(57)【要約】【課題】他の光機能回路との集積が容易に可能で、損失の少ない光リミッタ回路及び光受信回路を提供すること。【解決手段】導波路基板１０１上に下部クラッド層１０２、コア層１０３、上部クラッド層１０４を順に積層し、上部クラッド層１０４内に光非線形層１０５が埋設されている。尚、コア層１０３と光非線形層１０５は、コア層１０３から漏れた光がクラッド層の一部を透過して光非線形層１０５に結合可能な位置関係で配置されている。光非線形層１０５が上部クラッド層１０４に埋設されているが、光非線形層１０５は下部クラッド層１０３に埋設されていてもよい。下面と上面とを下部及び上部クラッド層１０２、１０４で挟まれているのみで、側面にはクラッド層がないが、コアの入出力面以外の側面全てがクラッドに覆われているような導波路でもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のクラッド層、第１のコア層及び第２のクラッド層が順に積層された単一モード導波路と、
前記第１及び第２のクラッド層のいずれかに埋設され、前記第１のコア層から漏れた光と結合するように配置された光非線形材料からなる第２のコア層と
を備えたことを特徴とする光リミッタ回路。
【請求項２】
第１のクラッド層、第１のコア層及び前記第１のコア層を覆う第２のクラッド層からなる単一モード導波路と、
前記第１及び第２のクラッド層のいずれかに埋設され、前記第１のコア層から漏れる光と結合するように配置された光非線形材料からなる第２のコア層と
を備えたことを特徴とする光リミッタ回路。
【請求項３】
受光素子を有する光受信回路において、前記受光素子の前段に請求項１又は２のいずれかに記載の光リミッタ回路を備えたことを特徴とする光受信回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光リミッタ回路および光受信回路に関し、より詳細には、光サージによる受光素子の劣化を低減する光リミッタ回路および光受信回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光増幅器を利用する光ネットワークにおいて、スイッチ切り替え、装置の瞬断等、光増幅器への入力光信号平均パワが非常に小さい状態が数十ミリ秒以上続いた後に、急激に光信号パワが増大すると、光サージが発生し、受信回路を破損することがある。従来、光増幅器への入力パワが零にならないようにシステム設計したり、あるいは、光信号レベルをモニタし、光増幅器内の励起レーザ光出力を調整したりすることにより大きな光サージが発生しないように工夫されてきた。また、上り信号の増幅時に発生する光サージを、下り信号で利得クランプすることにより抑圧する方法も提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、これらの方法は、通信装置に大掛りな制御系、モニタシステムが必要であり、高コストである。また、励起レーザ光の調整によるフィードバックは時定数が遅く、光サージを十分に抑圧できない場合もある。
【０００４】
これらの代わりに、受光素子の前段に光リミッタ回路を設けることによって、光サージによる受信回路の損傷をより少なくすることが出来る。光リミッタ回路には、光非線形材料を用いた導波路で構成されたものとして、光非線形導波路を用いた方向性結合回路がある。
【０００５】
【非特許文献１】中西泰彦、中西隆、深田陽一、鈴木謙一、岩月勝美、「単一ＥＤＦ構成双方向アクセス用光増幅器における光サージ抑圧」、電子情報通信学会総合大会論文集、２００７年、Ｂ−８−８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一般に光非線形性の大きい材料は吸収係数も大きいので、長尺の導波路を構成すると損失が大きくなる欠点がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、他の光機能回路との集積が容易に可能で、損失の少ない光リミッタ回路及び光受信回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光リミッタ回路であって、第１のクラッド層、第１のコア層及び第２のクラッド層が順に積層された単一モード導波路と、前記第１及び第２のクラッド層のいずれかに埋設され、前記第１のコア層から漏れた光と結合するように配置された光非線形材料からなる第２のコア層とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、光リミッタ回路であって、第１のクラッド層、第１のコア層及び前記第１のコア層を覆う第２のクラッド層からなる単一モード導波路と、前記第１及び第２のクラッド層のいずれかに埋設され、前記第１のコア層から漏れる光と結合するように配置された光非線形材料からなる第２のコア層とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、受光素子を有する光受信回路であって、前記受光素子の前段に請求項１又は２のいずれかに記載の光リミッタ回路を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、他の光機能回路との集積が容易に可能で、損失を低減することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。尚、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１３】
［実施形態１］
図１（ａ）に、本発明の実施形態１に係る光リミッタ回路の構成を示す。導波路基板１０１上に下部クラッド層１０２、コア層１０３、上部クラッド層１０４を順に積層し、上部クラッド層１０４内に光非線形層１０５が埋設されている。尚、コア層１０３と光非線形層１０５は、コア層１０３から漏れた光がクラッド層の一部を透過して光非線形層１０５に結合可能な位置関係で配置されている。
【００１４】
各導波路の材料としては、例えば、導波路基板１０１及びコア層１０３をシリコン（Ｓｉ）、下部クラッド層１０２及び上部クラッド層１０４を二酸化シリコン（ＳｉＯ2）、光非線形層１０５をリン化ヒ素化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＡｓＰ）の化合物半導体とすることが出来る。コア層１０３及び光非線形層１０５は、厚さ０．３μｍ程度が望ましい。また、コア層１０３と光非線形層１０５との距離は０．１μｍ程度とする。
【００１５】
尚、図１（a）で示すように、実施形態１では光非線形層１０５が上部クラッド層１０４に埋設されているが、光非線形層１０５は下部クラッド層１０３に埋設されていてもよい。重要なのは、コア層１０３と光非線形層１０５とが、コア層１０３から漏れた光がクラッド層の一部を透過して光非線形層１０５に結合可能な位置関係で配置されていることである。
【００１６】
又、実施形態１ではコア層１０３は、下面と上面とを下部及び上部クラッド層１０２、１０４で挟まれているのみで、側面にはクラッド層がないが、コアの入出力面以外の側面全てがクラッドに覆われているような導波路でもよい。
【００１７】
又、実施形態１ではコア層１０３と光非線形層１０５とは平行に配置されているが、例えば、コア層１０３と光非線形層１０５が徐々に近づく又は遠のくように配置されていてもよい。この場合、コア層１０３から漏れた光の光非線形層１０５への結合は徐々に強くなる又は弱くなる。
【００１８】
実施形態１は、リッジ型導波路で図示しているが、埋め込み型導波路でも良いことは言うまでもない。コア層１０３と光非線形層１０５とを十分に近接させた場合、導波路モードが結合する。図１（ｂ）に、入射パワが弱い場合の光結合の様子を示し、図１（ｃ）に、入射パワが強い場合の光結合の様子を示す。これらの図では、光が主に導波される経路を実線で示し、導波される光の割合が低い経路を破線で示している。
【００１９】
入射パワが弱い場合、ほとんどの光はコア層１０３から出力されるが、入射パワが強くなるに従って、光はコア層１０３から漏れて光非線形層１０５に導波される。さらに入射パワが強くなると光非線形層１０５に導波される光が増加して、光非線形効果により光非線形層１０５の屈折率が増加して光が光非線形層１０５に結合するようになる。即ち、入射パワが強くなるに従って光非線形層１０５に導波される光の割合が増加し、コア層１０３から出力される光の割合が減少する。そのため、図２に示すように、本回路はリミッタ回路として動作する。図２は、本発明の一実施形態に係る光リミッタ回路の入出力特性を示しており、このように本回路は、入射パワが低い領域では透過出力光の出射パワは入射パワに比例して増加するが、入射パワが所定の強度を超えると出射パワが相対的に抑制されるリミッタ型の光入出力特性を有する。
【００２０】
また、出力強度の飽和をより小さい入射パワ（入力光強度）で起こさせる場合、コア層１０３と光非線形層１０５を近接させ、光非線形層１０５を長くする。コア層１０３と光非線形層１０５の結合長が短くなるので、入射光は、コア層１０３と光非線形層１０５の間を交互に行き来するように導波される。入射パワの増大に伴って、光非線形層１０５の屈折率が変化し、コア層１０３と光非線形層１０５の結合長も変化する。入射パワが弱い場合、入射パワに応じて光非線形層１０５の長さ、コア層１０３と光非線形層１０５の距離を調整することにより、光を主としてコア層１０３に結合させることが可能である。
【００２１】
図３（ａ）は、入射パワが小さく、入射パワの増加に伴い出射パワ（出力光強度）が増加する線形領域での光の導波を示す。このとき、光は主にコア層１０３に導波される。図３（ｂ）は、入射パワが増加して出射パワが飽和する前後の領域での光の導波を示す。このとき、光非線形層１０５の屈折率がコア層１０３の屈折率よりも大きくなり、光は主に光非線形層１０５に導波される。よって、出射パワの飽和をより小さい入射パワで起こさせる場合も、図２に示すような光入出力特性を得ることが出来る。
【００２２】
ここで、実施形態１について、実施例を示しながら、その作製方法について説明する。
【００２３】
Ｓｉ基板上にスパッタ法によりＳｉＯ2（層厚：５００ｎｍ）、Ｓｉ（層厚：３００ｎｍ）、ＳｉＯ2（層厚：１００ｎｍ）を順次積層する。ＳｉＯ2（層厚：１００ｎｍ）上にＩｎＰ（層厚：５０ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ（１．５５μｍ組成波長、層厚：２００ｎｍ）、ＩｎＰ（層厚：５０ｎｍ）をＭＢＥ法により成膜する。
【００２４】
次に、ＩｎＰ（層厚：５０ｎｍ）上にＳｉＯ2（層厚：５０ｎｍ）をスパッタ法により積層する。ランプアニールにより、６００℃、５分間アニールすることにより、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層の結晶性質を改善する。
【００２５】
次に、ＩｎＰ（層厚：５０ｎｍ）上に積層したＳｉＯ2膜（層厚：５０ｎｍ）を、フォトレジストプロセスにより形成されたレジストマスクを用いてＣＦ系ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）加工により３００ｎｍ幅のストライプ形状に加工する。このストライプ形状のＳｉＯ2をマスクとして用いて、塩素系プラズマエッチング（ＲＩＥ、ＲＩＢＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）によりＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層を３００ｎｍ幅のストライプ形状に加工する。コア層（Ｓｉ）１０３の長さを２ｍｍとし、光非線形層（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ）１０５を１ｍｍとする。
【００２６】
最後に、スパッタ法により全面にＳｉＯ2を積層してＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層を埋め込む。光非線形層１０５は、非線形定数が−３．５×１０-16ｍ2／Ｗ、屈折率が３．３２５とする。
【００２７】
ここで、ＳｉＯ2／Ｓｉ／ＳｉＯ2層と、その上のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層の形成には貼り付け法を用いてもよい。貼り付け法とは、異種材料の表面同士を密着させ３００〜５００℃でアニールすることにより異種材料の接合（積層）構造を形成する手法のことである。
【００２８】
実施例では光非線形層１０５にＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ層を用いたが、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓであってもよく、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等の単層であってもよい。
【００２９】
また、実施例では光非線形層１０５の下地にＳｉＯ2／Ｓｉ／ＳｉＯ2層を用いたが、ＳｉＯx／Ｓｉ／ＳｉＯx、ＴｉＯx／Ｓｉ／ＴｉＯx、ＳｉＯx／ＴｉＯx／ＳｉＯx（１≦ｘ≦２）であってもよい。
【００３０】
入射光の波長を１．５５μｍとして計算を行ったところ、図５のような入出力特性が得られた。尚、１．５５μｍでなくてもＩｎＧａＡｓＰの組成波長を調整することにより１．３μｍ等の他の長波長帯にも適用可能である。また、光非線形層に他の波長に対応する材料を用いることにより、長波長帯以外の波長にも適用可能である。
【００３１】
［実施形態２］
図４に、本発明の一実施形態に係る光受信回路の構成を示す。入力スポット変換回路１０６、光リミッタ回路１０８、出力スポット変換回路１１０が、単一モード導波路１０７、１０９を介して縦続接続されている。光リミッタ回路１０８は、本発明の実施形態１の光リミッタ回路とする。また、出力スポット変換回路１１０の後段にはフォトダイオード１１１が結合されている。実施形態２は、光受信器のフロントエンドであるが、このように光リミッタ回路を備えたことにより光受信器の光サージに対する耐力が強化される。
【００３２】
ここで、実施形態２について、実施例を示しながら、その作製方法について説明する。
【００３３】
Ｓｉ基板上に形成された石英導波路１０７、１０９、スポット変換回路１０６、１１０からなる平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）に通常の実装方法により、実施形態１の光リミッタ回路１０８、１．５５μｍ用のフォトダイオード（アバランシェフォトダイオード：ＡＰＤ）１１１を装着する。尚、フォトダイオード１１１はｐｉｎフォトダイオードでもよい。
【００３４】
本実施例では、入力光波長を１．５５μｍとして、１．５５μｍ対応の実施形態１の光リミッタ回路、１．５５μｍ用のフォトダイオードを用いたが、他の波長に対応する実施形態１の光リミッタ回路、フォトダイオードを用いれば他の波長の入力光にも対応することができる。
【００３５】
このように、本発明の光リミッタ回路は他の光機能回路と共にＰＬＣチップ内に形成することができるため、光リミッタ機能を有する集積度の高い光受光回路を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態１に係る光リミッタ回路の構成を示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光リミッタ回路において、入射パワが弱い場合の光結合の様子を示す図であり、（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る光リミッタ回路において、入射パワが強い場合の光結合の様子を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光リミッタ回路の入出力特性を示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光リミッタ回路において、入力光強度が小さく、入力光強度の増加に伴い出力光強度が増加する線形領域での光の導波を示す図であり、（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る光リミッタ回路において、入力光強度が増加して出力光強度が飽和する前後の領域での光の導波を示す。
【図４】本発明の一実施形態に係る光受信回路の構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る光リミッタ回路の光入出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１  導波路基板
１０２  下部クラッド層
１０３  コア層
１０４  上部クラッド層
１０５  光非線形層
１０６  入力スポット変換回路
１０７、１０９  単一モード導波路
１０８  光リミッタ回路
１１０  出力スポット変換回路
【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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