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JP2016018005A - 光導波路素子およびその製造方法、光受信回路、光変調器 - Google Patents

光導波路素子およびその製造方法、光受信回路、光変調器 Download PDF

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JP2016018005A
JP2016018005A JP2014138968A JP2014138968A JP2016018005A JP 2016018005 A JP2016018005 A JP 2016018005A JP 2014138968 A JP2014138968 A JP 2014138968A JP 2014138968 A JP2014138968 A JP 2014138968A JP 2016018005 A JP2016018005 A JP 2016018005A
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憲介 小川
Kensuke Ogawa
憲介 小川
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Fujikura Ltd
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Fujikura Ltd
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

【課題】低消費電力で、集積化が容易であり、量産に適し、なおかつ信頼性の高い光導波路素子を提供する。
【解決手段】基板３上にコア４およびクラッド５により構成された導波路Ｄを備える光導波路素子１Ａであって、導波路Ｄを伝搬する光の位相を調整する位相調整部２Ａを有し、位相調整部２Ａは、コア４を挟んだ両側に設けられた第１の電極８および第２の電極９と、コア４の両側面および上面の少なくとも一部と、第１の電極８のコア４と対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、第２の電極９のコア４と対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆うように設けられた電気光学層１０と、を有し、前記電気光学層１０には、分極形成により電気分極が生じている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光導波路素子およびその製造方法、ならびにそのような光導波路素子を備えた光受信回路、光変調器に関する。
光ファイバ通信において、大容量かつ高速のデータ伝送を可能とする技術として、デジタルコヒーレント通信がある。デジタルコヒーレント通信では、偏波多重・直交位相変調（ＰＤＭ−ＩＱ変調）を行うための光位相変調器およびコヒーレント受信を行うための光受信回路が必要である。
これらの光素子では、光波の位相を調整する（例えば、光波に一定の位相を加える。）ため、光波の位相制御を可能とする位相シフタが必要である。位相シフタに関連する技術として、特許文献１には、電気抵抗体からなる熱拡散体(thermal dissipater)を導波路上に設け、熱光学（ＴＯ）効果により導波路の屈折率を制御する構成が開示されている。また、非特許文献１には、電気光学（ＥＯ）材料をシリコン導波路コアと組み合わせた高速位相変調部を用いた光位相変調器が開示されている。
国際公開第２００３／０４８８４５号
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ＴＯ位相シフタを用いて位相差をπ/２に保持するために、ＴＯ位相シフタに常に電流または電圧を印加し、熱を生じさせる必要がある。したがって、消費電力を低減することは困難である。
非特許文献１に記載の技術では、永久電気分極をＥＯ材料中に誘起するためのポーリング（poling）による分極形成において、基板全体を高温に熱する必要がある。このため、ワイヤボンディング部分の損傷や、入出力光ファイバなどの外部光部品を接着し固定する接着剤の損傷等を招く可能性がある。したがって、光位相変調器に調整用の光を入射することによって出力される光をモニタしながら、基板全体を高温に加熱することにより位相差をπ／２に保持するために永久電気分極を必要かつ十分な適正値に設定することは困難である。また、各光位相変調器では、個別の駆動電圧の変動が大きく、信頼性が低下するという問題がある。
また、非特許文献１に記載の技術では、基板全体を高温に熱すると、例えば、ＰＮ接合を形成するドーパントが再拡散したり、成膜温度の低いゲルマニウム膜や化合物半導体膜が劣化したりするおそれがある。この場合、光位相変調部もしくは受光部との集積化が困難になる。
さらに、非特許文献１に記載の高速位相変調部における電極構成では、ポーリングする際の電極間隔が大きくなってしまい、ポーリング電圧が高くなる。この場合、放電による光位相変調器の損傷の可能性が増し、製造歩留まりが低下するという問題がある。加えて、高速光位相変調部の導波路としてスロット導波路を用いているため、矩形導波路との接続損失および側壁荒れによる伝搬損失が大きく、光損失を低減できないという問題がある。
本発明の一つの態様は、このような従来の問題点に鑑みて提案されたものであり、低消費電力で、集積化が容易であり、量産に適し、なおかつ信頼性の高い光導波路素子およびその製造方法、ならびにそのような光導波路素子を備えた光受信回路、光変調器を提供することを目的の一つとする。
本発明の一つの態様は、基板上にコアおよびクラッドにより構成された導波路を備える光導波路素子であって、前記導波路を伝搬する光の位相を調整する位相調整部を備え、前記位相調整部は、前記コアを挟んだ両側に設けられた第１の電極および第２の電極と、前記コアの両側面および上面の少なくとも一部と、前記第１の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、前記第２の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆うように設けられた電気光学層と、を有し、前記電気光学層には、分極形成により電気分極が生じていることを特徴とする光導波路素子を提供する。
また、前記光導波路素子において、前記クラッドは、前記基板と前記コアとの間に設けられた下部クラッドと、前記コアおよび前記下部クラッドの上に設けられた上部クラッドと、を有し、前記第１の電極は、前記上部クラッドを貫通する第１の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第１の上部電極と電気的に接続され、前記第２の電極は、前記上部クラッドを貫通する第２の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第２の上部電極と電気的に接続されていることが好ましい。
また、前記光導波路素子において、前記電気光学層は、前記上部クラッドを貫通する第３の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第３の上部電極と電気的に接続されていることが好ましい。
また、前記光導波路素子において、前記位相調整部は、前記電気光学層を加熱するヒータを有し、前記ヒータは、前記上部クラッド上に設けられていることが好ましい。
また、前記光導波路素子において、前記第１の電極は、前記上部クラッドを貫通する第４の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第４の上部電極と電気的に接続され、前記第２の電極は、前記上部クラッドを貫通する第５の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第５の上部電極と電気的に接続され、前記第１の上部電極と前記第４の上部電極との間で電流または電圧を印加することによって、前記第１の電極が発熱し、前記第２の上部電極と前記第５の上部電極との間で電流または電圧を印加することによって、前記第２の電極が発熱することが好ましい。
また、前記光導波路素子において、前記位相調整部を周囲から熱的に隔離するギャップ部を備え、前記ギャップ部は、少なくとも前記クラッドを深さ方向に切り欠く溝部を有することが好ましい。
また、前記光導波路素子において、前記ギャップ部は、前記位相調整部を挟んだ両側に前記基板に至る深さで形成された一対の溝部と、前記一対の溝部の間に連続して前記基板の一部が除去された空隙部と、を有することが好ましい。
また、前記光導波路素子において、前記コアは、シリコン層からなり、前記第１の電極および前記第２の電極は、シリコン層に不純物をドーピングすることによって形成された拡散層からなることが好ましい。
また、本発明の一つの態様は、基板上にコアおよびクラッドにより構成された導波路を備える光導波路素子の製造方法であって、前記導波路を伝搬する光の位相を調整する位相調整部を形成する際に、前記コアを挟んだ両側に第１の電極および第２の電極を形成する工程と、前記コアの両側面および上面の少なくとも一部と、前記第１の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、前記第２の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆う電気光学層を形成する工程と、を含むことを特徴とする光導波路素子の製造方法を提供する。
また、前記光導波路素子の製造方法において、前記第１の電極および前記第２の電極を形成する際に、前記コアとなるシリコン層と同じ層からなるシリコン層をパターニングし、パターニングされた前記シリコン層に不純物をドーピングすることによって、前記第１の電極および前記第２の電極となる拡散層を形成することが好ましい。
また、前記光導波路素子の製造方法において、前記位相調整部を周囲から熱的に隔離するギャップ部を形成する工程を含み、前記ギャップ部を形成する際に、前記位相調整部を挟んだ両側に前記クラッドから前記基板に至る深さで一対の溝部をエッチングにより形成した後に、前記一対の溝部から前記基板の一部をエッチングにより選択的に除去することによって、前記一対の溝部の間に連続した空隙部を形成することが好ましい。
また、本発明の一つの態様は、前記いずれかの光導波路素子を備える光受信回路を提供する。
また、前記光受信回路において、前記光導波路素子は、信号光を第１の信号光伝搬用導波路および第２の信号光伝搬用導波路に分岐して伝搬させる第１の光分岐部と、局発光を第１の局発光伝搬用導波路および第２の局発光伝搬用導波路に分岐して伝搬させる第２の光分岐部と、前記第１の信号光伝搬用導波路を伝搬する信号光と前記第１の局発光伝搬用導波路を伝搬する局発光とを合波して、互いに干渉させる第１の光合波部と、前記第２の信号光伝搬用導波路を伝搬する信号光と前記第２の局発光伝搬用導波路を伝搬する局発光とを合波して、互いに干渉させる第２の光合波部と、前記第１の光合波部の出力光を受光する１または２以上の第１の受光部と、前記第２の光合波部の出力光を受光する１または２以上の第２の受光部と、前記第１の局発光伝搬用導波路および前記第２の局発光伝搬用導波路のいずれか一方または両方に設けられた位相調整部と、を有し、連続した入射光に対し、連続した局発光に周波数シフトを印加し、両者の干渉によりヘテロダインビートを発生させ、前記第１の受光部から出力される出力電気信号または前記第２の受光部から出力される出力電気信号のうち、いずれか一方の出力電気信号を参照信号とし、前記参照信号とは異なる方の出力電気信号を入力信号として、ヘテロダインビートの位相を検出する手段を有し、前記位相をπ／２に保持することにより、前記第１の光合波部に入射する局発光と前記第２の光合波部に入射する局発光との間の位相差をπ／２に調整することが可能であることが好ましい。
また、前記光受信回路において、前記第１の光合波部に入射する局発光と前記第２の光合波部に入射する局発光との間の位相差をπ／２に調整する際に前記位相調整部に印加される電流または電圧の設定値を記録したメモリが搭載された制御基板と接続されたことが好ましい。
また、本発明の一つの態様は、前記いずれかの光受信回路の調整方法であって、連続した入射光に対し、連続した局発光に周波数シフトを印加し、両者の干渉によりヘテロダインビートを発生させ、前記第１の受光部から出力される出力電気信号または前記第２の受光部から出力される出力電気信号のうち、いずれか一方の出力電気信号を参照信号とし、前記参照信号とは異なる方の出力電気信号を入力信号として、ヘテロダインビートの位相を検出する手段を光受信回路に設け、前記位相をπ／２に保持することにより、前記第１の光合波部に入射する局発光と前記第２の光合波部に入射する局発光との間の位相差をπ／２に調整することを特徴とする光受信回路の調整方法を提供する。
また、本発明の一つの態様は、前記いずれかの光導波路素子を備える光変調器を提供する。
また、前記光変調器において、前記光導波路素子は、信号光を第１の接続導波路および第２の接続導波路に分岐して伝搬させる第１の光分岐部と、前記第１の接続導波路を伝搬する信号光を第３の接続導波路および第４の接続導波路に分岐して伝搬させる第２の光分岐部と、前記第２の接続導波路を伝搬する信号光を第５の接続導波路および第６の接続導波路に分岐して伝搬させる第３の光分岐部と、前記第３の接続導波路に設けられた第１の高速位相変調部と、前記第４の接続導波路に設けられた第２の高速位相変調部と、前記第５の接続導波路に設けられた第３の高速位相変調部と、前記第６の接続導波路に設けられた第４の高速位相変調部と、前記第１の高速位相変調部からの出力光と前記第２の高速位相変調部からの出力光とを合波して第７の接続導波路から出力する第１の光合波部と、前記第３の高速位相変調部からの出力光と前記第４の高速位相変調部からの出力光とを合波して第８の接続導波路から出力する第２の光合波部と、前記第７の接続導波路を伝搬する出力光と前記第８の接続導波路を伝搬する出力光とを合波して第９の接続導波路から出力する第３の光合波部と、前記第７の接続導波路を伝搬する出力光の一部を第１のタップ導波路を介して受光する第１の受光部と、前記第８の接続導波路を伝搬する出力光の一部を第２のタップ導波路を介して受光する第２の受光部と、前記第７の接続導波路と前記第８の接続導波路とのいずれか一方または両方に設けられた位相調整部と、を有し、前記第１の受光部から出力される電気信号の位相と、前記第２の受光部から出力される電気信号の位相との差分がπ／２となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧が調整されることが好ましい。
また、前記光変調器において、前記第１の受光部から出力される電気信号の位相と、前記第２の受光部から出力される電気信号の位相との差分がπ／２となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整するための設定値を記録したメモリが搭載された制御基板と接続されていることが好ましい。
また、本発明の一つの態様は、前記いずれかの光変調器の調整方法であって、前記第１の受光部から出力される電気信号の位相と、前記第２の受光部から出力される電気信号の位相との差分がπ／２となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整することを特徴とする光変調器の調整方法を提供する。
また、前記光変調器において、前記光導波路素子は、信号光を第１の接続導波路および第２の接続導波路に分岐して伝搬させる光分岐部と、前記第１の接続導波路に設けられた第１の高速位相変調部と、前記第２の接続導波路に設けられた第２の高速位相変調部と、前記第１の接続導波路を伝搬する出力光と前記第２の接続導波路を伝搬する出力光とを合波して第３の接続導波路から出力する光合波部と、前記第３の接続導波路を伝搬する出力光の一部をタップ導波路を介して受光する受光部と、前記第１の高速位相変調部と前記光合波部との間と、前記第２の高速位相変調部と前記光合波部との間とのいずれか一方または両方に設けられた位相調整部と、を有し、前記受光部から出力される電気信号を検出し、前記第１の高速位相変調部および前記第２の高速位相変調部に変調電気信号を印加しない状態で、前記第３の接続導波路から出力される出力光が最大となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧が調整されることが好ましい。
また、前記光変調器において、前記受光部から出力される電気信号を検出し、前記第１の高速位相変調部および前記第２の高速位相変調部に変調電気信号を印加しない状態で、前記第３の接続導波路から出力される出力光が最大となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整するための設定値を記録したメモリが搭載された制御基板と接続されていることが好ましい。
また、本発明の一つの態様は、前記いずれかの光変調器の調整方法であって、前記受光部から出力される電気信号を検出し、前記第１の高速位相変調部および前記第２の高速位相変調部に変調電気信号を印加しない状態で、前記第３の接続導波路から出力される出力光が最大となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整することを特徴とする光変調器の調整方法を提供する。
以上のように、本発明の一つの態様によれば、低消費電力で、集積化が容易であり、量産に適し、なおかつ信頼性の高い光導波路素子およびその製造方法、ならびにそのような光導波路素子を備えた光受信回路、光変調器を提供することが可能である。
第１の実施形態の光導波路素子における位相調整部の構成を示す断面模式図である。 第２の実施形態の光導波路素子における位相調整部の構成を示す断面模式図である。 （ａ）は図２に示す位相調整部の第１の電極の延長方向に沿った断面模式図、（ｂ）は図２に示す位相調整部の第２の電極の延長方向に沿った断面模式図である。 第３の実施形態の光受信回路における光導波路素子の構成を示す平面模式図である。 （ａ）は図４に示す光導波路素子の偏波分離回路の一例を示す平面模式図、（ｂ）は図４に示す光導波路素子の偏波分離回路の他例を示す平面模式図である。 図４に示す光受信回路における高周波電極およびボンディング電極の構成を示す平面模式図である。 （ａ）は図６中に示すＰ−Ｐ′線に沿う断面図、（ｂ）は図６中に示すＱ−Ｑ′線に沿う断面図である。 図６中に示すＲ−Ｒ′線に沿う断面図である。 第４の実施形態の位相差の調整方法に用いる構成を示す平面模式図である。 第５の実施形態の光変調器における光導波路素子の構成を示す平面模式図である。 第７の実施形態の光変調器における光導波路素子の構成を示す平面模式図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
（光導波路素子およびその製造方法）
〔第１の実施形態〕
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１に示す光導波路素子１Ａについて説明する。なお、図１は、光導波路素子１Ａにおける位相調整部２Ａの構成を示す断面模式図である。
光導波路素子１Ａは、図１に示すように、基板３上に、コア４およびクラッド５により構成された導波路Ｄを備えている。クラッド５は、基板３とコア４との間に設けられた下部クラッド６と、コア４および下部クラッド４０３の上に設けられた上部クラッド７とを有している。コア４は、下部クラッド６上に設けられている。
コア４は、結晶性シリコン（Ｓｉ）層からなる。クラッド５（下部クラッド６および上部クラッド７）は、コア４よりも屈折率が小さいシリカ（ＳｉＯ２）層からなる。光導波路素子１Ａの作製には、例えば、Ｓｉ−ＳｉＯ２−ＳｉからなるＳＯＩ（Silicon on insulator）ウエファを用いることができる。具体的に、このＳＯＩウエファの最上層にあるＳｉ層（ＳＯＩ層）を加工することで、コア４を形成することができる。ＳＯＩウエファを用いた場合、最下層にあるＳｉが基板３となり、中間にある埋め込みＳｉＯ２層が下部クラッド６となる。
導波路Ｄは、このようなＳＯＩ層をコア材料とし、ＳｉＯ２をクラッド材料とする高屈折率差のシリコン導波路に基づいて構成されている。ただし、コア材料およびクラッド材料は、これらの材料に限らず、他の半導体材料、あるいは絶縁体材料を用いてコアおよびクラッドからなる高屈折率差導波路を用いて光導波路素子１Ａを構成することにより、本発明の目的を達成することができる。
なお、本実施形態では、基板３の上平面と平行方向を水平方向とし、基板３の上平面と直交方向を垂直方向とする。各部の幅は水平方向で計測し、各部の高さは垂直方向で計測する。また、ＴＥ偏波は、電界が基板３の上平面と平行である直線偏波状態である。ＴＭ偏波は、磁界が基板３の上平面と平行である直線偏波状態である。
コア４は、矩形の断面を有する。本実施形態では、例えば、コア４の幅を５００ｎｍ、コア４の高さを２２０ｎｍ、コア４の導波方向に沿った長さを５００μｍ〜５ｍｍとする場合を例示する。
コアの高さが２００ｎｍ程度のシリコン導波路では、電界が基板面に平行な直線偏波状態である横電界（ＴＥ）偏波の光が安定に伝搬する。磁界が基板面に平行な直線偏波状態である横磁界（ＴＭ）偏波は、ＴＥ偏波よりも損失が大きくなる傾向がある。
光導波路素子１Ａは、導波路Ｄを伝搬する光の位相を調整する位相調整部２Ａを備えている。位相調整部２Ａは、第１の電極８および第２の電極９と、電気光学（ＥＯ）層１０とを有している。
また、位相調整部２Ａの導波方向の両端には、コア４と同一材料で構成された矩形コアあるいはリブコアを有する接続導波路（図示せず。）が接続されている。接続導波路の幅は、光損失および光反射を低減するため、導波方向に沿ってテーパ状に変化させてもよい。
第１の電極８および第２の電極９は、下部クラッド６上のコア４を挟んだ両側に設けられている。本実施形態では、例えば、コア４と第１の電極８との間およびコア４と第２の電極９との間の間隔が、それぞれ約３００ｎｍである。これらの間隔は、この値に限定されるものではない。コア４の伝搬損失を低減する必要がある場合には、これらの間隔をさらに拡げてもよい。一方、後述するポーリングに要する電圧を低減する必要がある場合には、これらの間隔をさらに狭めてもよい。これらの間隔を狭める場合には、加工精度による制約により最小幅が決まる。量産に適する光描画に基づく加エプロセスでは、現状では約１００ｎｍが最小値となる。
第１の電極８および第２の電極９は、シリコン層に不純物をドーピングすることによって形成された拡散層からなる。不純物のドーピング方法としては、例えば、熱拡散（Thermal Diffusion）法やイオン注入（Ion Implantation）法などを用いることができる。不純物としては、例えばＰ型であれば硼素（Ｂ）、Ｎ型であればリン（Ｐ）などを用いることができる。第１の電極８および第２の電極９には、互いに同一の導電性である場合（双方ともＰ型もしくはＮ型）と、互いに異なる導電性の場合（いずれか一方がＰ型で他方がＮ型）との２通りがある。
ここで、本実施形態の光導波路素子１Ａの製造方法では、第１の電極８および第２の電極９を形成する際に、コア４となるシリコン層と同じ層からなるシリコン層をパターニングし、パターニングされたシリコン層に不純物をドーピングすることによって、コア４と同じ高さの拡散層を形成することができる。
この場合、第１の電極８および第２の電極９をコア４となるシリコン層と同じ層からなるシリコン層を用いて形成できるため、光導波路素子１Ａを製造する際の加工が容易となる。
ＥＯ層１０は、例えば、ソルゲル法により塗布したニオブ酸リチウム（ＬＮ）薄膜あるいはスピンコートしたＥＯポリマ薄膜により形成することができる。ニオブ酸リチウムやＥＯポリマなどのＥＯ材料では、直流（ＤＣ）電圧を印加して永久電気分極を制御することができる。特に、ガラス転移を生ずる材料では、ガラス転移温度よりも高温に熱した状態で直流電圧を印加して電気分極を配向させ、ガラス転移温度よりも低温に冷却して配向された電気分極を固定することにより、永久電気分極を誘起される。また、ガラス転移温度が低い（例えば摂氏１５０度程度）と、環境温度の上昇により永久電気分極が消滅し、所定の性能を満たせなくなる可能性がある。このため、ガラス転移温度は摂氏２００度程度もしくはそれ以上であることが好ましい。
ＥＯ層１０は、コア４の両側面および上面の少なくとも一部と、第１の電極８のコア４と対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、第２の電極９のコア４と対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆うように設けられている。本実施形態では、例えば、ＥＯ層１０の幅を８００ｎｍ〜２０００ｎｍ、ＥＯ層１０の高さを下部クラッド６の上面から４００ｎｍ〜１０００ｎｍとする場合を例示する。なお、ＥＯ層１０の幅及び高さについては、伝搬損失およびポーリング電圧に応じて任意に設定することができる。
第１の電極８は、上部クラッド７を貫通する第１の貫通電極１１を介して上部クラッド７上に設けられた第１の上部電極１２と電気的に接続されている。第２の電極９は、上部クラッド７を貫通する第２の貫通電極１３を介して上部クラッド７上に設けられた第２の上部電極１４と電気的に接続されている。ＥＯ層１０は、上部クラッド７を貫通する第３の貫通電極１５を介して上部クラッド７上に設けられた第３の上部電極１６と電気的に接続されている。
第１の貫通電極１１、第２の貫通電極１３及び第３の貫通電極１５は、ビア（ＶＩＡ）と呼ばれるものであり、上部クラッド７を貫通する孔部に、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等の導電性材料を埋め込むことによって形成することができる。
第１の上部電極１２、第２の上部電極１４及び第３の上部電極１６には、上部クラッド７上に形成された例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）等の金属膜により形成することができる。また、第３の貫通電極１５については、可能であれば、ＥＯ層１０の上面を被覆する面積が５０％以上となるように、ＥＯ層１０との接触面積を拡げて形成することが好ましい。
位相調整部２Ａは、ＥＯ層１０を加熱するヒータとなる一対のヒータ電極１７，１８を有している。一対のヒータ電極１７，１８は、上部クラッド７上の第１の上部電極１２および第２の上部電極１４よりも外側に設けられている。第１の上部電極１２および第２の上部電極１４には、上部クラッド７上に形成された例えばニッケルクローム（ＮｉＣｒ）合金等からなる高抵抗の薄膜によって形成することができる。
位相調整部２Ａでは、ポーリングを行う際に、これら一対のヒータ電極１７，１８に電流もしくは電圧を印加し、発熱させることによって、ＥＯ層１０の周辺のみを局所的に加熱することが好ましい。基板３を加熱すると、導波路Ｄの周辺の構成部分、あるいは導波路Ｄと同一基板上に集積された他の光回路に接続あるいは接着された外部部品や光受光層等も加熱されるため、これらの構成要素にダメージを与える可能性がある。一方、一対のヒータ電極１７，１８が発熱により損傷する可能性がある場合には、基板３を同時に加熱し、ヒータ電極１７，１８に印加する電流あるいは電圧を低減すればよい。ただし、基板３に加える熱量は、上述の構成要素にダメージを与えないように制御する必要がある。
光導波路素子１Ａは、位相調整部２Ａを周囲から熱的に隔離するギャップ部１９を有している。ギャップ部１９は、少なくともクラッド５を深さ方向に切り欠く一対の溝部２０，２１を有している。本実施形態では、一対の溝部２０，２１が基板３に至る深さで形成されている。また、一対の溝部２０，２１は、一対のヒータ電極１７，１８よりも外側に位置している。これにより、一対の溝部２０，２１は、基板３の垂直面および水平面上で位相調整部２Ａを周囲から熱的に隔離している。
さらに、ギャップ部１９は、一対の溝部２０，２１の間に連続して基板３の一部（図１中に破線で示す領域）が除去された空隙部２２を有する構成としてもよい。この場合、ギャップ部１９は、位相調整部２Ａが空隙部２２上を跨ぐ、いわゆる吊り橋型（suspended）となることで、位相調整部２Ａを熱的に隔離するのにさらに有効となる。
本実施形態の光導波路素子１Ａの製造方法では、このような吊り橋型のギャップ部１９を形成する際に、位相調整部２Ａを挟んだ両側にクラッド５から基板３に至る深さで一対の溝部２０，２１をエッチングにより形成する。溝部２０，２１を形成する際は、例えば異方性エッチングを用いることができる。
その後、一対の溝部２０，２１から基板３の一部をエッチングにより選択的に除去することによって、一対の溝部２０，２１の間に連続した空隙部２２を形成する。空隙部２２を形成する際は、シリコン（Ｓｉ）からなる基板３を選択的に除去するため、エッチングガスとして、例えばＳＦ６を用いた反応性イオンエッチングを好適に用いることができる。なお、本実施形態における反応性イオンエッチングの場合、一対の溝部２０，２１の間の領域（図１中に破線で示す領域）だけでなく、実際は一対の溝部２０，２１の周囲に等方的に空隙部２２が拡がることになる。
以上のような構成を有する光導波路素子１Ａでは、ＥＯ層１０の形成後、ポーリングによりＥＯ層１０に永久電気分極を誘起させる。また、ポーリング時には、一対のヒータ電極１７，１８によりＥＯ層１０を局所的に加熱する。また、ポーリング後に加熱を停止し、誘起された永久電気分極を定着させる。位相調整部２Ａでは、ポーリングの時間とＥＯ層１０に印加される電圧によって、ＥＯ層１０に誘起される永久電気分極の大きさを調節し、導波路Ｄを伝搬する光の位相を調整することができる。
具体的に、第１の電極８および第２の電極９が互いに同一の導電性である場合には、第３の上部電極１６及び第３の貫通電極１５を介してＥＯ層１０に直流電圧を印加する。一方、第１の上部電極１２及び第１の貫通電極１１を介して第１の電極８と、第２の上部電極１４及び第２の貫通電極１３を介して第２の電極９とを例えば接地することによって、ゼロ電位に保持する。この状態でポーリングを行うことができる。ポーリング後は、直流電圧の印加を解除する。
第１の電極８および第２の電極９が互いに異なる導電性である場合には、第３の上部電極１６及び第３の貫通電極１５を省略することができる。この場合、第１の上部電極１２及び第１の貫通電極１１を介して第１の電極８と、第２の上部電極１４及び第２の貫通電極１３を介して第２の電極９との間に直流電圧を印加する。この状態でポーリングを行うことができる。ポーリング後は、直流電圧の印加を解除する。
また、第１の電極８および第２の電極９が互いに同一の導電性である場合にも、第３の上部電極１６及び第３の貫通電極１５を省略することができる。この場合、第１の上部電極１２及び第１の貫通電極１１を介して第１の電極８と、第２の上部電極１４及び第２の貫通電極１３を介して第２の電極９との間に直流電圧を印加する。この状態でポーリングを行うことができる。ポーリング後は、直流電圧の印加を解除する。
ＥＯ層１０に分極形成により永久電気分極が生ずると、生じた電界によって結晶原子自体の配置が変わるので、媒質の屈折率が変化する。これにより、コア４から浸み出した光がＥＯ層１０により影響を受けるため、コア４を伝搬する光の位相を遅らせることができる。
本実施形態の光導波路素子１Ａでは、入射光の波長に応じてコア４の実効屈折率が変化するため、位相の微調整が必要になる場合がある。この場合、入射光の波長に応じて、第１の上部電極１２と第２の上部電極１４と第３の上部電極１６とのうち少なくとも１つの上部電極から電圧を印加し、その電圧を調整する。このとき、ＥＯ層１０に電界が加わることによって、分極した結晶原子の配置がさらに歪むため、媒質の屈折率を電気的に調節することができる。(なお、分極により屈折率が大きくなるか又は小さくなるかについては、その構造に依存する。）これにより、位相の微調整が可能である。
また、本実施形態の光導波路素子１Ａでは、温度変動による位相の微調整も同様に可能である。ポリマ材料は半導体および絶縁体とは逆の屈折率の温度依存性を有するため、実効屈折率の温度変化を低減でき、温度変動による位相の微調整を不要もしくは低減できるという利点がある。
本実施形態の光導波路素子１Ａでは、上述したＥＯ層１０が、コア４の両側面および上面の少なくとも一部と、第１の電極８のコア４と対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、第２の電極９のコア４と対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆う構成となっている。
この構成の場合、コア４の周辺、すなわちコア４から浸み出した導波光の強度が強い領域に永久電気分極が効率的に誘起されることによって電界が集中し、結晶原子自体の配置が変わるため屈折率が変化する。また、第１の電極８および第２の電極９の上面の一部を覆う位置までＥＯ層１０が拡張されることによって、ＥＯ層１０の上面を平坦化することが容易となるため、加工精度を向上することができる。さらに、ＥＯ層１０の両側面が第１の電極８および第２の電極９のコア４と対面する側の側面よりも離れているため、ＥＯ層１０の両側面を介した放電が生ずる可能性が低減される。これにより、位相調整部２Ａの放電による破壊の可能性を低減することができる。
また、本実施形態の光導波路素子１Ａでは、上述したＥＯ層１０を加熱するヒータ電極１７，１８を設け、このヒータ電極１７，１８の外側に位相調整部２Ａを周囲から熱的に隔離するギャップ部１９を設けた構成となっている。この構成の場合、位相調整部２Ａを局所的に加熱するのに適した構成とすることが可能である。
さらに、本実施形態の光導波路素子１Ａでは、上述した吊り橋型のギャップ部１９を設けることで、位相調整部２Ａの両側部が一対の溝部２０，２１により熱的に隔離され、位相調整部２Ａの下部が空隙部２２により熱的に隔離された構成となっている。この構成の場合、位相調整部２Ａを熱的に隔離するのにさらに有効となる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図２および図３（ａ），（ｂ）に示す光導波路素子１Ｂについて説明する。なお、図２は、光導波路素子１Ｂにおける位相調整部２Ｂの構成を示す断面模式図である。図３（ａ）は、図２に示す位相調整部２Ｂの第１の電極８の延長方向に沿った断面模式図である。図３（ｂ）は、図２に示す位相調整部２Ｂの第２の電極９の延長方向に沿った断面模式図である。また、以下の説明では、上記光導波路素子１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
光導波路素子１Ｂは、図２に示すように、上記一対のヒータ電極１７，１８を省略する代わりに、第１の電極８および第２の電極９にヒータ（電気抵抗体）としての機能を持たせた構成である。
具体的に、第１の電極８は、図２および図３（ａ）に示すように、上部クラッド７を貫通する第１の貫通電極２３を介して上部クラッド７上に設けられた第１の上部電極２４と電気的に接続されている。また、第１の電極８は、上部クラッド７を貫通する第４の貫通電極２５を介して上部クラッド７上に設けられた第４の上部電極２６と電気的に接続されている。第１の上部電極２４及び第１の貫通電極２３と第４の上部電極２６及び第４の貫通電極２５とは、第１の電極８の延長方向において互いに離間して配置されている。
同様に、第２の電極９は、図２および図３（ｂ）に示すように、上部クラッド７を貫通する第２の貫通電極２７を介して上部クラッド７上に設けられた第２の上部電極２８と電気的に接続されている。また、第２の電極９は、上部クラッド７を貫通する第５の貫通電極２９を介して上部クラッド７上に設けられた第５の上部電極３０と電気的に接続されている。第２の上部電極２８及び第２の貫通電極２７と第５の上部電極３０及び第５の貫通電極２９とは、第２の電極９の延長方向において互いに離間して配置されている。
以上のような構成を有する光導波路素子１Ｂでは、第１の上部電極２４と第４の上部電極２６との間に電圧が印加されて第１の電極８に電流が流れることによって、第１の電極８が発熱する。同様に、第２の上部電極２８と第５の上部電極３０との間に電圧が印加されて第２の電極９に電流が流れることによって、第２の電極９が発熱する。これにより、ＥＯ層１０を加熱することができる。
したがって、位相調整部２Ｂでは、ポーリングを行う際に、第１の電極８および第２の電極９を発熱させることによって、ＥＯ層１０の周辺のみを局所的に加熱することができる。また、第３の上部電極１６及び第３の貫通電極１５を介してＥＯ層１０に直流電圧を印加する。もしくは、第１の電極８と第２の電極９との間に直流電圧差を発生させる。これにより、ポーリングを行うことができる。
以上のように、本実施形態の光導波路素子１Ｂでは、上記の構成以外は上記光導波路素子１Ａと基本的に同じ構成であるため、上記光導波路素子１Ａと同様の効果を得ることが可能である。一方、本実施形態の光導波路素子１Ｂでは、上記一対のヒータ電極１７，１８を省略することによって、より簡便な構成による効率の高いＥＯ層１０に対する局所加熱が可能となる。
以上のように、本実施形態によれば、大容量かつ高速でデータ転送を行う光ファイバ通信において、低消費電力での光波の位相制御を可能とし、集積化に適する光導波路素子１Ａ，１Ｂを提供することが可能である。
また、本実施形態では、ＥＯ層１０を用いて消費電力を低減するとともに、ワイヤボンディング、外部光部品の接着、および受光部との集積化に適した局所加熱を可能とし、かつ低電圧のポーリングを可能とした光導波路素子１Ａ，１Ｂを構成することにより、低消費電力で、集積化が容易であり、量産に適し、なおかつ信頼性の高い集積回路を構成することが可能である。
なお、本実施形態の光導波路素子１Ａ，１Ｂは、ＥＯ効果を用いた位相シフタとして、熱光学（ＴＯ）効果を用いた位相シフタと直列に接続することも可能である。ＴＯ効果ではＥＯ効果よりも位相変化が大きく、導波路長を短縮できる場合がある。よって、伝搬損失を低減すること、あるいはフットプリントを低減することが求められる場合には、両方の位相シフタを直列に接続して利用することも有効である。
（光受信回路）
次に、本発明の実施形態に係る光受信回路について説明する。
光受信回路において、信号光が伝搬する導波路および局発光が伝搬する導波路は、各々１つの入射導波路から複数の導波路に分岐する。このように分岐する導波路が交差部を有しない構成とするためには、信号光が伝搬する導波路と局発光が伝搬する導波路とは、受光部に関して互いに反対側を経由させる必要がある。受光部から出力される電気信号を取り出す際、損失および波形劣化を抑制するためには、チップ上から外に出力を取り出すための電極（例えばワイヤボンディング用の電極パッド）は、チップ端に隣接して設けることが好ましい。そして、受光部と電極パッドとの間は、金属電極で接続される。したがって、当該導波路は金属電極の下を通過することがあり得る。
本実施形態の光受信回路には、第１の実施形態の光導波路素子１Ａまたは第２の実施形態の光導波路素子１Ｂを用いることができる。光導波路素子に使用される導波路は、導波路のコアがシリコン（Ｓｉ）、導波路のクラッドがシリカ（ＳｉＯ２）からなるシリコン導波路であることが好ましい。シリコン導波路は、高屈折率差導波路である。高屈折率差導波路では伝搬光がコアに強く閉じ込められる。このため、金属電極からコアまでの距離（深さ）が１μｍ以上であれば、金属電極の影響は無視（実用可能な程度に抑制）でき、金属電極中の伝導電子による伝搬光の吸収は無視できる。
基板型光導波路素子は、ウエファ上に導波路を形成したのち、ウエファから多数のチップを切り出すことにより生産性良く製造することができる。ウエファからチップを切り出す際の衝撃やチップ端からのひずみの影響を回避するため、導波路のコアはチップ端から５０μｍ以上離しておくことが好ましい。また、ワイヤボンディングの際、ワイヤを金属バッドに接合するため、半田を溶融させる工程がある。この際、超音波または熱の衝撃による導波路の損傷を回避するため、導波路のコアは、ワイヤボンディング用の電極パッドの直下を避けて配置することが好ましい。
光受信回路で用いられる偏波分離のための光回路では、偏波分離用の導波路分岐部（偏波分離部）の後方の二つの導波路のうち、ＴＭ偏波の光が伝搬する導波路に偏波回転導波路（偏波回転部）を接続し、ＴＭ偏波をＴＥ偏波に回転させる。このような偏波分離回路は、ＴＥ偏波およびＴＭ偏波を分離して二つの導波路に伝搬させる偏波分離部と、分離されたＴＭ偏波をＴＥ偏波に回転させる偏波回転部とを含む。偏波回転により、偏波分離回路から出力される信号光は、二つともＴＥ偏波になる。このため、分離後の９０度ハイブリッド回路は二つともＴＥ偏波に対して機能するよう設計することができる。これにより、各々の９０度ハイブリッド回路に共通の構成を適用できるため、従来技術（ＴＭ偏波のまま処理する場合）と比較して設計は簡便になる。
コンパクト且つプラガブルな光トランシーバに光受信回路を内蔵するためには、信号光および局発光が光受信回路に入力される光入力端と、光受信回路から電気信号を取り出す出力パッドとは、各々チップの反対側に配置することが好ましい。異なる偏波間での出力電気信号のスキューを低減するため、異なる偏波間での光信号および電気信号の伝搬時間差を解消するように導波路を配置することが好ましい。上述のように偏波回転をした場合、異なる偏波が分離された後の光信号に対しては、ＴＥ偏波のみの特性が関与する。このため、伝搬時間差は導波路配置のみに依存するので、容易に伝搬時間差を見積もることができる。
光受信回路に入力される光を光ファイバで伝搬させる場合、光トランシーバのパッケージには、光受信回路チップと光ファイバとの接続部を収容する高さが求められる。パッケージの高さを低減するためには、光受信回路チップの端面から基板面に平行に光（信号光および局発光の各々）を入力するよう、光ファイバを設置することが好ましい。光入力端と電気信号の出力パッドを各々光受信回路チップの反対側に設けるためには、信号光を入力する光入力端および局発光を入力する光入力端は、チップの同一の端面に配置することが好ましい。
本実施形態の光受信回路において、光ハイブリッド回路は少なくとも次の要素を含む。
（１）信号光を第１の信号光伝搬用導波路および第２の信号光伝搬用導波路に分岐して伝搬させる第１の光分岐部。
（２）局発光を第１の局発光伝搬用導波路および第２の局発光伝搬用導波路に分岐して伝搬させる第２の光分岐部。
（３）第１の信号光伝搬用導波路を伝搬する信号光と第１の局発光伝搬用導波路を伝搬する局発光とを合波して、互いに干渉させる第１の光合波部。
（４）第２の信号光伝搬用導波路を伝搬する信号光と第２の局発光伝搬用導波路を伝搬する局発光とを合波して、互いに干渉させる第２の光合波部。
（５）第１の局発光伝搬用導波路および第２の局発光伝搬用導波路のいずれか一方または両方に設けられた位相調整部。
この光ハイブリッド回路によれば、位相調整部において二つの局発光伝搬用導波路に分岐して伝搬される局発光に所定の位相差（例えば９０度＝π／２ラジアン）を与えることができる。さらに、信号光と局発光とを光合波器で干渉させることにより、干渉光を出力することができる。各々の光合波部は、一般に差動信号として二つの干渉光を出力する。
光合波部から出力される干渉光を受光するため、受光部が設けられる。受光部は、例えば受光器、光電変換素子等である。受光部は、光信号を電気信号に変換して出力する。受光部から出力される電気信号を伝搬する電極は、光導波路素子の上に設けることができる。このため、光導波路素子に含まれる導波路および光分岐部の一部は、電気信号を伝搬する電極の下方を通過することがある。
光導波路素子において、導波路が交差部を有しない構成とするためには、次の要件を満たすことが好ましい。
（Ａ）第２の光分岐部における局発光の伝搬方向が、第１の光分岐部における信号光の伝搬方向に対向するように、第１の光分岐部および第２の光分岐部が配置される。
（Ｂ）第２の光合波部における出力光の伝搬方向が、第１の光合波部における出力光の伝搬方向と揃うように、第１の光合波部および第２の光合波部が配置される。
（Ａ）の要件を満たすことにより、第１の光分岐部から二つの信号光伝搬用導波路が分岐する方向と、第２の光分岐部から二つの局発光伝搬用導波路が分岐する方向とが、互いに反対になる。すると、二つの信号光伝搬用導波路の間隔が離れた領域に、局発光伝搬用導波路を配置することができる。したがって、導波路を交差させることなく、局発光伝搬用導波路の出射端を、信号光伝搬用導波路の出射端に近づけることができる。
（Ｂ）の要件を満たすことにより、光合波器に対して、信号光伝搬用導波路と局発光伝搬用導波路とを同じ側にある入射端から入射させることができる。また、光合波器において、入射端とは反対側に出射端を設け、出射端に受光部を接続することができる。したがって、例えば２×２分岐の光干渉計を用いて干渉光を生成することができる。
交差部を有しない導波路は、少なくとも、第１の信号光伝搬用導波路、第２の信号光伝搬用導波路、第１の局発光伝搬用導波路および第２の局発光伝搬用導波路である。これらの導波路を含む、光導波路素子において信号光および局発光のいずれか一方または両方が伝搬されるすべての導波路が、基板に対する平面視で互いに重ならないように配置されることが好ましい。
（Ａ）および（Ｂ）の要件を満たすように信号光伝搬用導波路および局発光伝搬用導波路を配置するためには、伝搬方向が信号光伝搬用導波路と揃うように局発光伝搬用導波路を１８０度程度曲げる構成、伝搬方向が局発光伝搬用導波路と揃うように信号光伝搬用導波路を１８０度程度曲げる構成、信号光伝搬用導波路および局発光伝搬用導波路を各々９０度程度、あるいは他の角度だけ曲げる構成等が挙げられる。信号光の損失を抑制するためには、信号光の伝搬方向の変化はなるべく小さくして、局発光の伝搬方向を大きく変化させることが好ましい。例えば、局発光伝搬用導波路が光合波部の側方を経由した後、１８０度曲がり部を介して当該光合波部に接続される構造が挙げられる。
局発光が伝搬する光分岐部（第２の光分岐部）は、各々の受光部に対して、各々の光合波部とは反対側に設けられていることが好ましい。つまり、光合波部の入射端に対する光の伝搬方向に沿う方向において、受光部が各々の光合波部と第２の光分岐部との間に配置されることが好ましい。これにより、第２の光分岐部は、光合波部の出射端と受光部とを接続する接続導波路の長さに比べて、第２の光分岐部と光合波部との距離が長くなるように短く配置される。一つの光合波部が二つの局発光伝搬用導波路の間に配置される場合にも、これらの囲む内側に、当該光合波部と接続される受光部を容易に配置することができる。例えば図４（詳しくは後述する。）において、光分岐部１２１と光合波部１０９の間に受光部１１０および１１１が配置されている。光分岐部１２１から延びる二つの接続導波路１４１および１４２は、光合波部１０９と受光部１１０および１１１の領域を避けるように迂回して配置される。
信号光の二つの偏波成分に信号を多重化した場合、上述の光ハイブリッド回路および受光部を含んで構成される処理部（例えば図４の符号１５０，１５１）が、偏波成分の各々に対して用意される。処理部は、第１の光分岐部と、第２の光分岐部と、第１の光合波部と、第２の光合波部と、第１の受光部と、第２の受光部と、位相調整部とを含む。信号光に含まれる二つの偏波成分は、各々の光ハイブリッド回路に入射される前に、偏波分離回路により分離される。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図４〜図８に示す光受信回路１０１について説明する。なお、図４は、光受信回路１０１を構成する光導波路素子の単一水平面上での模式的構成を示す。
信号光は入射光として入射導波路１２６の一端（入射端）から入射される。入射導波路１２６の他端（出射端）は偏波分離回路１０２の入射端に接続される。偏波分離回路１０２は二つの出射端を有する。これらの出射端には、接続導波路１２７および１２８各々の一端が接続される。
偏波分離回路１０２は、図５（ａ）および図５（ｂ）のように、二通りの構成がある。図５（ａ）の構成では、偏波分離回路１０２は、偏波分離部２０１および偏波回転部２０２を含む。偏波分離回路１０２の入射端は偏波分離部２０１の入射端である。偏波分離部２０１の二つの出射端には接続導波路１２７および２００各々の一端（入射端）が接続される。偏波回転部２０２は偏波分離部２０１の後段に設けられ、偏波回転部２０２の入射端は接続導波路２００の他端（出射端）に接続される。偏波分離回路１０２の出射端の一つは、偏波分離部２０１の二つの出射端のうち、接続導波路１２７に接続された出射端である。偏波分離回路１０２の出射端の他の一つは、偏波回転部２０２の出射端である。ここで、偏波分離部２０１と偏波回転部２０２との間を接続する接続導波路２００を接続導波路１２８の一部と考えれば、接続導波路１２８中に偏波回転部２０２が挿入されると理解することもできる。
図５（ｂ）の構成では、偏波分離回路１０２は、偏波回転部２０３および偏波分離部２０４を含む。偏波回転部２０３は偏波分離部２０４の前段に挿入される。偏波分離回路１０２の入射端は偏波回転部２０３の入射端である。偏波回転部２０３の出射端は接続導波路２０５の一端（入射端）に接続され、接続導波路２０５の他端（出射端）は偏波分離部２０４の入射端に接続される。ここで、偏波回転部２０３および偏波分離部２０４との間を接続する接続導波路２０５を入射導波路１２６の一部と考えれば、入射導波路１２６中に偏波回転部２０３が挿入されると理解することもできる。偏波分離部２０４の二つの出射端には接続導波路１２７および１２８各々の一端（入射端）が接続される。偏波分離回路１０２の二つの出射端は、偏波分離部２０４の二つの出射端である。
各々の偏波分離回路１０２の構成において、入射光のＴＥ偏波成分がＴＥ偏波の導波光として接続導波路１２７の一端（入射端）が接続された出射端より出射される。入射光のＴＭ偏波成分は、ＴＥ偏波成分に変換され、ＴＥ偏波の導波光として接続導波路１２８の一端が接続された出射端より出射される。ＴＥ偏波とは、電界が基板（図７（ｂ）の符号４０１参照）の上平面と平行である直線偏波状態を指し、ＴＭ偏波とは、磁界が基板の上平面と平行である直線偏波状態を指す。以下の説明では、基板の上平面と平行である方向を水平方向と定義し、基板の上平面と直交する方向を垂直方向と定義する。幅は水平方向で計測され、高さは垂直方向で計測される。図４〜図８は紙面が水平方向となるように作成されている。
図５（ａ）の構成では、偏波分離部２０１には、例えば、参考文献１（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．１７，ｎｏ．１，ｐｐ．１００−１０２，２００５）に開示されている、リブ導波路で構成された方向性結合器を用いることができる。寸法の一例として、リブ導波路のコア頂上部の幅は５００ｎｍ、コア底面からコア頂上部までの高さは２２０ｎｍ、導波路間の間隙（ギャップ）は３００ｎｍ、方向性結合器の結合長は３００μｍとする例が挙げられる。偏波回転部２０２には、非対称リブ導波路を用いることができる（例えば未公開の特願２０１３−１３５４９２参照）。偏波回転部２０２の入射端に入射されたＴＭ偏波の導波光は、９０度偏波が回転し、ＴＥ偏波の導波光に変換され、偏波回転部２０２の出射端より出射される。
図５（ｂ）の構成では、例えば、高次の導波光が伝搬するリブ導波路を用いて偏波回転部２０３を構成することができる。高次の導波光が伝搬するリブ導波路では、垂直方向の導波路コア断面の非対称性により、入射光のＴＭ偏波成分が高次のＴＥ偏波成分の導波光へと変換される。入射光のＴＥ偏波成分は変換を受けることなく基本次のＴＥ偏波成分の導波光となる。非対称リブ導波路方向性結合器を用いた偏波分離部２０４を通すと、基本次のＴＥ偏波の導波光と高次のＴＥ偏波の導波光とは分離される。さらに、分離後の導波路において、高次のＴＥ偏波を基本次のＴＥ偏波として伝搬させることができる（未公開の特願２０１３−１３５４９０参照）。
以上の偏波分離回路１０２によれば、入射導波路を伝搬する入射光が、基本次のＴＥ偏波成分と基本次のＴＭ偏波成分を含む場合に、ＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とを分離することができる。さらに、各々の成分を、偏波分離回路１０２の二つの出射端から基本次のＴＥ偏波の導波光として、異なる接続導波路１２７および１２８に伝搬させることができる。
次に、図４に戻って光受信回路１０１の説明を続ける。光合波部１０５、１０９、１１３および１１７は、各々２つの入射端および２つの出射端を有する。一方の入射端は信号光用の入射端であり、他方の入射端は局発光用の入射端である。一方（信号光用）の入射端には、各々信号光が伝搬する接続導波路１２９〜１３２が接続される。他方（局発光用）の入射端には、各々局発光が伝搬する接続導波路１４１〜１４４が接続される。光合波部１０５、１０９、１１３および１１７において信号光と局発光とが合波して生じた干渉光は、各々２つの出射端から出力される。
接続導波路１２７の他端（出射端）は光分岐部１０３の入射端に接続される。光分岐部１０３は二つの出射端を有する。光分岐部１０３の一方の出射端には接続導波路１２９の一端が、他方の出射端には接続導波路１３０の一端が各々接続される。接続導波路１２９の他端は光合波部１０５の一方（信号光用）の入射端に接続される。接続導波路１３０の他端は光合波部１０９の一方（信号光用）の入射端に接続される。
接続導波路１２８の他端（出射端）は光分岐部１０４の入射端に接続される。光分岐部１０４は二つの出射端を有する。光分岐部１０４の一方の出射端には接続導波路１３１の一端が、他方の出射端には接続導波路１３２の一端が各々接続される。接続導波路１３１の他端は光合波部１１３の一方（信号光用）の入射端に接続される。接続導波路１３２の他端は光合波部１１７の一方（信号光用）の入射端に接続される。
ＴＥ偏波の局発光は入射導波路１４７の一端（入射端）から入射される。入射導波路１４７中に位相調整部１２４が挿入される。位相調整部１２４には、例えば、参考文献２（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｖｏｌ．２６，ｎｏ １４，ｐｐ．２２３５−２２４４，２００８）に開示された矩形導波路を用いた熱光学位相調整器を用いることができる。位相調整部１２４の構成としては、これに限らず、リブ導波路を用いることもできる。
入射導波路１４７の他端（出射端）は光分岐部１２３の入射端に接続される。光分岐部１２３の二つの出射端各々には、接続導波路１４５および１４６各々の一端（入射端）が接続される。
接続導波路１４５の他端（出射端）は光分岐部１２１の入射端に接続される。光分岐部１２１の二つの出射端は各々接続導波路１４１および１４２の一端と接続される。接続導波路１４１の他端は光合波部１０５の他方（局発光用）の入射端に接続される。接続導波路１４１中に位相調整部１０８が挿入される。接続導波路１４２の他端は光合波部１０９の他方（局発光用）の入射端に接続される。接続導波路１４２中に位相調整部１１２が挿入される。
接続導波路１４６の他端（出射端）は光分岐部１２２の入射端に接続される。光分岐部１２２の二つの出射端は各々接続導波路１４３および１４４の一端と接続される。接続導波路１４３の他端は光合波部１１３の他方（局発光用）の入射端と接続される。位相調整部１１６が接続導波路１４３中に挿入される。接続導波路１４４の他端は光合波部１１７の他方（局発光用）の入射端に接続される。位相調整部１２０が接続導波路１４４中に挿入される。
位相調整部１０８、１１２、１１６および１２０は、位相調整部１２４と同じ構成を有してもよく、異なる構成でもよい。また、位相調整部１０８、１１２、１１６および１２０が互いに同一の構成を有してもよく、異なる構成でもよい。これらの位相調整部１０８、１１２、１１６、１２０および１２４には、第１の実施形態の光導波路素子１Ａにおける位相調整部２Ａまたは第２の実施形態の光導波路素子１Ｂにおける位相調整部２Ｂを用いることができる。
入射光のＴＥ偏波成分の順位相（Ｉ）成分および直交位相（Ｑ）成分各々と局発光との干渉により、コヒーレント光受信信号のＩ成分およびＱ成分が生ずる。位相調整部１０８もしくは１１２に印加する電流もしくは電圧の調節により、Ｉ成分およびＱ成分の間での位相差がπ／２に保持され、ＴＥ偏波成分の信号のクロストークが除去される。
位相調整部１０８もしくは１１２のいずれか一つを駆動するだけで前記位相差を保持することができるので、位相調整部１０８もしくは１１２のいずれかを省略してもよい。位相調整部１０８および１１２を両方とも設けると、コヒーレント光受信信号のＩ成分およびＱ成分の対応関係を互いに反転させることができるため、システム構成の自由度が増す。光受信回路１０１に求められる仕様に応じて、位相調整部１０８および１１２を両方とも設けるか、いずれか一方を省略するか、選択すればよい。位相調整部１０８もしくは１１２に微調整のための電圧を印加して、前記位相差の精度をさらに向上することができる。
同様に、入射光のＴＭ偏波成分の順位相（Ｉ）成分および直交位相（Ｑ）成分各々と局発光との干渉により、コヒーレント光受信信号のＩ成分およびＱ成分が生ずる。位相調整部１１６もしくは１２０に印加する電流もしくは電圧の調節により、Ｉ成分およびＱ成分の間での位相差がπ／２に保持され、ＴＭ偏波成分の信号のクロストークが除去される。位相調整部１０８もしくは１１２と同様に、位相調整部１１６もしくは１２０のいずれかを省略してもよい。
位相調整部１２４を用いて、各偏波成分のコヒーレント光受信信号のＩ成分およびＱ成分の間での位相差の制御とは独立して、局発光の位相を入射光の位相に対して制御させることができる。光受信回路１０１の構成を簡便にする場合、位相調整部１２４を省略してもよい。
光合波部１０５の一方の出射端には接続導波路１３３の一端が接続され、接続導波路１３３の他端は受光部１０６の入射端に接続される。光合波部１０５の他方の出射端には接続導波路１３４の一端が接続され、接続導波路１３４の他端には受光部１０７の入射端が接続される。受光部１０６および１０７では、ＴＥ偏波成分のコヒーレント光受信信号のＩ成分の正および負極性の電気信号ＴＥ／Ｉ＋およびＴＥ／Ｉ−が各々発生する。
光合波部１０９の一方の出射端には接続導波路１３５の一端が接続され、接続導波路１３５の他端は受光部１１０の入射端に接続される。光合波部１０９の他方の出射端には接続導波路１３６の一端が接続され、接続導波路１３６の他端には受光部１１１の入射端が接続される。受光部１１０および１１１では、ＴＥ偏波成分のコヒーレント光受信信号のＱ成分の正および負極性の電気信号ＴＥ／Ｑ＋およびＴＥ／Ｑ−が各々発生する。
光合波部１１３の一方の出射端には接続導波路１３７の一端が接続され、接続導波路１３７の他端は受光部１１４の入射端に接続される。光合波部１１３の他方の出射端には接続導波路１３８の一端が接続され、接続導波路１３８の他端には受光部１１５の入射端が接続される。受光部１１４および１１５では、ＴＭ偏波成分のコヒーレント光受信信号のＩ成分の正および負極性の電気信号ＴＭ／Ｉ＋およびＴＭ／Ｉ−が各々発生する。
光合波部１１７の一方の出射端には接続導波路１３９の一端が接続され、接続導波路１３９の他端は受光部１１８の入射端に接続される。光合波部１１７の他方の出射端には接続導波路１４０の一端が接続され、接続導波路１４０の他端には受光部１１９の入射端が接続される。受光部１１８および１１９では、ＴＭ偏波成分のコヒーレント光受信信号のＱ成分の正および負極性の電気信号ＴＭ／Ｑ＋およびＴＭ／Ｑ−が各々発生する。
導波路交差を回避するため、入射光が伝搬する方向に対して、局発光は逆方向から導かれる。入射光のＴＥ偏波成分の一部の要素に対して、図４に示された経路の特徴を説明する。入射光のＴＥ偏波成分の一部の要素が接続導波路１２９から光合波部１０５の一方の入射端に入射する方向に対して、逆方向から局発光の一部の要素が接続導波路１４１中を導かれる。接続導波路１４１は１８０度曲がり部１４１ａを有する。接続導波路１４１を伝搬する局発光の一部の要素は、接続導波路１２９を伝搬する入射光の一部の要素と同方向に伝搬方向を反転した後、光合波部１０５の他方の入射端から光合波部１０５に入射する。
接続導波路１４１は高屈折率差導波路からなるため、曲げ損失の増加を招くことなく、１８０度曲がり部１４１ａの曲率半径を５μｍ程度にまで縮小できる。このため、光受信回路１０１のフットプリントを縮小することが可能である。接続導波路１４１の導波方向に沿う長さも短縮され、伝搬損失も低減され、光受信回路１０１の光損失を低減することができる。二つの９０度曲がり部を直列に接続して１８０度曲がり部を構成することもできる。
接続導波路１４１は光合波部１０５および光合波部１０９各々の側壁の間に設けられる。光受信回路１０１のフットプリントを低減するには、光合波部１０５と光合波部１０９との間隔をできるだけ短縮する必要がある。しかし、接続導波路１４１からの光漏洩を避けるため、接続導波路１４１の一方の側壁と光合波部１０５の一方の側壁との間隔および接続導波路１４１の他方の側壁と光合波部１０９の一方の側壁との間隔を少なくとも２μｍ程度確保することが望ましい。
入射光のＴＥ偏波成分の他の要素および入射光のＴＭ偏波成分の各要素の経路に対しても、同様の特徴がある。例えば、入射光の一部の要素が接続導波路１３０、１３１および１３２から光合波部１０９、１１３および１１７の一方の入射端に入射する方向に対して、逆方向から局発光の一部の要素が接続導波路１４２、１４３および１４４中を導かれる。接続導波路１４２、１４３および１４４は各々１８０度曲がり部１４２ａ、１４３ａおよび１４４ａを有する。接続導波路１４２、１４３および１４４を伝搬する局発光の一部の要素は接続導波路１３０、１３１および１３２を伝搬する入射光の一部の要素と同方向に伝搬方向を反転した後、光合波部１０９、１１３および１１７の他方の入射端に入射する。
図４では、入射導波路１４７の入射端１４８と入射導波路１２６の入射端１２５は光受信回路１０１の同一の端面１０１ａ上にある。導波路交差を回避するため、入射導波路１４７は二つの９０度曲がり部１４７ａおよび１４７ｂを有する。入射導波路１４７の入射端は、必ずしも入射導波路１２６の入射端と同一の端面上に存在する必要はない。入射導波路１２６の入射端１２５が存在する光受信回路１０１の端面１０１ａを垂直方向の正面とすると、入射導波路１４７の入射端は、垂直方向の正面の端面１０１ａと接触する垂直方向の二つの側端面１０１ｂ，１０１ｃのいずれかの上に位置してもよい。この場合、入射導波路１４７は一つの９０度曲がり部を有する。入射導波路１４７の入射端を設ける端面は光受信回路１０１を内蔵する筐体の構成に応じて選択すればよい。
局発光の伝搬損失が経路によって異なると、コヒーレント光受信信号の強度がＴＥおよびＴＭ偏波成分間、あるいはＩおよびＱ成分間で異なってしまい、受信エラーの要因となる。接続導波路１４５および接続導波路１４１からなる経路、接続導波路１４５および接続導波路１４２からなる経路、接続導波路１４６および接続導波路１４３からなる経路、接続導波路１４６および接続導波路１４４からなる経路、これら四つの経路に対して、伝搬損失がすべて等しくなるよう、各接続導波路の導波方向の長さを設定することが好ましい。例えば、接続導波路１４５および１４６を互いに等長とし、接続導波路１４１〜１４４を互いに等長とする。このため、光分岐部１２１〜１２３は、光合波部１０５、１０９、１１３、１１７が位置する水平面と同一の平面上で、受光部１０６、１０７、１１０、１１１、１１４、１１５、１１８および１１９に対して、光合波部１０５、１０９、１１３，１１７とは反対側の領域に設けられる。
同じ理由により、入射光の四つの経路に対して伝搬損失を等化することが好ましい。例えば、接続導波路１２７および１２８を互いに等長とし、接続導波路１２９〜１３２を互いに等長とする。
次に、各部寸法等の具体例を挙げるが、本発明はこの具体例に限定されるものではない。接続導波路１２７〜１４６および入射導波路１２６，１４７のコアは、導波光の伝搬方向と直交する面内において、幅５００ｎｍ、高さ２２０ｎｍの矩形断面を有する。光分岐部１０３、１０４および１２３は、幅１５００ｎｍ、導波方向に沿う長さ１８００ｎｍおよび高さ２２０ｎｍを有するスラブ導波路からなる１×２多モード干渉計である。二つの出射端各々の中心間の間隔は８００ｎｍである。光合波部１０５、１０９、１１３および１１７は、幅１５００ｎｍ、導波方向に沿う長さ３６００ｎｍおよび高さ２２０ｎｍを有するスラブ導波路からなる２×２多モード干渉計である。二つの入射端および二つの出射端各々の中心間の間隔は８００ｎｍである。１×２および２×２多モード干渉計については、これらの寸法に限らず、例えば、参考文献３（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ｖｏｌ．３４，ｎｏ．３０，ｐｐ．６８９８−６９１０，１９９５）の記載に従い、設計することができる。
図６に模式的に示した構成により、受光部１０６、１０７、１１０、１１１、１１４、１１５、１１８および１１９で発生する電気信号ＴＥ／Ｉ＋、ＴＥ／Ｉ−、ＴＥ／Ｑ＋、ＴＥ／Ｑ−、ＴＭ／Ｉ＋、ＴＭ／Ｉ−、ＴＭ／Ｑ＋、ＴＭ／Ｑ−は、受光部１０６、１０７、１１０、１１１、１１４、１１５、１１８および１１９に接続された高周波信号電極３１０〜３１７を通じ、高周波信号電極３１０〜３１７に接続されたボンディング電極３０１〜３０８から出力される。高周波信号電極３１０〜３１７およびボンディング電極３０１〜３０８は光受信回路１０１の上面に設けられる。
ＴＥ偏波成分に関して個別に列記すると次のとおりである。高周波信号電極３１０およびボンディング電極３０１は、受光部１０６で発生するＴＥ／Ｉ＋の伝搬に使用される。高周波信号電極３１１およびボンディング電極３０２は、受光部１０７で発生するＴＥ／Ｉ−の伝搬に使用される。高周波信号電極３１２およびボンディング電極３０３は、受光部１１０で発生するＴＥ／Ｑ＋の伝搬に使用される。高周波信号電極３１３およびボンディング電極３０４は、受光部１１１で発生するＴＥ／Ｑ−の伝搬に使用される。
ＴＭ偏波成分に関して個別に列記すると次のとおりである。高周波信号電極３１４およびボンディング電極３０５は、受光部１１４で発生するＴＭ／Ｉ＋の伝搬に使用される。高周波信号電極３１５およびボンディング電極３０６は、受光部１１５で発生するＴＭ／Ｉ−の伝搬に使用される。高周波信号電極３１６およびボンディング電極３０７は、受光部１１８で発生するＴＭ／Ｑ＋の伝搬に使用される。高周波信号電極３１７およびボンディング電極３０８は、受光部１１９で発生するＴＭ／Ｑ−の伝搬に使用される。
高周波特性を維持するためには、ボンディング電極３０１〜３０８に接続されるリード線の長さを短縮することが好ましい。そのため、ボンディング電極３０１〜３０８は光受信回路１０１の後面の端面１０１ｄに隣接して設けられている。入射光および局発光の入射端１２５，１４８と電気信号の出射端（ボンディング電極３０１〜３０８）とが別々の端面１０１ａおよび１０１ｄに分離されているので、光受信回路１０１を内蔵する筐体の前面に信号光の入射端を、後面に電気信号の出射端を各々設けることが容易となり、小型のプラガブル光送受信機への応用に適する。
高周波信号電極３１０〜３１７は、両側を接地電極に挟まれたコプレナ導波路の信号電極である。信号電極の幅は１０μｍ、接地電極とのギャップの幅は６μｍであり、インピーダンスを５０Ωとして設計されている。図６のように、局発光が伝搬する接続導波路１４１〜１４６および入射導波路１４７の上を高周波信号電極３１２〜３１７が通過する。
図６の破線ＰＰ’を含む垂直面において、光受信回路１０１の断面を図７（ａ）に模式的に示す。基板４０１上に下部クラッド４０２、入射導波路１４７のコア部、上部クラッド４０３および高周波信号電極３１７が設けられている。接地電極４０４および４０５は高周波信号電極３１７と同じく、上部クラッド４０３の上に設けられている。
基板４０１は結晶性シリコンからなる。基板４０１への導波光の漏洩を防止するため、下部クラッド４０２の高さは２μｍ以上とする。光受信回路１０１の上側への導波光の漏洩を避けるには上部クラッド４０３の高さは１μｍ以上であることが好ましい。図７（ａ）において、高周波信号電極３１７と接地電極４０４および４０５による光吸収を避けるには、上部クラッド４０３の高さは２μｍ以上であることが好ましい。高周波信号電極３１７と接地電極４０４および４０５はアルミニウムからなり、電気信号の減衰を避けるため、これらの高さは１μｍ以上とする。
図６の破線ＱＱ’を含む垂直面における光受信回路１０１の断面を図７（ｂ）に模式的に示す。上部クラッド４０３上に接地電極４０６が存在する。図６では、接地電極４０４、４０５および４０６は表示されていない。上部クラッド４０３の上面は平たんでなく、各接続導波路の上部が盛り上がるなど、起伏が生ずる。各高周波信号電極が起伏のため断線する可能性がある。必要ならば、研磨により上部クラッド４０３の上面を平坦化する。基板４０１上に形成される光導波路素子４１０は、コア４１１とクラッド（下部クラッド４０２および上部クラッド４０３）から構成される。図４の接続導波路１２７〜１４６、入射導波路１２６および１４７は、下部クラッド４０２の上に形成されるコア４１１の配置を示す。
受光部１０６〜１１９はすべて同じ構成を有することができる。破線ＲＲ’を含む垂直面において、受光部１１９を含む光受信回路１０１の断面模式図を図８に示す。接続導波路１４０の両側にはＳｉコンタクト層５０１および５０２が、接続導波路１４０の上にはゲルマニウム（Ｇｅ）からなる光吸収層５０６が各々設けられている。Ｓｉコンタクト層５０１はビア（ＶＩＡ）５０３を介して接地電極４０４に接続される。Ｓｉコンタクト層５０２はビア（ＶＩＡ）５０５を介して接地電極４０５に接続される。光吸収層５０６はビア（ＶＩＡ）５０４を介して高周波信号電極３１７に接続される。類似の構成は参考文献４（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｖｏｌ．１６，ｎｏ．１，ｐｐ．３０７−３１５，２０１０）に開示されている。
本実施形態の導波路構成を用いて、交差導波路を含まず、小型で光損失が低く、かつ高周波特性に優れた光受信回路１０１を提供することができる。本光受信回路１０１はデジタルコヒーレント向け小型プラガブル光送受信機に好適である。
局発光の出力が低い場合には、信号光である入射光を入射導波路１４７の入射端１４８より入射し、局発光を入射導波路１２６の入射端１２５より入射させてもよい。この場合にも、本実施形態に記載の効果が得られる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態として、上記第３の実施形態に記載の光受信回路１０１において、ＴＥおよびＴＭ偏波成分各々のＩ成分とＱ成分との位相差を調節する方法について説明する。さらに、位相差調節情報をメモリに格納した光受信回路１０１の構成について説明する。位相差調整方法の構成の例として、処理部１５０に対する位相差調整方法の構成の概要図を図９に示す。ここで使用される光受信回路１０１の構成は、図７および図６と同様であるが、図９では一部を省略して、本実施形態の説明で参照される部分のみを示す。
単一モードで発信する波長可変レーザ６０１からの連続光をビームスプリッタ６０２で二つの経路６０３，６０４に分岐する。一方の経路６０３からの連続光が入射光として入射導波路１２６の入射端１２５から光受信回路１０１に入射される。他方の経路６０４からの連続光は周波数シフタ６０５を通して周波数シフトされ、局発光として入射導波路１４７の入射端１４８から光受信回路１０１に入射される。周波数シフタ６０５として、例えば、音響光学周波数シフタあるいはＥＯ周波数シフタを用いることができる。周波数シフト量は前記連続光のスペクトル線の周波数幅よりも約５倍以上大きく、かつ本実施形態において使用するＲＦロックインアンプ６１３の応答周波数帯域にある。周波数シフト量の具体例は、例えば、１０ＭＨｚである。入射光と局発光との干渉の結果、周波数シフトに等しい周波数のヘテロダインビートが発生する。
入射光のＴＥ偏波成分におけるＩ成分とＱ成分との位相差をπ／２に調整するための手順を説明する。ボンディング電極３０１および３０２から出力されるＩ成分の電気信号ＴＥ／Ｉ＋およびＴＥ／Ｉ−が第１の差動増幅器６１１の正および負入力端に各々入力される。第１の差動増幅器６１１から出力される電気信号が参照信号としてＲＦロックインアンプ６１３に入力される。ボンディング電極３０３および３０４から出力されるＱ成分の電気信号ＴＥ／Ｑ＋およびＴＥ／Ｑ−が第２の差動増幅器６１２の正および負入力端に各々入力され、第２の差動増幅器６１２から出力される電気信号が入力信号としてＲＦロックインアンプ６１３に入力される。
ＲＦロックインアンプ６１３で検出されるヘテロダインビートの位相がπ／２に一致するよう、位相調整部１０８もしくは１１２に印加する直流電流もしくは直流電圧を調整する。ＴＭ成分に対して、同様に調整することができる。参照信号をＱ成分の電気信号、入力信号をＩ成分の電気信号としてもよい。この場合、Ｉ成分とＱ成分との位相差は−π／２に一致するよう調整する。
入射光の波長変化あるいは温度変化により、導波路の実効屈折率が変化し、位相調整部に印加する電流もしくは電圧を調整するには、使用する各波長あるいは温度に応じて各位相調整部に印加する電流もしくは電圧を指定する必要がある。そこで、波長可変レーザ６０１の波長あるいは光受信回路１０１の周囲の温度を変化させ、各波長あるいは温度でＩ成分とＱ成分との位相差をπ／２に保持するために必要な電流値もしくは電圧値を記録する。記録した電流値もしくは電圧値をルックアップテーブルとしてメモリに格納する。ルックアップテーブルを格納したメモリ６２１を搭載した制御ボード（制御基板６２０）を光受信回路１０１に接続し、波長あるいは温度の変化に対応して位相調整部１０８もしくは１１２を制御することにより、ＩＱ成分間の位相差をπ／２に保持することができる。
制御基板６２０は、位相調整部１０８もしくは１１２に印加する電流もしくは電圧を制御する制御部６２２を有する。制御部６２２と光受信回路１０１との間には、配線６２３もしくは６２４が設けられる。光受信回路１０１は、位相調整部１０８もしくは１１２に印加する電流もしくは電圧が入力されるボンディング電極３２１もしくは３２２と、前記印加する電流もしくは電圧が伝搬する電極３２３もしくは３２４を有する。ボンディング電極３２１もしくは３２２と配線６２３もしくは６２４との間はワイヤボンディングで接続することができる。配線６２３、ボンディング電極３２１および電極３２３は、制御部６２２と位相調整部１０８との間を接続するために設けられる。配線６２４、ボンディング電極３２２および電極３２４は、制御部６２２と位相調整部１１２との間を接続するために設けられる。
連続した入射光に対し、連続した局発光に周波数シフトを印加する手段６００は、波長可変レーザ６０１、ビームスプリッタ６０２、二つの経路６０３，６０４、周波数シフタ６０５を含む。参照信号および入力信号からヘテロダインビートの位相を検出する手段６１０は、差動増幅器６１１および６１２、ＲＦロックインアンプ６１３、配線６１４〜６１９を含む。これらの手段６００および６１０は、位相差の調整工程が完了した後には、光受信回路１０１から除去することができる。
配線６１４〜６１９について個別に接続すれば、次のとおりである。配線６１４はボンディング電極３０１と第１の差動増幅器６１１の正入力端との間を接続し、配線６１５はボンディング電極３０２と第１の差動増幅器６１１の負入力端との間を接続する。配線６１６はボンディング電極３０３と第２の差動増幅器６１２の正入力端との間を接続し、配線６１７はボンディング電極３０４と第２の差動増幅器６１２の負入力端との間を接続する。配線６１８は、第１の差動増幅器６１１から出力される電気信号をＲＦロックインアンプ６１３に入力する。配線６１９は、第２の差動増幅器６１２から出力される電気信号をＲＦロックインアンプ６１３に入力する。
メモリ６２１および制御部６２２を備える制御基板６２０は、光受信回路１０１が信号光を受信する際、光受信回路１０１の位相調整部１０８もしくは１１２に接続される。制御部６２２は、波長あるいは温度の変化に対応して位相調整部１０８もしくは１１２を制御する。この際、メモリ６２１に格納されたルックアップテーブルを参照して、位相調整部に印加する電流もしくは電圧を指定することにより、波長あるいは温度が変化してもＩＱ成分間の位相差をπ／２に保持することができる。制御基板６２０は、信号光の波長の変化に関する信号を制御部６２２に入力する手段、光受信回路１０１の周囲の温度に関する信号を制御部６２２に入力する手段の一方または両方を含むことができる。光受信回路１０１の周囲の温度をリアルタイムに測定するため、光受信回路１０１上または近傍に温度センサを設けることができる。
入射光のＴＭ偏波成分におけるＩ成分とＱ成分との位相差をπ／２に調整するための手順も、ＴＥ偏波成分の場合と同様である。この場合、ボンディング電極３０１および３０２から出力されるＩ成分の電気信号ＴＥ／Ｉ＋およびＴＥ／Ｉ−の代わりに、ボンディング電極３０５および３０６から出力されるＩ成分の電気信号ＴＭ／Ｉ＋およびＴＭ／Ｉ−が使用される。また、ボンディング電極３０３および３０４から出力されるＱ成分の電気信号ＴＥ／Ｑ＋およびＴＥ／Ｑ−の代わりに、ボンディング電極３０７および３０８から出力されるＱ成分の電気信号ＴＭ／Ｑ＋およびＴＭ／Ｑ−が使用される。
ＴＭ偏波成分におけるＩＱ成分間の位相差調整を行う場合、メモリ６２１および制御部６２２は、位相調整部１０８および１１２の代わりに、位相調整部１１６および１２０（図４参照）に接続される。位相調整部１１６および１２０の制御に使用されるメモリ６２１および制御部６２２は、位相調整部１０８および１１２の制御に使用されるメモリ６２１および制御部６２２と同一の制御基板６２０に設けられることが好ましい。ＴＥ偏波成分用およびＴＭ偏波成分用のメモリ６２１および制御部６２２が別々に設けられてもよい。同一のメモリ６２１および制御部６２２がＴＥ偏波成分用およびＴＭ偏波成分用に使用されてもよい。制御基板６２０は、位相調整部１２４の制御に使用される制御部をさらに備えることもできる。
以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
位相差調整方法において、本実施形態では光源として波長可変レーザを使用したが、本調整方法はこれに限定されない。波長の変化に対応しない場合には単一波長レーザを使用してもよい。波長の変化に対応する場合でも、波長の異なる２以上の光源を組み合わせて使用することが可能である。この場合は、異なる波長に対して位相差を調整するごとに、光受信回路１０１の入射端に接続される光源を切り替えればよい。
本実施形態では、同一の光源から出射された光を２つの経路に分岐したが、本調整方法はこれに限定されない。連続した入射光を発生する光源と、連続した局発光を発生する光源とを別々に設けることも可能である。この場合、ビームスプリッタを省略することができる。また、２つの光源から出力される連続光の波長が異なれば、周波数シフタを省略することができる。しかし、本実施形態のように、光源として１つの波長可変レーザを使用することにより、異なる波長での位相差調整を容易に行うことができる。
本実施形態では、局発光が伝搬する経路に周波数シフタを設けたが、その代わりに、入射光が伝搬する経路に周波数シフタを設けてもよい。また、両方の経路にそれぞれ周波数シフタを設けてもよい。ヘテロダインビートの位相を検出する手段としては、ＲＦロックインアンプに限らず、例えば、約１００ＫＨｚ以下（ＲＦより低い周波数）で動作する、通常のロックインアンプなど、公知の位相検出器を用いることもできる。光信号の変調等に用いられる電気信号は、信号速度の高速化のためには、高周波信号であることが好ましいが、本発明が高周波（ＲＦ）用に限定されるものではない。
（光変調器）
次に、本発明の実施形態に係る光変調器について説明する。
本実施形態の光変調器には、第１の実施形態の光導波路素子１Ａまたは第２の実施形態の光導波路素子１Ｂを用いることができる。本実施形態の光変調器を構成する光導波路素子では、偏波多重のための光回路の前まではＴＥ偏波の光が伝搬する。偏波多重光回路に含まれる偏波回転部を通してＴＥ偏波がＴＭ偏波へと回転され、ＴＥ偏波の導波光がＴＭ偏波の導波光へと変換される。ＴＭ偏波の導波光は偏波合波部でＴＥ偏波の導波光と合波される。
シリコン導波路を用いた光変調器では、シリコン導波路の実効屈折率を変化させて光変調を行うために、ＰＮ接合が形成された高速位相変調部を設け、高速位相変調部に高速電気信号を印加して高ビットレートの光信号を発生する。
さらに、光位相変調器の位相状態および光強度変調器の強度交差点の制御のために、モニタ用受光部を集積して、光変調器を小型化・高機能化する。
光変調器に集積化されるモニタ用受光部あるいは光受信回路に集積化される受光部では、ゲルマニウム薄膜あるいは化合物半導体薄膜を光受光層として利用する。上述のガラス転移温度が高いと、基板全体を高温に熱することにより、ＰＮ接合のドーパントが再拡散してドーピングプロファイルが崩れたり、光受光層に転移や欠が発生する。さらに、外部光学部品を固定する接着材やワイヤボンディングが損傷する。そのため、ＥＯ材料を有する位相調整部が周辺の領域とは熱的に隔離され、周囲の温度上昇は、上述のようなＰＮ接合、受光部および外部光学部品の接着部に損傷を与えないレベルに抑えられる必要がある。
位相変調部に正弦波信号を印加し、受光部から出力される正弦波電気信号の強度および位相、さらに、光変調器では、出射端からの出力光の強度および位相を測定することにより、ポーリングにより誘起される永久電気分極を適正値に設定することができる。
〔第５の実施形態〕
次に、本発明の第５の実施形態として、例えば図１０に示す光変調器９０１について説明する。なお、図１０は、光変調器９０１を構成する光導波路素子の単一水平面上での模式的構成を示す。
波長可変レーザからの単一縦モードの連続光は、ＴＥ偏波の入射光として、入射導波路９４０の一端（入射端）より入射される。入射光の波長は、所定の波長に設定する。入射導波路９４０の他端（出射端）は、光分岐部９０２の入射端に接続される。光分岐部９０２の一方の出射端には、接続導波路９４１の入射端が接続される。光分岐部９０２の他方の出射端には、接続導波路９４２の入射端が接続される。
接続導波路９４１の出射端は、光分岐部９０３の入射端に接続される。光分岐部９０３の一方の出射端には、接続導波路９４３の入射端が接続される。光分岐部９０３の他方の出射端には、接続導波路９４４の入射端が接続される。接続導波路９４３の出射端は、光分岐部９０５の入射端に接続される。接続導波路９４４の出射端は、光分岐部９０６の入射端に接続される。
光分岐部９０５の一方の出射端には、接続導波路９４７の入射端が接続される。光分岐部９０５の他方の出射端には、接続導波路９４８の入射端が接続される。光分岐部９０６の一方の出射端には、接続導波路９４９の入射端が接続される。光分岐部９０６の他方の出射端には、接続導波路９５０の入射端が接続される。
接続導波路９４７の出射端は、光合波部９１７の一方の入射端に接続される。接続導波路９４７中に高速位相変調部９０９が挿入される。高速位相変調部９０９には、例えばOptics Express vol. 19, no. 26, B26・B31(2011)に記載のリブ導波路に基づく構成を用いることができる。接続導波路９４８の出射端は、光合波部９１７の他方の入射端に接続される。接続導波路９４８中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１０が挿入される。光合波部９１７の出射端には、接続導波路９５５の入射端が接続される。
接続導波路９４９の出射端は、光合波部９１８の一方の入射端に接続される。接続導波路９４９中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１１が挿入される。接続導波路９５０の出射端は、光合波部９１８の他方の入射端に接続される。接続導波路９５０中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１２が挿入される。光合波部９１８の出射端には、接続導波路９５６の入射端が接続される。
接続導波路９４２の出射端は、光分岐部９０４の入射端に接続される。光分岐部９０４の一方の出射端には、接続導波路９４５の入射端が接続される。光分岐部９０４の他方の出射端には、接続導波路９４６の入射端が接続される。接続導波路９４５の出射端は、光分岐部９０７の入射端に接続される。接続導波路９４６の出射端は、光分岐部９０８の入射端に接続される。
光分岐部９０７の一方の出射端には、接続導波路９５１の入射端が接続される。光分岐部９０７の他方の出射端には、接続導波路９５２の入射端が接続される。光分岐部９０８の一方の出射端には、接続導波路９５３の入射端が接続される。光分岐部９０８の他方の出射端には、接続導波路９５４の入射端が接続される。
接続導波路９５１の出射端は、光合波部９１９の一方の入射端に接続される。接続導波路９５１中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１３が挿入される。接続導波路９５２の出射端は、光合波部９１９の他方の入射端に接続される。接続導波路９５２中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１４が挿入される。光合波部９１９の出射端には、接続導波路９５７の入射端が接続される。
接続導波路９５３の出射端は、光合波部９２０の一方の入射端に接続される。接続導波路９５３中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１５が挿入される。接続導波路９５４の出射端は、光合波部９２０の他方の入射端に接続される。接続導波路９５４中に高速位相変調部９０９と同じ構成の高速位相変調部９１６が挿入される。光合波部９２０の出射端には、接続導波路９５８の入射端が接続される。
接続導波路９５５の出射端は、光合波部９２５の一方の入射端に接続される。接続導波路９５６の出射端は、光合波部９２５の他方の入射端に接続される。光合波部９２５の出射端には、接続導波路９５９の入射端が接続される。接続導波路９５５中に位相調整部９２１が挿入される。接続導波路９５６中に位相調整部９２２が挿入される。
接続導波路９５７の出射端は、光合波部９２６の一方の入射端に接続される。接続導波路９５８の出射端は、光合波部９２６の他方の入射端に接続される。光合波部９２６の出射端には、接続導波路９６０の入射端が接続される。接続導波路９５７中に位相調整部９２３が挿入される。接続導波路９５６中に位相調整部９２４が挿入される。
光分岐部９０２〜９０８は、第３の実施形態の光受信回路１０１における光分岐部１０３と同じ寸法の１×２多モード干渉計を用いて構成される。光合波部９１７〜９２６は、光分岐部９０２〜９０８とは光の伝搬方向を反転している構成である。すなわち、光合波部９１７〜９２６は、光分岐部１０３を構成する１×２多モード干渉計を用いて、光分岐部１０３の入射端を出射端とし、光分岐部１０３の２つの出射端を各々の入射端とした２×１多モード干渉計によって構成される。
接続導波路９５９の出射端は、偏波合波回路９２７の一方の入射端に接続される。接続導波路９６０の出射端は、偏波合波回路９２７の他方の入射端に接続される。偏波合波回路９２７の出射端には、出射導波路９６１の入射端が接続される。
偏波合波回路９２７は、第３の実施形態の光受信回路１０１における偏波分離回路１０２と同一の構造を用いて、偏波分離回路１０２とは光の伝搬方向を反転している構成である。すなわち、偏波合波回路９２７は、偏波分離回路１０２の入射端を出射端とし、偏波分離回路１０２の２つの出射端を各々の入射端とした構成である。
ＴＥ偏波におけるＩ成分およびＱ成分の光信号、およびＴＭ偏波におけるＩ成分およびＱ成分の光信号が多重され、出射導波路９６１の出射端から出射される。
接続導波路９４３の入射端から接続導波路９５５の出射端までの光経路中にあるすべての要素がＴＥ偏波におけるＩ成分の光信号を発生するマッハツェンダ（ＭＺ）変調部を構成する。接続導波路９４４の入射端から接続導波路９５６の出射端までの光経路中にあるすべての要素がＴＥ偏波におけるＱ成分の光信号を発生するＭＺ変調部を構成する。それとは逆に、前者のＭＺ変調部からＴＥ偏波におけるＱ成分の光信号が発生し、後者のＭＺ変調部からＴＥ偏波におけるＩ成分の光信号が発生するように、ＩＱ成分間での対応関係を反転させてもよい。
一方、接続導波路９４５の入射端から接続導波路９５７の出射端までの光経路中にあるすべての要素がＴＭ偏波におけるＩ成分の光信号を発生するＭＺ変調部を構成する。このＭＺ変調部を伝搬する光はＴＥ偏波であるが、偏波合波回路９２７を通過した後にＴＭ偏波へと変換される。
接続導波路９４６の入射端から接続導波路９５８の出射端までの光経路中にあるすべての要素がＴＭ偏波におけるＱ成分の光信号を発生するＭＺ変調部を構成する。それとは逆に、前者のＭＺ変調部からＴＭ偏波におけるＱ成分の光信号が発生し、後者のＭＺ変調部からＴＭ偏波におけるＩ成分の光信号が発生するように、ＩＱ成分間での対応関係を反転させてもよい。
接続導波路９５５〜９５８には、各々に挿入された位相調整部９２１〜９２４の後方にタップ導波路９６２〜９６５の各々の入射端が側方に設けられる。タップ導波路９６２〜９６５の各々の出射端には、受光部９２８〜９３１が接続される。受光部９２８〜９３１は、第３の実施形態の光受信回路１０１における受光部１０６と同じ構成を用いることができる。
接続導波路９５９，９６０の各々の側方には、タップ導波路９６６，９６７の各々が設けられる。タップ導波路９６６，９６７の各々の出射端には、受光部９３２，９３３の各々が接続される。
受光部９２８〜９３１を用いて、ＩＱ成分の各々の強度を制御することが可能である。また、受光部９２８〜９３１および受光部９３２，９３３を用いて、ＩＱ成分間の位相差がπ／２に保持されるように制御することができる。また、受光部９３２，９３３を用いて、ＴＥ偏波の光信号の強度およびＴＭ偏波の光信号の強度を制御することができる。これらの制御が必要ない場合は、タップ導波路９６２〜９６５および受光部９２８〜９３１、もしくはタップ導波路９６６，９６７および受光部９３２，９３３を省略できる。
本実施形態の光変調器９０１において、位相調整部９２１〜９２４には、第１の実施形態の光導波路素子１Ａにおける位相調整部２Ａまたは第２の実施形態の光導波路素子１Ｂにおける位相調整部２Ｂを用いることができる。
本実実施形態の導波路構成を用いて、小型で低光損失、かつＩＱ成分間のクロストークの低い光変調器９０１を提供することができる。本実施形態の光変調器９０１は、例えばデジタルコヒーレント向け小型プラガブル光送受信機に好適である。
なお、本実施形態の光変調器９０１において、光分岐部９０３，９０４が本発明の第１の光分岐部に対応する。光分岐部９０５，９０７が本発明の第２の光分岐部に対応する。光分岐部９０６，９０８が本発明の第３の光分岐部に対応する。接続導波路９４３，９４５が本発明の第１の接続導波路に対応する。接続導波路９４４，９４６が本発明の第２の接続導波路に対応する。接続導波路９４７，９５１が本発明の第３の接続導波路に対応する。接続導波路９４８，９５２が本発明の第４の接続導波路に対応する。接続導波路９４９，９５３が本発明の第５の接続導波路に対応する。接続導波路９５０，９５４が本発明の第６の接続導波路に対応する。接続導波路９５５，９５７が本発明の第７の接続導波路に対応する。接続導波路９５６，９５８が本発明の第８の接続導波路に対応する。接続導波路９５９，９６０が本発明の第９の接続導波路に対応する。高速位相変調部９０９，９１３が本発明の第１の高速位相変調部に対応する。高速位相変調部９１０，９１４が本発明の第２の高速位相変調部に対応する。高速位相変調部９１１，９１５が本発明の第３の高速位相変調部に対応する。高速位相変調部９１２，９１６が本発明の第４の高速位相変調部に対応する。光合波部９１７，９１９が本発明の第１の光合波部に対応する。光合波部９１８，９２０が本発明の第２の光合波部に対応する。光合波部９２５，９２６が本発明の第３の光合波部に対応する。タップ導波路９６２，９６４が本発明の第１のタップ導波路に対応する。タップ導波路９６３，９６５が本発明の第２のタップ導波路に対応する。受光部９２８，９３０が本発明の第１の受光部に対応する。受光部９２９，９３１が本発明の第２の受光部に対応する。位相調整部９２１〜９２４が本発明の位相調整部に対応する。また、位相調整部９２１もしくは９２２のいずれかを省略してもよく、位相調整部９２３もしくは９２４のいずれかを省略してもよい。
〔第６の実施形態〕
次に、本発明の第６の実施形態として、上記第５の実施形態に記載の光変調器９０１において、ＴＥ偏波におけるＩ成分とＱ成分との位相差を調節する方法について説明する。また、ＴＭ偏波においても、同様にＩ成分とＱ成分との位相差を調節することができる。
ＴＥ偏波におけるＩ成分の試験光信号として、高速位相変調部９０９および９１０に正弦波電気信号を入力し、受光部９２８から出力される電気信号の位相から、ＴＥ偏波におけるＩ成分の試験光信号の位相を検知する。受光部９２８から出力される電気信号の歪を除去するため、正弦波電気信号に重畳されるＤＣ逆バイアス電圧を調節する。
ＴＥ偏波におけるＱ成分の試験光信号として、高速位相変調部９１１および９１２に正弦波電気信号を入力し、受光部９２９から出力される電気信号の位相から、ＴＥ偏波におけるＱ成分の試験光信号の位相を検知する。受光部９２９から出力される電気信号の歪を除去するため、正弦波電気信号に重畳されるＤＣ逆バイアス電圧を調節する。
位相調整部９２１もしくは９２２に印加するポーリング時の電流または電圧、あるいはポーリング後の電流または電圧を調節して、受光部９２８から出力される電気信号の位相をＩ成分の位相として、受光部９３２から出力される電気信号に含まれるＱ成分の位相がＩ成分に対して差分π／２を有するように調節する。ＴＭ偏波においても、同様にＩ成分とＱ成分との位相差を調節することができる。
入射光の波長変化あるいは温度変化により、導波路の実効屈折率が変化し、位相調整部に印加する電圧を調整して位相差をπ／２に一致させるには、使用する各波長あるいは温度に応じて各位相調整部に印加する電流または電圧を指定する必要がある。そこで、波長可変レーザの波長あるいは光変調器９０１の温度を変化させ、各波長あるいは温度でＩ成分とＱ成分との位相差をπ／２に保持するために必要な電圧値を記録する。記録した電圧値をルックアップテーブルとしてメモリに格納する。ルックアップテーブルを格納したメモリを搭載した制御ボード（制御基板）を光変調器に接続し、波長あるいは温度の変化に対応して位相調整部を制御することにより、ＩＱ成分間の位相差をπ／２に保持することができる。
〔第７の実施形態〕
次に、本発明の第７の実施形態として、例えば図１１に示す光変調器１００１について説明する。なお、図１１は、光変調器１００１を構成する光導波路素子の単一水平面上での模式的構成を示す。
入射光は、入射導波路１００９の入射端から入射される。入射導波路１００９の出射端は、光分岐部１００２の入射端に接続される。光分岐部１００２の一方の出射端には、接続導波路１０１０の入射端が接続される。光分岐部１００２の他方の出射端には、接続導波路１０１１の入射端が接続される。接続導波路１０１０の出射端は、光合波部１００７の一方の入射端に接続される。接続導波路１０１１の出射端は、光合波部１００７の他方の入射端に接続される。
接続導波路１０１１中に、高速位相変調部１００３および位相調整部１００５が挿入される。接続導波路１０１１中に、高速位相変調部１００４および位相調整部１００６が挿入される。光合波部１００７の出射端には、出射導波路１０１２の入射端が接続される。出射導波路１０１２の出射端から光信号が出射される。出射導波路１０１２の側方には、タップ導波路１０１３の入射端が設けられる。タップ導波路１０１３の出射端には、受光部１００８が接続される。
本実施形態の光変調器１００１において、位相調整部１００５，１００６には、第１の実施形態の光導波路素子１Ａにおける位相調整部２Ａまたは第２の実施形態の光導波路素子１Ｂにおける位相調整部２Ｂを用いることができる。
位相調整部１００５もしくは位相調整部１００６にポーリング時の電流または電圧、あるいはポーリング後の電流または電圧を調節して、受光部１００８から出力される電気信号を検出する。これにより、導波路を形成する加エプロセスにおける誤差などにより生ずる光学特性における不均衡性を解消することができる。
高速位相変調部１００３および１００４に変調電気信号を印加しない状態で、出射導波路１０１２から出射される光強度が最大となるように調整すると、強度変調器として使用する際の不均衡性を解消することができる。
本実施形態の導波路構成を実施第５の実施形態の光変調器におけるＭＺ変調部に用いると、位相変調器として使用する際の位相および光強度の不均衡性を解消することができる。その手順は、第６の実施形態と同様の手順にしたがい、位相調整部１００５もしくは１００６に印加するポーリング時の電流または電圧、あるいはポーリング後の電流または電圧を調節する。
なお、本実施形態の光変調器１００１において、光分岐部１００２が本発明の光分岐部に対応する。接続導波路１０１０が本発明の第１の接続導波路に対応する。接続導波路１０１１が本発明の第２の接続導波路に対応する。接続導波路１０１２が本発明の第３の接続導波路に対応する。光合波部１００７が本発明の光合波部に対応する。高速位相変調部１００３が本発明の第１の高速位相変調部に対応する。高速位相変調部１００４が本発明の第２の高速位相変調部に対応する。位相調整部１００５，１００６が本発明の位相調整部に対応する。タップ導波路１０１３が本発明のタップ導波路に対応する。受光部１００８が本発明の受光部に対応する。
１Ａ，１Ｂ…光導波路素子、２Ａ，２Ｂ…位相調整部、３…基板、４…コア、５…クラッド、６…下部クラッド、７…上部クラッド、８…第１の電極、９…第２の電極、１０……電気光学（ＥＯ）層、１１…第１の貫通電極、１２…第１の上部電極、１３…第２の貫通電極、１４…第２の上部電極、１５…第３の貫通電極、１６…第３の上部電極、１７，１８…ヒータ電極（ヒータ）、１９…ギャップ部、２０，２１…溝部、２２…空隙部、２３…第１の貫通電極、２４…第１の上部電極、２５…第４の貫通電極、２６…第４の上部電極、２７…第２の貫通電極、２８…第２の上部電極、２９…第５の貫通電極、３０…第５の上部電極、Ｄ…導波路、
１０１…光受信回路、１０２…偏波分離回路、１０３，１０４…光分岐部（第１の光分岐部）、１０５，１１３…光合波部（第１の光合波部）、１０６，１０７，１１４，１１５…受光部（第１の受光部）、１０８，１１２，１１６，１２０，１２４…位相調整部、１０９，１１７…光合波部（第２の光合波部）、１１０，１１１，１１８，１１９…受光部（第２の受光部）、１２１，１２２…光分岐部（第２の光分岐部）、１２３…光分岐部（最初の光分岐部）、１２６…入射導波路（信号光入射用導波路）、１２７〜１４６…接続導波路、１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ，１４４ａ…１８０度曲がり部、１４７…入射導波路（局発光入射用導波路）、１４７ａ，１４７ｂ…９０度曲がり部、１５０，１５１…処理部、２０１，２０４…偏波分離部、２０２，２０３…偏波回転部、３０１〜３０８…ボンディング電極、３１０〜３１７…高周波信号電極、４０１…基板、４０２…下部クラッド、４０３…上部クラッド、４１０…光導波路素子、４１１…コア、
９０１…光変調器、９０３，９０４…光分岐部（第１の光分岐部）、９０５，９０７…光分岐部（第２の光分岐部）、９０６，９０８…光分岐部（第３の光分岐部）、９４３，９４５…接続導波路（第１の接続導波路）、９４４，９４６…接続導波路（第２の接続導波路）、９４７，９５１…接続導波路（第３の接続導波路）、９４８，９５２…接続導波路（第４の接続導波路）、９４９，９５３…接続導波路（第５の接続導波路）、９５０，９５４…接続導波路（第６の接続導波路）、９５５，９５７…接続導波路（第７の接続導波路）、９５６，９５８…接続導波路（第８の接続導波路）、９５９，９６０…接続導波路（第９の接続導波路）、９０９，９１３…高速位相変調部（第１の高速位相変調部）、９１０，９１４…高速位相変調部（第２の高速位相変調部）、９１１，９１５…高速位相変調部（第３の高速位相変調部）、９１２，９１６…高速位相変調部（第４の高速位相変調部）、９１７，９１９…光合波部（第１の光合波部）、９１８，９２０…光合波部（第２の光合波部）、９２５，９２６…光合波部（第３の光合波部）、９６２，９６４…タップ導波路（第１のタップ導波路）、９６３，９６５…タップ導波路（第２のタップ導波路）、９２８，９３０…受光部（第１の受光部）、９２９，９３１…受光部（第２の受光部）、９２１〜９２４…位相調整部、
１００１…光変調器、１００２…光分岐部、１０１０…接続導波路（第１の接続導波路）、１０１１…接続導波路（第２の接続導波路）、１０１２…接続導波路（第３の接続導波路）、１００７…光合波部、１００３…高速位相変調部（第１の高速位相変調部）、１００４…高速位相変調部（第２の高速位相変調部）、１００５，１００６…位相調整部、１０１３…タップ導波路、１００８…受光部。

Claims (22)

  1. 基板上にコアおよびクラッドにより構成された導波路を備える光導波路素子であって、
    前記導波路を伝搬する光の位相を調整する位相調整部を備え、
    前記位相調整部は、
    前記コアを挟んだ両側に設けられた第１の電極および第２の電極と、
    前記コアの両側面および上面の少なくとも一部と、前記第１の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、前記第２の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆うように設けられた電気光学層と、を有し、
    前記電気光学層には、分極形成により電気分極が生じていることを特徴とする光導波路素子。
  2. 前記クラッドは、前記基板と前記コアとの間に設けられた下部クラッドと、前記コアおよび前記下部クラッドの上に設けられた上部クラッドと、を有し、
    前記第１の電極は、前記上部クラッドを貫通する第１の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第１の上部電極と電気的に接続され、
    前記第２の電極は、前記上部クラッドを貫通する第２の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第２の上部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 前記電気光学層は、前記上部クラッドを貫通する第３の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第３の上部電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光導波路素子。
  4. 前記位相調整部は、前記電気光学層を加熱するヒータを有し、
    前記ヒータは、前記上部クラッド上に設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の光導波路素子。
  5. 前記第１の電極は、前記上部クラッドを貫通する第４の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第４の上部電極と電気的に接続され、
    前記第２の電極は、前記上部クラッドを貫通する第５の貫通電極を介して前記上部クラッド上に設けられた第５の上部電極と電気的に接続され、
    前記第１の上部電極と前記第４の上部電極との間で電流または電圧を印加することによって、前記第１の電極が発熱し、
    前記第２の上部電極と前記第５の上部電極との間で電流または電圧を印加することによって、前記第２の電極が発熱することを特徴とする請求項２または３に記載の光導波路素子。
  6. 前記位相調整部を周囲から熱的に隔離するギャップ部を備え、
    前記ギャップ部は、少なくとも前記クラッドを深さ方向に切り欠く溝部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  7. 前記ギャップ部は、前記位相調整部を挟んだ両側に前記基板に至る深さで形成された一対の溝部と、前記一対の溝部の間に連続して前記基板の一部が除去された空隙部と、を有することを特徴とする請求項６に記載の光導波路素子。
  8. 前記コアは、シリコン層からなり、
    前記第１の電極および前記第２の電極は、シリコン層に不純物をドーピングすることによって形成された拡散層からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光導波路素子。
  9. 基板上にコアおよびクラッドにより構成された導波路を備える光導波路素子の製造方法であって、
    前記導波路を伝搬する光の位相を調整する位相調整部を形成する際に、
    前記コアを挟んだ両側に第１の電極および第２の電極を形成する工程と、
    前記コアの両側面および上面の少なくとも一部と、前記第１の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、前記第２の電極の前記コアと対向する側の側面および上面の少なくとも一部と、をそれぞれ覆う電気光学層を形成する工程と、を含むことを特徴とする光導波路素子の製造方法。
  10. 前記第１の電極および前記第２の電極を形成する際に、前記コアとなるシリコン層と同じ層からなるシリコン層をパターニングし、パターニングされた前記シリコン層に不純物をドーピングすることによって、前記第１の電極および前記第２の電極となる拡散層を形成することを特徴とする請求項９に記載の光導波路素子の製造方法。
  11. 前記位相調整部を周囲から熱的に隔離するギャップ部を形成する工程を含み、
    前記ギャップ部を形成する際に、前記位相調整部を挟んだ両側に前記クラッドから前記基板に至る深さで一対の溝部をエッチングにより形成した後に、前記一対の溝部から前記基板の一部をエッチングにより選択的に除去することによって、前記一対の溝部の間に連続した空隙部を形成することを特徴とする請求項９に記載の光導波路素子の製造方法。
  12. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光導波路素子を備える光受信回路。
  13. 前記光導波路素子は、
    信号光を第１の信号光伝搬用導波路および第２の信号光伝搬用導波路に分岐して伝搬させる第１の光分岐部と、
    局発光を第１の局発光伝搬用導波路および第２の局発光伝搬用導波路に分岐して伝搬させる第２の光分岐部と、
    前記第１の信号光伝搬用導波路を伝搬する信号光と前記第１の局発光伝搬用導波路を伝搬する局発光とを合波して、互いに干渉させる第１の光合波部と、
    前記第２の信号光伝搬用導波路を伝搬する信号光と前記第２の局発光伝搬用導波路を伝搬する局発光とを合波して、互いに干渉させる第２の光合波部と、
    前記第１の光合波部の出力光を受光する１または２以上の第１の受光部と、
    前記第２の光合波部の出力光を受光する１または２以上の第２の受光部と、
    前記第１の局発光伝搬用導波路および前記第２の局発光伝搬用導波路のいずれか一方または両方に設けられた位相調整部と、
    を有し、
    連続した入射光に対し、連続した局発光に周波数シフトを印加し、両者の干渉によりヘテロダインビートを発生させ、前記第１の受光部から出力される出力電気信号または前記第２の受光部から出力される出力電気信号のうち、いずれか一方の出力電気信号を参照信号とし、前記参照信号とは異なる方の出力電気信号を入力信号として、ヘテロダインビートの位相を検出する手段を有し、前記位相をπ／２に保持することにより、前記第１の光合波部に入射する局発光と前記第２の光合波部に入射する局発光との間の位相差をπ／２に調整することが可能であることを特徴とする請求項１２に記載の光受信回路。
  14. 前記第１の光合波部に入射する局発光と前記第２の光合波部に入射する局発光との間の位相差をπ／２に調整する際に前記位相調整部に印加される電流または電圧の設定値を記録したメモリが搭載された制御基板と接続されたことを特徴とする請求項１３に記載の光受信回路。
  15. 請求項１３または１４に記載の光受信回路の調整方法であって、
    連続した入射光に対し、連続した局発光に周波数シフトを印加し、両者の干渉によりヘテロダインビートを発生させ、前記第１の受光部から出力される出力電気信号または前記第２の受光部から出力される出力電気信号のうち、いずれか一方の出力電気信号を参照信号とし、前記参照信号とは異なる方の出力電気信号を入力信号として、ヘテロダインビートの位相を検出する手段を光受信回路に設け、前記位相をπ／２に保持することにより、前記第１の光合波部に入射する局発光と前記第２の光合波部に入射する局発光との間の位相差をπ／２に調整することを特徴とする光受信回路の調整方法。
  16. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光導波路素子を備える光変調器。
  17. 前記光導波路素子は、
    信号光を第１の接続導波路および第２の接続導波路に分岐して伝搬させる第１の光分岐部と、
    前記第１の接続導波路を伝搬する信号光を第３の接続導波路および第４の接続導波路に分岐して伝搬させる第２の光分岐部と、
    前記第２の接続導波路を伝搬する信号光を第５の接続導波路および第６の接続導波路に分岐して伝搬させる第３の光分岐部と、
    前記第３の接続導波路に設けられた第１の高速位相変調部と、
    前記第４の接続導波路に設けられた第２の高速位相変調部と、
    前記第５の接続導波路に設けられた第３の高速位相変調部と、
    前記第６の接続導波路に設けられた第４の高速位相変調部と、
    前記第１の高速位相変調部からの出力光と前記第２の高速位相変調部からの出力光とを合波して第７の接続導波路から出力する第１の光合波部と、
    前記第３の高速位相変調部からの出力光と前記第４の高速位相変調部からの出力光とを合波して第８の接続導波路から出力する第２の光合波部と、
    前記第７の接続導波路を伝搬する出力光と前記第８の接続導波路を伝搬する出力光とを合波して第９の接続導波路から出力する第３の光合波部と、
    前記第７の接続導波路を伝搬する出力光の一部を第１のタップ導波路を介して受光する第１の受光部と、
    前記第８の接続導波路を伝搬する出力光の一部を第２のタップ導波路を介して受光する第２の受光部と、
    前記第７の接続導波路と前記第８の接続導波路とのいずれか一方または両方に設けられた位相調整部と、
    を有し、
    前記第１の受光部から出力される電気信号の位相と、前記第２の受光部から出力される電気信号の位相との差分がπ／２となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧が調整されることを特徴とする請求項１６に記載の光変調器。
  18. 前記第１の受光部から出力される電気信号の位相と、前記第２の受光部から出力される電気信号の位相との差分がπ／２となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整するための設定値を記録したメモリが搭載された制御基板と接続されていることを特徴とする請求項１７に記載の光変調器。
  19. 請求項１７または１８に記載の光変調器の調整方法であって、
    前記第１の受光部から出力される電気信号の位相と、前記第２の受光部から出力される電気信号の位相との差分がπ／２となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整することを特徴とする光変調器の調整方法。
  20. 前記光導波路素子は、
    信号光を第１の接続導波路および第２の接続導波路に分岐して伝搬させる光分岐部と、
    前記第１の接続導波路に設けられた第１の高速位相変調部と、
    前記第２の接続導波路に設けられた第２の高速位相変調部と、
    前記第１の接続導波路を伝搬する出力光と前記第２の接続導波路を伝搬する出力光とを合波して第３の接続導波路から出力する光合波部と、
    前記第３の接続導波路を伝搬する出力光の一部をタップ導波路を介して受光する受光部と、
    前記第１の高速位相変調部と前記光合波部との間と、前記第２の高速位相変調部と前記光合波部との間とのいずれか一方または両方に設けられた位相調整部と、
    を有し、
    前記受光部から出力される電気信号を検出し、前記第１の高速位相変調部および前記第２の高速位相変調部に変調電気信号を印加しない状態で、前記第３の接続導波路から出力される出力光が最大となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧が調整されることを特徴とする請求項１６に記載の光変調器。
  21. 前記受光部から出力される電気信号を検出し、前記第１の高速位相変調部および前記第２の高速位相変調部に変調電気信号を印加しない状態で、前記第３の接続導波路から出力される出力光が最大となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整するための設定値を記録したメモリが搭載された制御基板と接続されていることを特徴とする請求項２０に記載の光変調器。
  22. 請求項２０または２１に記載の光変調器の調整方法であって、
    前記受光部から出力される電気信号を検出し、前記第１の高速位相変調部および前記第２の高速位相変調部に変調電気信号を印加しない状態で、前記第３の接続導波路から出力される出力光が最大となるように、前記位相調整部のうちいずれか一方または両方に印加される電流または電圧を調整することを特徴とする光変調器の調整方法。
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