(57)【要約】【課題】Ｓｉ光導波路を用いた能動光回路を構成することができ、大規模光集積回路として集積可能な光機能素子を提供する。【解決手段】シリコン（Ｓｉ）光導波路層が形成された基板と、前記Ｓｉ光導波路層に形成され光路変換部と、前記Ｓｉ光導波路層上に設置された反射型の液晶空間光変調器であって、前記光路変換部から入射した波面を制御して、前記光路変換部に出射する液晶空間光変調器とを備えた。【選択図】図１
2017090640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（Ｓｉ）光導波路層が形成された基板と、
前記Ｓｉ光導波路層に形成され光路変換部と、
前記Ｓｉ光導波路層上に設置された反射型の液晶空間光変調器であって、前記光路変換部から入射した波面を制御して、前記光路変換部に出射する液晶空間光変調器と
を備えたことを特徴とする光機能素子。
【請求項２】
前記光路変換部は、前記Ｓｉ光導波路層に形成されと回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の光機能素子。
【請求項３】
前記光路変換部は、前記Ｓｉ光導波路層の入力導波路に結合された入力側光路変換部と、出力導波路に結合された出力側光路変換部とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光機能素子。
【請求項４】
前記Ｓｉ光導波路層と前記液晶空間光変調器との間に挿入されたスペーサをさらに備え、
前記スペーサは、前記Ｓｉ光導波路層上において前記光路変換部を囲うように設けられた光吸収層を含むことを特徴とする請求項１、２または３に記載の光機能素子。
【請求項５】
入力導波路に接続された入力側スラブ導波路と、出力導波路に接続された出力側スラブ導波路と、入力側スラブ導波路と出力側スラブ導波路とを接続する導波路アレイとからなるアレイ導波路回折格子型の波長合分波回路であって、
前記導波路アレイの各々の光導波路に、請求項１または２に記載の光機能素子が挿入されていることを特徴とする波長合分波回路。
【請求項６】
入力側方向性結合器と出力側方向性結合器とを接続する２本のアーム導波路とからなるマッハツェンダ干渉型の光スイッチであって、
前記アーム導波路の各々に、請求項３に記載の光機能素子が挿入されていることを特徴とする光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光機能素子に関し、より詳細には、Ｓｉ光導波路を用いた能動光回路を構成することができ、大規模光集積回路として集積可能な光機能素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）光導波路は、コアとクラッドの大きな比屈折率差により、０．５μｍ角以下の微小なコア断面と、半径数μｍの曲げとにおいても十分な低損失が得られることから、小型、高密度の光集積回路を実現することができる。また、Ｓｉ光導波路の一部を加熱するヒータを用いて、熱光学効果により光導波路の有効屈折率を変化させたり、Ｓｉ光導波路にキャリアを注入する構造を用いて、能動光回路を実現することができる。例えば、能動光回路としては、光スイッチ、光可変減衰器、可変波長フィルタなどが実現されている。
【０００３】
熱光学効果を利用した能動光回路において、光路長を導波光波長の半分だけ変化させるためには、Ｓｉ光導波路に設けられたヒータに、１０ｍＷ以上の電力を加える必要があった。例えば、非特許文献１に記載された２×２光スイッチには、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型の光スイッチが記載されている。この２×２光スイッチにより、入力光の出力方路を切り換えるためには、アーム導波路に設置されたヒータに印加する電力として、４０ｍＷが必要であると報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Yuya Shoji, Kenji Kintaka, Satoshi Suda, Hitoshi Kawashima, Toshifumi Hasama, and Hiroshi Ishikawa, “Low-crosstalk 2 × 2 thermo-optic switch with silicon wire waveguides,” Optics Express, Vol. 18, Issue 9, pp. 9071-9075 (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような電力印加により、Ｓｉチップの温度が上昇すると、Ｓｉ光導波路の有効屈折率が変化することから、能動光回路が、所望の動作を得られない場合がある。例えば、１ｃｍ角のＳｉチップに多数の能動素子を形成し、適当なヒートシンクを接合した状態で、Ｓｉチップの温度上昇を１０℃以下程度に抑えるためには、全消費電力を１０Ｗ以下にする必要がある。全消費電力１０Ｗ以下とするために、１ｃｍ角のＳｉチップ上に配置できる能動素子の個数は、高々１０００個程度に制限されるという問題があった。
【０００６】
また、複数の能動素子を高密度に集積した場合、隣接する能動素子の間で、熱的なクロストークが生じ、所望の動作を得られない場合がある。これを防ぐためには、能動素子の間隔を広げざるを得ず、能動素子のレイアウトが制限されたり、集積する能動素子の個数が制限されたりするという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、Ｓｉ光導波路を用いた能動光回路を構成することができ、大規模光集積回路として集積可能な光機能素子を提供することにある。
【０００８】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、シリコン（Ｓｉ）光導波路層が形成された基板と、前記Ｓｉ光導波路層に形成され光路変換部と、前記Ｓｉ光導波路層上に設置された反射型の液晶空間光変調器であって、前記光路変換部から入射した波面を制御して、前記光路変換部に出射する液晶空間光変調器とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、位相制御と振幅制御とが可能な液晶空間光変調器を備えた光機能素子を適用することにより、消費電力の小さな能動光回路を構成することができるので、大規模光集積回路として集積することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光機能素子を示す図である。
【図２】光機能素子の回折格子の構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかるマッハツェンダ干渉型光スイッチを示す図である。
【図４】マッハツェンダ干渉型光スイッチのモニター回路を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる波長合分波回路を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる光機能素子を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態にかかる波長合分波回路を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施形態にかかる光機能素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
［第１の実施形態］
図１に、本発明の第１の実施形態にかかる光機能素子を示す。光機能素子は、光集積回路の能動光回路を構成するための能動素子の一例である。図１（ａ）は、光機能素子のＳｉ光導波路の光軸をｚ軸としたときの、ｘｚ平面の断面を示している。光機能素子は、Ｓｉ基板１０１上にＳｉ光導波路層１１１が形成され、その上に、透明樹脂のスペーサ１０４と光吸収層１０５とを介して反射型の液晶空間光変調器１１３が形成されている。
【００１３】
スペーサ１０４は、シリコン樹脂などの赤外光に対して透明な材料からなり、水素をフッ素化したエポキシ、水素を重水素で置換したエポキシ、ポリイミドなども用いることができる。光吸収層１０５は、赤外光を吸収する材料からなり、炭素微粒子または半導体を分散した樹脂などを用いることができる。Ｓｉ光導波路層１１１と液晶空間光変調器１１３との間隔は、５０μｍ程度である。
【００１４】
図１（ｂ）は、光機能素子のＳｉ光導波路層１１１のｙｚ平面を示している。Ｓｉ光導波路層１１１には、ＳｉＯ2クラッド１０３に、入力側コア１０２ａ、入力側回折格子１１２ａ、出力側回折格子１１２ｂ、および出力側コア１０２ｂが埋め込まれている。
【００１５】
液晶空間光変調器１１３は、液晶駆動電極１０６、液晶位相変調器１０７、反射ミラー兼液晶駆動電極１０８、および液晶駆動基板１０９が順に積層された構造を有する。液晶位相変調器１０７および反射ミラー兼液晶駆動電極１０８は、１０×１０μｍの大きさのピクセルで構成されている。従って、１ｃｍ角のＳｉ基板１０１上に１，０００，０００ピクセル程度を有する液晶空間光変調器１１３を設置することができる。
【００１６】
図２に、光機能素子の回折格子の構造を示す。図２（ａ）は、回折格子の第１の例であり、Ｓｉ光導波路層１１１のコアを、エッチング等により加工して形成されている。入力側回折格子１１２ａは、入力側コア１０２ａに接続されたテーパ部と、テーパ部に続く回折格子部とから構成され、長さ、幅ともに３０μｍ程度の大きさを有する。図２（ｂ）は、回折格子の第２の例である。第１の例では、回折格子部は、コアの有る部分と無い部分とが交互に形成されているが、第２の例では、回折格子部のコアは、溝が形成されている部分と形成されていない部分とにより構成されている。
【００１７】
入射光１２１は、入力側コア１０２ａを導波して、入力側回折格子１１２ａにより光路が変換され、波面１２２となって液晶空間光変調器１１３に入射する。液晶空間光変調器１１３で位相変調を受け、反射された波面１２３は、出力側回折格子１１２ｂにより光路が変換され、出力側コア１０２ｂから出射光１２４として出力される。
【００１８】
なお、本実施形態の回折格子は光路変換部として機能すればよいので、回折格子の代わりに、全反射ミラーを設置することもできる。Ｓｉ光導波路層１１１のコアの出射端面が露出するように溝を形成し、出射端面と対向する位置の斜面にミラーを形成する。回折格子と比較して、波長依存性が少ない利点がある一方、集光特性は劣るという欠点も有している。
【００１９】
本実施形態の液晶空間光変調器１１３は、上述したように１ｃｍ角内に１，０００，０００ピクセル程度を有し、各々のピクセルを独立に制御が可能である。例えば、１．５μｍ帯の光信号であって、幅３０μｍ程度の入力側回折格子１１２ａから出力される波面１２２は、５０μｍ程度のスペーサ１０４内部を伝搬し、１０×１０μｍ程度の断面を有する光となって、液晶空間光変調器１１３に入射される。光が入射された１（１×１）ピクセルまたは４（２×２）ピクセルの位相変調量を制御することにより、反射された波面１２３を出力側回折格子１１２ｂに出力することができる。
【００２０】
ここで、液晶空間光変調器１１３は２つの機能を有している。第１の機能は、入力側回折格子１１２ａから液晶空間光変調器１１３で反射して出力側回折格子１１２ｂに至るまでの光路長を制御する機能である。ここでは、１波長分程度の位相制御、すなわち２μｍ程度の光路長制御を行う。なお、本実施形態の液晶空間光変調器１１３は、２波長分程度までの光路長制御が可能である。
【００２１】
液晶空間光変調器１１３の第２の機能は、入力側回折格子１１２ａと出力側回折格子１１２ｂとの間の結合効率を制御する機能である。隣接する液晶位相変調器１０７の位相制御量を大きく変えると、高次回折光が増大するので、回折格子間の結合効率が低下する。または、波面１２３と出力側回折格子１１２ｂとの間のモード整合を制御して結合効率を変化させることができる。
【００２２】
このような波面制御を行う場合に、入力側回折格子１１２ａから出力される波面１２２は、上述したように、複数のピクセルにまたがる場合がある。従って、Ｓｉ光導波路層１１１と液晶空間光変調器１１３のスペーサ１０４を介した接続は、５μｍ程度の比較的粗いアライメントでも、２つの機能を奏することができる。
【００２３】
なお、光吸収層１０５は、波面１２３となって液晶空間光変調器１１３から出射された光のうち、出力側回折格子１１２ｂに結合しない光が、迷光となって能動光回路を拡散しないように設けられている。図１（ｂ）に点線で示したように、入力側回折格子１１２ａと出力側回折格子１１２ｂとを囲うように設置されている。
【００２４】
図３に、本発明の一実施形態にかかるマッハツェンダ干渉型光スイッチを示す。マッハツェンダ干渉型光スイッチは、入力側方向性結合器２０１と出力側方向性結合器２０３とを接続する２本のアーム導波路のそれぞれに、第１の実施形態の光機能素子２０２ａ，２０２ｂが挿入されている。入射光２１１は、入力側方向性結合器２０１で分岐され、光機能素子２０２ａ，２０２ｂに入射される。光機能素子２０２ａ，２０２ｂにおいては、図１に示した液晶空間光変調器１１３により、光路長制御が行われ、位相と振幅が制御される。光機能素子２０２ａ，２０２ｂにおいて位相変調された波面２１２ａ，２１２ｂは、出力側方向性結合器２０３において結合され、出射光２１３として、マッハツェンダ干渉型光スイッチのいずれか一方の出力導波路から出力される。
【００２５】
光機能素子２０２ａ，２０２ｂにおける振幅制御は、２本のアーム導波路を伝搬する光の光強度が同じになるように制御する。位相制御は、２本のアーム導波路を伝搬する光の位相差がπ／２または３π／２のいずれかになるように設定し、出力導波路のいずれか一方から出射光を出力させる。
【００２６】
図４に、マッハツェンダ干渉型光スイッチのモニター回路を示す。図３に示したモニター回路２０４ａ，２０４ｂのＡＢ間の断面図である。出力導波路に設けた分岐回路により、出射光２１３の一部の光を取りだしてモニターし、モニターされた光量に応じて光機能素子２０２ａ，２０２ｂの駆動条件を変えて、消光比の高い光スイッチング動作を実現する。
【００２７】
モニター回路２０４ａ，２０４ｂは、分岐回路の末端に設けられた回折格子２２１と、回折格子２２１からの光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード（ＰＤ）２２２とから構成されている。ＰＤ２２２で検出された電気信号を、光機能素子２０２ａ，２０２ｂの制御回路にフィードバックする。２本のアーム導波路を伝搬する光の光強度が同じになるように制御することにより、高い消光比を得ることができる。
【００２８】
図５に、本発明の第１の実施形態にかかる波長合分波回路を示す。アレイ導波路回折格子を適用した波長合分波回路であり、入力導波路３０１に接続された入力側スラブ導波路３０２と、出力導波路３０６に接続された出力側スラブ導波路３０５と、入力側スラブ導波路３０２と出力側スラブ導波路３０５とを接続する導波路アレイ３０３ａ，３０３ｂと、導波路アレイに挿入された光機能素子アレイ３０４とから構成されている。また、高次回折光を取り出してモニターするための回折格子３０７が設けられており、ＰＤ（図示しない）によりモニター光の光量を測定する。
【００２９】
光機能素子アレイ３０４は、導波路アレイの各々の光導波路に、図１に示した光機能素子が配置され、各々の光導波路を伝搬する光の位相と振幅を制御することができる。ＰＤによりモニターされた光量によって、高次回折スペクトルを計測し、最適な位相制御値と振幅制御値を得ることができる。光機能素子アレイが挿入されていない場合には、位相誤差によってアレイ導波路回折格子のクロストーク特性が劣化していたが、光機能素子アレイによって位相誤差補償が可能となり、設計値通りのクロストーク特性を得ることができる。
【００３０】
また、光機能素子アレイ３０４の位相及び振幅制御により、アレイ導波路回折格子の透過振幅位相スペクトルを変化させて、クロストーク特性、透過スペクトル形状などの外部要求条件の変化に合わせた適応的制御を行うことも可能となる。例えば、クロストーク特性を犠牲にして、透過スペクトル帯域幅を広げたり、その逆の制御を行うことができる。
【００３１】
本実施形態の液晶空間光変調器１１３は、ピクセルあたりの発熱量は１μＷ以下であり、光機能素子としての温度上昇は僅かであり、熱的なクロストークが生じることもない。しかも、Ｓｉ光導波路層１１１とは、スペーサ１０４と光吸収層１０５とを介して接続されているので、Ｓｉ光導波路層１１１に与える熱の影響は、さらに少ない。
【００３２】
１ｃｍ角のＳｉチップであれば、Ｓｉ光導波路層１１１に２０，０００個の回折格子１１２を配置し、１０，０００個の光機能素子を設けることができる。回折格子の寸法は、２０〜５０μｍ角程度であるので、能動光回路を余裕を持って配置することができる。
【００３３】
［第２の実施形態］
図６に、本発明の第２の実施形態にかかる光機能素子を示す。図６（ａ）は、光機能素子のＳｉ光導波路の光軸をｚ軸としたときの、ｘｚ平面の断面を示している。第２の実施形態の光機能素子は、コア１０２と入力側回折格子１１２とを、入力側と出力側とで共用する構成としている。すなわち、液晶空間光変調器１１３は、回折格子１１２からの波面１２２を位相変調し、再び、波面１２３として回折格子１１２に出力する。
【００３４】
図６（ｂ）は、光機能素子のＳｉ光導波路層１１１のｙｚ平面を示している。第１の実施形態と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。
【００３５】
図７に、本発明の第２の実施形態にかかる波長合分波回路を示す。第１の実施形態と同様に、アレイ導波路回折格子を適用した波長合分波回路である。第２の実施形態の光機能素子により構成された光機能素子アレイ３０４により、アレイ導波路回折格子のスラブ導波路、入出力導波路も共用することができ、波長合分波回路の小型化を図ることができる。
【００３６】
［第３の実施形態］
図８に、本発明の第３の実施形態にかかる光機能素子を示す。図８（ａ）は、光機能素子のＳｉ光導波路の光軸をｚ軸としたときの、ｘｚ平面の断面を示している。第３の実施形態の光機能素子は、第２の実施形態と同様に、コア１０２と入力側回折格子１１２とを、入力側と出力側とで共用する構成としている。加えて、回折格子１１２からの波面１２２の方向と、液晶空間光変調器１１３で反射された波面１２３の方向とが、Ｓｉ光導波路層１１１に対して鉛直方向ではない場合を示している。
【００３７】
図８（ｂ）は、光機能素子のＳｉ光導波路層１１１のｙｚ平面を示している。第１の実施形態と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。
【００３８】
本実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。  
（１）光機能素子１個あたりの消費電力が低いので、１ｃｍ角のチップ内に搭載できる能動光回路の数を１０００台程度から１０，０００個以上に増やすことができる。  
（２）各光機能素子は、位相制御と振幅制御の両方が可能であり、多様な光機能回路を構成できる。  
（３）光機能素子の位相制御では、Ｓｉ光導波路の位相誤差を補償し、能動光回路の特性向上が可能である。例えば、アレイ導波路回折格子の導波路アレイ間の位相差を正しく設定することによって、設計値通りのクロストーク特性を得ることができる。  
（４）光機能素子の振幅制御では、Ｓｉ光導波路を伝搬する光強度を正しく設定することによって、能動光回路の特性向上が可能である。例えば、マッハツェンダ干渉型光スイッチでは、２本のアーム導波路を伝搬する光の光強度が同じになるように制御することにより、高い消光比を得ることができる。  
（５）加えて、モニター回路を集積することにより、光機能素子は、能動光回路に入射する光の波長、能動光回路の温度等の外部条件に合わせた適応制御により、能動光回路の特性を向上することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０１  Ｓｉ基板
１０２  コア
１０３  ＳｉＯ2クラッド
１０４  スペーサ
１０５  光吸収層
１０６  液晶駆動電極
１０７  液晶位相変調器
１０８  反射ミラー兼液晶駆動電極
１０９  液晶駆動基板
１１１  Ｓｉ光導波路層
１１２，２２１，３０７  回折格子
１１３  液晶空間光変調器
１２１，２１１  入射光
１２２，１２３，２１２  波面
１２４，２１３  出射光
２０１，２０３  方向性結合器
２０２  光機能素子
２２２  フォトダイオード（ＰＤ）
３０１  入力導波路
３０２，３０５  スラブ導波路
３０３  導波路アレイ
３０４  光機能素子アレイ
３０６  出力導波路
【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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