌを有し、たとえば移相器４２０および４３０といった、電気的制御または熱的制御が可能な２つの光路長調整器を含む。コントローラ４４０は、電気的制御または熱的制御が可能な移相器４２０を制御するように適切に構成された信号を供給する。コントローラ４５０は、電気的制御または熱的制御が可能な移相器４３０を制御ライン４６０を介して制御するように適切に構成された信号を供給する。
【００２９】
制御可能な移相器４２０は、光路長ｌを、準静的に、たとえば比較的ゆっくりと調節するように構成されてよく、一方、調整器４３０は、同じ光路長ｌを、比較的高速で調節するように構成されてよい。たとえば、制御可能な移相器４２０は、約１秒の応答時間を有する熱的移相器でよい。そのようなゆっくりした移相器は、たとえば光路長ｌの製造温度または動作温度のばらつきに対処する（ａｃｃｏｕｎｔ  ｆｏｒ）ために、光路長ｌを微調整する目的で使用可能であり得る。各共振器のｆｒは、たとえば、そのようなゆっくりした移相器を適切に設定することにより、ＷＤＭチャネル周波数ｆ１、．．．、ｆＭのうちの１つとほぼ等しくなるように調整され得る。制御可能な移相器４３０は、光路長を２つの所定の値の間で迅速に変調する目的に使用可能な電気光学の移相器でよい。たとえば、コントローラ４５０は、１ＧＨｚまたは数ＧＨｚと数１０ＧＨｚとの間の割合で光搬送波のデータ変調をもたらすように光路長ｌを変調し得る。以下でさらに説明されるように、この変調によって、リング共振器４１０が、共振周波数ｆｎ−δとｆｎ＋δ（ｎ＝１、２、３、．．．、ｍ）の間で迅速に切り換わることにより、チャネル周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭのうちの１つを有する光搬送波信号に対してデータを与えてよく、ここで、搬送波信号は、隣接した、光学的に結合されている、または結合することができる導波路内を伝搬しているものである。
【００３０】
戻って図１を参照して、リング共振器１５０−１、１５０−２、１５０−３、．．．、１５０−Ｍのそれぞれが、対応する制御ライン１５５−１、１５５−２、１５５−３、．．．、１５５−Ｍを含む。同様に、リング共振器１６０−１、１６０−２、１６０−３、．．．、１６０−Ｍのそれぞれが、対応する制御ライン１６５−１、１６５−２、１６５−３、．．．、１６５−Ｍを含む。図４の制御ライン４６０に関して説明されたように、制御ライン１５５および１６５のそれぞれが、対応するリング共振器に変調信号を供給するように構成されてよい。
【００３１】
図５Ａ〜図５Ｅは、たとえばシリコンといった半導体から形成されて調整可能な共振周波数を有するように構成されたリング共振器のいくつかの例示の断面を限定することなく示すものである。図５Ａ〜図５Ｅの実施形態は、リング共振器１５０および１６０の共振周波数の可変制御を可能にするための適切な構造の例として示されているが、本発明の実施形態は、いかなる特定のタイプの共振周波数制御にも限定されるものではなく、従来の方法または将来発見される方法の任意のものによって実施されてよい。
【００３２】
図５Ａおよび図５Ｂに示されるリング共振器の共振周波数は、電気光学的な変調によって制御可能である。これらの構造は、高周波スイッチングをもたらし得、したがって、制御可能な位相変調器４３０向けに適したものであり得る。図５Ａのリング共振器は、たとえばｐｎダイオードといったｐｎ接合を形成する、ｎ型にドープされた部分およびｐ型にドープされた部分を有する光コア領域を含む。重度にドープされたｎ＋領域とｐ＋領域が、コア領域に電気接触をもたらす。コア領域は、半導体コアの屈折率が電子濃度に依拠するように構築されている。電子濃度は、ｐｎ接合に対して可変バックバイアスを印加することによって変調され得る。屈折率を変化させることにより、リング共振器の光路長、リング共振器の共振周波数が変化する。図５Ｂのリング共振器は、真性半導体から形成された光コア領域を含む。ドープされたｎ＋領域とｐ＋領域が、真性領域に電気接触をもたらしてｐｉｎダイオードを形成する。図５Ａに関して説明されたように、図５Ｂのリング共振器の共振周波数も、ｐｉｎダイオードの両端のバックバイアスを変調することにより、真性領域の電子密度を変化させることによって変調され得る。
【００３３】
図５Ｃ〜図５Ｅの断面図が示すリング共振器の実施形態では、その中のリング状の導波路コアを加熱することにより、共振周波数が変化され得る。これらの構造は、光路長を比較的ゆっくりと調節し、したがって、制御可能な移相器４２０向けに適したものであり得る。図５Ｃにおいて、リング共振器の導波路のコア領域はｐ型半導体から形成されており、重度にドープされたｐ＋領域がコア領域に電気接触をもたらす。図５Ｄが示す類似の実施形態では、コア領域がｎ型半導体から形成されており、重度にドープされたｎ＋領域がコアに電気接触をもたらす。リング共振器の導波路またはそのセグメントのこれらの実施形態のそれぞれでは、重度にドープされた領域を介してコア領域に電流を通すことによって加熱されてよい。これを受けて、リング共振器が抵抗加熱によって暖められて、その屈折率が熱光学効果によって変化することになり、それによって共振周波数が変化する。図５Ｅには、加熱に依存する別の実施形態が示されているが、この実施形態に関しては、クラッド層５２０の上に形成された抵抗ヒータ要素５１０によって加熱される。当業者なら、抵抗ヒータ要素を形成することに精通している。
【００３４】
次に図６Ａおよび図６Ｂを検討すると、たとえば導波路１３０といった導波路の伝達関数の振幅特性および位相特性が示されており、導波路１３０は、たとえばリング共振器１５０−１といったリング共振器に不足結合されている。以下の説明は、リング共振器１５０−１を参照しながら提示される。この説明に基づいて、当業者には、説明された原理が他のリング共振器にも適用され得ることが直ちに明らかになるであろう。リング共振器１５０−１は、与えられた制御信号に応答して、ｆ１−δとｆ１＋δの共振周波数の間で切り換わるように構成されている。リング共振器１５０−１に関して、振幅特性６１０および位相特性６２０は、ｆ１−δにおける低い方の共振周波数（すなわちｆ−と示される）に関連したものであり、別の振幅特性６３０および別の位相特性６４０は、ｆ１＋δにおける高い方の共振周波数（すなわちｆ＋と示される）に関連したものである。
【００３５】
最初に、リング共振器の共振周波数がｆ１−δである場合を検討すると、周波数ｆ１を有する光信号の部分１２０ａが導波路１３０内を伝搬するとき、信号は、振幅特性６１０によって値６５０まで減衰する。光信号の周波数は、振幅特性６１０と６３０が交差する、たとえばｆ１といった周波数にほぼ等しいことにより、リング共振器の共振周波数に一致すると考えられる。信号の位相は、位相特性６２０によって、φ−と示された値６６０へとシフトされる。次に、リング共振器の共振周波数がｆ１＋δであるとき、信号は、振幅特性６３０によって、ほぼ同一の値６５０まで、やはり減衰する。しかしながら、信号の位相は、位相特性６４０によって、φ＋と示された値６７０へとシフトされる。δの大きさは、相対的位相シフトφ−−φ＋が約πラジアンになるように設定され得る。したがって、伝搬する信号は、リング共振器の共振周波数をｆ１−δとｆ１＋δの間で制御可能に切り換えることによってＢＰＳＫ変調され得る。
【００３６】
図７Ａおよび図７Ｂは、たとえば導波路１３０といった導波路が、たとえばリング共振器１５０−１といった制御可能なリング共振器に対して、その２つの別々の変調状態中に過結合された事例に関する振幅特性および位相特性を示す。振幅特性７１０および位相特性７２０は、それぞれ、リング共振器１５０−１の共振周波数ｆｒがｆ１−δ（すなわちｆ−と示される）であるとき、リング共振器と導波路の間の結合によってもたらされる振幅減少および位相シフトを表している。振幅特性７３０および位相特性７４０は、それぞれ、ｆｒ＝ｆ１＋δ（すなわちｆ＋と示される）であるとき、リング共振器と導波路の間の結合によってもたらされる振幅減少および位相シフトを表している。振幅特性７１０と７３０の両方に関して、伝搬する信号振幅は、搬送波周波数ｆ１で値７５０に減少する。ｆｒ＝ｆ１−δの場合、周波数ｆ１における光搬送波の位相シフトは、位相特性７２０によって参照７６０におけるφ−として示されている。ｆｒ＝ｆ１＋δの場合、周波数ｆ１における光搬送波の位相シフトは、位相特性７４０によって参照７７０におけるφ＋として示されている。以前に説明されたように、δの値は、２つの別々の変調状態に関する相対的位相シフトφ−−φ＋が約πラジアンになるように選択されてよい。したがって、搬送波周波数ｆ１で導波路１３０内を伝搬する光搬送波信号は、過結合されたリング共振器に対するそのような操作によってＢＰＳＫ変調されてよい。
【００３７】
図８Ａおよび図８Ｂは、それぞれ、たとえば導波路１３０といった導波路が、たとえばリング共振器１５０−１、１５０−２、１５０−３、．．．、１５０−Ｍといった複数のリング共振器に過結合されたときの減衰特性および位相特性を概略的に示すものである。導波路は、たとえばＷＤＭの多重チャネル光源または波長調整可能な光源といった光源１２５によって生成されるような、たとえばｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭといった複数の周波数で伝搬する光搬送波を伝送し得る。リング共振器１５０の変調状態を適切に切り換えることによって、ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭにおける光搬送波の部分１２０ａの任意の信号成分が、一連のリング共振器を用いて独立してＢＰＳＫ変調されてよく、一連のリング共振器の導波路１３０に対する結合特性は、図８Ａ〜図８Ｂに示される通りである。同様に、一連のリング共振器１６０の状態を適切に変調することによって、ｆ１、ｆ２、ｆ３、．．．、ｆＭにおける搬送波の部分１２０ｂの任意の信号成分がＢＰＳＫ変調されてよい。
【００３８】
図１を思い出して、導波路１４０（図１）と連動する、または導波路１４０に結合された移相器１８０が、搬送波の部分１２０ｂに対して約π／２の相対的位相シフトを与えてよい。次いで、結合器１７０が搬送波の部分１２０ａと１２０ｂを再結合するとき、導波路１３０および導波路１４０が、ＱＰＳＫ変調された出力信号１９９のそれぞれの同相成分および直交成分をもたらすように、ＱＰＳＫ変調された出力信号１９９が生じることになる。リング共振器１５０および１６０が、搬送波信号１２０の複数の波長成分を独立して変調し得るので、装置１００は、ＷＤＭのＱＰＳＫを遂行する能力をもたらす。装置１００の実施態様は、たとえば集積された光学デバイスで、非常にコンパクトであり得、それによって、いくつかの実施形態では、小型で低コストのＷＤＭのＱＰＳＫ光変調器を提供する。
【００３９】
図９Ａおよび図９Ｂは、図１に示されるように、入力データを制御ライン１５５−１、１５５−２、１５５−３、．．．、１５５−Ｍおよび１６５−１、１６５−２、１６５−３、．．．、１６５−Ｍにマッピングするための電気的モジュールの２つの限定的でない代表的実施形態を示す。図９Ａは電気的スイッチング・モジュール９１０を示す。スイッチング・モジュール９１０は、入力９２０−１、９２０−２、９２０−３、．．．、９２０−Ｍにおいて、制御ライン１５５−１、１５５−２、１５５−３、．．．、１５５−Ｍの対応するもの向けのデータストリームを受け取るように構成されている。スイッチング・モジュール９１０は、入力９３０−１、９３０−２、９３０−３．．．、９３０−Ｍにおいて、制御ライン１６５−１、１６５−２、１６５−３、．．．、１６５−Ｍの対応するもの向けのデータを受け取るように、さらに構成されている。電気的スイッチング・モジュール９１０は、入力９２０−１〜９２０−Ｍおよび９３０−１〜９３０−Ｍにおけるマッピング・データストリームを、制御ライン１５５−１〜１５５−Ｍおよび１６５−１〜１６５−Ｍの組へと並べ換えるように制御可能である。したがって、スイッチング・モジュール９１０は、受け取ったＷＤＭデータストリームの、図１の装置１００によって変調されるチャネルへの異なるマッピングを可能にする。図９Ｂが示す電気的パワー・スプリッタ・モジュール９４０は、入力９５０において単一の電気的変調信号を受け取り、この信号をパワー分割して、そこから、制御ライン１５５−１、１５５−２、１５５−３、．．．、１５５−Ｍのそれぞれおよび制御ライン１６５−１、１６５−２、１６５−３、．．．、１６５−Ｍのそれぞれ向けに、個々の電気的制御信号を生成するように構成されている。
【００４０】
リング共振器１５０および１６０のそれぞれが、スイッチング・モジュール９１０とともに、ＷＤＭの光搬送波の他の周波数チャネルと無関係に変調され得る単一の周波数チャネルのための変調器として扱われてよい。モジュール９１０は、光変調チャネルの組にわたる個別のデータストリームの再配置を可能にする。受け取ったデータストリームを伝送するために、リング共振器１５０と１６０を協調的なやり方で変調するように、入力９５０を介して受け取ったデータストリームを、モジュール９４０を用いて、制御ライン１５５と１６５にパワー分配してよい。当業者なら、データを伝送するために、独立した協調的な変調の様々な組合せをもたらすように、リング共振器１５０および１６０が、モジュール９１０、９４０およびそれらの変形形態などのモジュールによって操作され得ることを理解するであろう。モジュール９１０および９４０のそれぞれが、受け取ったデータの制御出力への所望のマッピングを実施するのに必要な電子部品の任意の組合せを含み得る。電気的出力のタイプは、たとえば図４に示されたようなリング共振器１５０、１６０の変調構造に対して適切な制御信号のタイプに対応してよい。
【００４１】
次に図１０に移って、たとえば様々な実施形態によって光学デバイスを形成するための方法１０００が説明される。方法１０００のステップは、本明細書においてたとえば図１〜図９で以前に説明された要素を参照することにより、限定することなく説明される。方法１０００の各ステップは、示された順番とは別の順番で遂行されてよく、いくつかの実施形態では、すべて省略されてもよく、かつ／または、同時に、もしくは並列のグループで遂行されてもよい。方法１０００は、限定することなく図示されており、そのステップは、共通基板上の並行処理などによって、並行したやり方で遂行される。たとえば複数の基板を利用するものなどの他の実施形態は、各ステップを、任意の順番で、部分的に、または完全に連続して遂行してよい。
【００４２】
方法１０００はエントリ１００１から始まる。ステップ１０１０で、たとえば導波路１３０といった光導波路と、たとえば共振器１５０といった複数の光共振器が、基板の面に沿って形成される。形成ステップは、共振器のそれぞれが、光導波路のセグメントに隣接して、光導波路に光学的に結合されるように遂行される。共振器のそれぞれが、別々の光周波数で共振するように構成されている。
【００４３】
方法１０００のいくつかの実施形態に含まれるステップ１０２０では、たとえば導波路１４０といった第２の光導波路と、たとえば共振器１６０といった第２の複数の光共振器とが、上記の面に沿って形成される。第２の複数の共振器は、第２の光導波路のセグメントに隣接して、第２の光導波路に光学的に結合される。第２の複数の共振器のそれぞれが、第１の複数の共振器のうちの対応する共振器の光共振周波数のあたりで共振するように構成されている。
【００４４】
方法１０００のいくつかの実施形態に含まれるステップ１０３０では、たとえばコントローラ４４０および４５０といったコントローラが形成される。これらのコントローラは、共振器の共振周波数を変化させることができる。方法１０００のいくつかの実施形態に含まれるステップ１０４０では、たとえば光源１２５といった光源が、光導波路に対して端結合される。光源は、複数の共振器の別々の共振周波数に対応する周波数成分を含む光信号を出力するように構成されている。
【００４５】
方法１０００の任意の実施形態において、上記の形成するステップには、たとえばスプリッタ１１０といった光パワー・スプリッタを製作するステップが含まれ得る。スプリッタが有する第１および第２の出力は、光導波路のうちの対応する光導波路の終端に接続されている。そのような実施形態の任意のものにおいて、第１および第２の複数の光共振器は、光パワー・スプリッタが受け取った光搬送波をＷＤＭでＱＰＳＫ変調するように動作可能であり得る。
【００４６】
方法１０００の任意の実施形態において、上記の形成するステップには、たとえば結合器１７０といった光結合器を製作するステップが含まれ得る。結合器は、対応する光導波路の終端に接続された第１および第２の入力を有する。任意の実施形態において、共振器のうちのいくつかが、光導波路に過結合されてよい。任意の実施形態において、光導波路および共振器の光コア領域は、誘電体層の上に配置されたシリコン領域に形成されてよい。任意の実施形態において、各共振器は、各共振器の準静的な光路調整を可能にするように構成された第１の光移相器と、１ＧＨｚ以上の周波数において光路長を変化させることができる第２の光移相器とを含み得る。
【００４７】
本出願の関連技術の当業者なら、説明された実施形態に対して、その他の、ならびにさらなる追加、削除、置換および変更がなされ得ることを理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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