JP2011076049A - 光信号受信装置 - Google Patents

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Shojiro Kawakami
彰二郎 川上
Takashi Chiba
貴史 千葉
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Abstract

【課題】小型化が実現可能な偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドを提供することにある。
【解決手段】 領域ごとに透過軸方向の選択可能な偏光分離作用のあるフォトニック結晶偏光子や、領域ごとに遅相軸方向の選択可能な偏光回転作用のあるフォトニック結晶波長板を、石英系光導波路チップの導波路上に挿入することで、偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドを小型にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光コヒーレント通信方式またはデジタルコヒーレント通信方式における光受信装置に関するものである。
光コヒーレント通信方式の光受信装置では、９０°ハイブリッドは欠かせないものである（非特許文献１）。
また、偏光多重した２つの光信号に対して、９０°ハイブリッドをそれぞれ１つずつ使う２偏光多重光コヒーレント通信方式の光受信装置には偏光分離素子、偏光回転素子は欠かせないものである。
光コヒーレント通信方式を実用するために、その光受信装置は小型に実現することが求められている。
９０°ハイブリッドを実現する方法として最も一般的なものは、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や３ｄＢカプラ（ハーフミラー）、ミラー、偏光回転素子（１／４波長板、１／２波長板）といったバルク光学部品、またはピッグテールファイバー付き光学部品を組み合わせて実現する方法である。この方法は簡便ではあるが、アライメントや、ファイバの最小曲げ半径に起因するファイバ取り回し部があり、小型化が困難である。
一方、石英系光導波路は任意のフォトマスクを使用し、写真技術を用いて精度良く微細な光回路を実現できる。光回路を小型に作成する上で非常にすぐれた方法である。
しかし、石英系光導波路単独では偏光分離作用、偏光回転作用を実現することは非常に困難であるため、９０°ハイブリッドを実現するには何らかの方法で偏光分離作用、偏光回転作用を導入する必要がある。
フォトニック結晶偏光子、波長板は領域を微細に分割することができるため、機能集積化、小型化に適した偏光分離素子、偏光回転素子である。
特開２００１−８３３２１号公報 （偏光子特許） 特開２００３−３１５５５２号公報 （波長板特許） 特開平１０−３３５７５８号公報 （基本） 菊池和朗「コヒーレント光ファイバー通信の新展開」、応用物理 第７８巻 第９号（２００９）、ｐ８５６−８６１
本発明が解決する課題は、小型化が実現可能な偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドを提供することにある。
本発明の概略は、領域ごとに透過軸方向の選択可能な偏光分離作用のあるフォトニック結晶偏光子や領域ごとに遅相軸方向の選択可能な偏光回転作用のあるフォトニック結晶波長板を、石英系光導波路チップの導波路上に挿入することで、偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドを小型にする方法である。通常の偏光分離素子や偏光回転素子ではその偏光透過軸や遅相軸が一様であるため、数μｍ〜数１０μｍ程度に近接した導波路群に対して、それぞれ別の偏光透過軸や遅相軸を割り当てることができない。近接した導波路群に対して、それぞれ別の偏光透過軸や遅相軸の割り当てを実現する素子として、例えば特許文献１記載のフォトニック結晶偏光子や特許文献２記載のフォトニック結晶波長板が挙げられる。この特徴は、光軸の異なる複数の偏光子または波長板として一体形成することができることにある。更に各偏光子の透過偏光方位角度や遅相軸方位角度を高精度に決定できること、各領域を微細にすることができること、各領域の境界を無視できるほど（数十ｎｍオーダー）小さくすることができ損失や散乱などを抑えることができる、などが挙げられる。
フォトニック結晶偏光子は領域を微細に分割することができるため、近接した導波路ごとに違った偏光透過軸や波長板遅相軸を割り当てることができ、光導波路に偏光分離機能や偏光回転機能を導入することに適している。
フォトニック結晶偏光子は図１のような周期的な溝列を形成した透明材料基板１０１上に、透明で高屈折率の媒質１０２と低屈折率の媒質１０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。この図では溝方向が９０°異なる２つの領域が一体形成された構造を示している。ここで媒質１０２と１０３の層の厚さと、基板の周期を選ぶことで、特定の波長で偏光子として動作させることができる。即ち、溝に平行な偏光を遮断し、溝に垂直な偏光を透過させることができる。予め溝の方向を変えて凹凸パタンを形成しておくことで、透過軸の異なる偏光子アレイを一括形成することが容易である。
これは自己クローニング技術と呼ばれており、特許文献３に詳しく記載されている。ここでは簡単に説明する。
低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながらその他の光学ガラスでもよく、ＭｇＦ２のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの酸化物や窒化物が使用でき、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きい利点がある。
基板に形成する凹凸パタンは、電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を形成する。あるいはフォトリソグラフィや干渉露光、ナノインプリントを用いても良い。
本発明の光信号受信装置は、小型化可能な偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドである。小型９０°ハイブリッドの実現により、偏光多重光コヒーレント通信システム全体の小型化が実現可能になり、新しい超高速光通信を提供することが可能になる。
図２は本発明の光信号受信装置の構造を示す図である。導波路基板２１５に３ｄＢカプラ、チャネル導波路を使用して光回路が形成されている。一部分に溝２０６をつくり、フォトニック結晶チップ２０５を機能させるため、導波路を横切る様に挿入する。
信号光を信号光入力導波路２０１に入力し、フォトニック結晶チップ２０５により偏光分離され、透過光は３ｄＢカプラ２１０に向かい、反射光は折り返し導波路２０３を伝搬し、フォトニック結晶チップ２０５により偏光回転の処理をおこない、３ｄＢカプラ２０９へ向かう。その後、それぞれ３ｄＢカプラ２０９、２１０により分岐されてそれぞれ３ｄＢカプラ２１１、２１２、２１３、２１４へ向かう。
局発光は偏波保持ファイバを介して局発光入力導波路２０２に入力する。このとき光の電界振動方向が紙面に垂直な方向になるように偏波保持ファイバの遅相軸を合わせる。またはＬＤの偏光方向を紙面垂直方向になるように導波路２０２に直接接続しても良い。導波路に結合した局発光は３ｄＢカプラ２０４により分岐され、フォトニック結晶チップ２０５を通過して、３ｄＢカプラ２０７、２０８に向かう。その後、それぞれ３ｄＢカプラ２０７、２０８により分岐されてそれぞれ３ｄＢカプラ２１１、２１２、２１３、２１４へ向かう。
信号光、局発光が３ｄＢカプラ２１１、２１２、２１３、２１４で合波してバランスＰＤ２０８により電気信号に変換される。このとき３ｄＢカプラ２１１、２１２、２１３、２１４で合波する際の各信号光、局発光の電界振動方向は紙面に垂直な方向にそろっている。
図３は溝部分の拡大図である。溝３０４に挿入したフォトニック結晶チップ３０３は横切るチャネル導波路に対して違った機能を発生する様に設計できる。フォトニック結晶機能領域３０５、３０６の左平面は光の電界振動が紙面に垂直な方向の光を透過させ、水平な方向の光を反射する偏光子として設計し、フォトニック結晶機能領域３０７の左平面は偏光状態を変化させないように設計する。またフォトニック結晶機能領域３０５、３０６の右平面は偏光状態を変化させないように設計し、フォトニック結晶機能領域３０７の右平面は入射偏光を９０°回転させるため、主軸方向が紙面に対して４５°傾いた１／２波長板として設計し、左平面、右平面をそれぞれ別々に成膜しアセンブルする。
このように偏光分離機能、偏光回転機能がフォトニック結晶チップを使用することで光導波路に導入でき、偏波多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドの小型化が可能である。
図４は本発明の実施例を示す図である。図４のフォトニック結晶機能領域４０５に横切る光に対して、偏光状態を変化させないようにフォトニック結晶チップを設計することも可能である。
図３のフォトニック結晶チップ３０３は別々に成膜してアセンブリせず、１枚の基板上に領域をマスキングして複数回成膜したフォトニック結晶チップでもかまわない。
図３のフォトニック結晶チップ３０３を溝３０４に挿入するかわりに、溝部分で導波路を切断してその端面にフォトニック結晶を成膜して、再度接続してもかまわない。このようにすることで、溝３０４による伝搬光の回折損失を少なくできる。
図３のフォトニック結晶チップ３０３のかわりに、図５に示すような導波構造付きフォトニック結晶チップ５０３を溝５０４に挿入してもかまわない。導波構造付きフォトニック結晶チップ５０３は面方向に導波構造を持った基板５０８に所望のフォトニック結晶を成膜してこのようにすることで、溝５０４による伝搬光の回折損失を少なくできる。
フォトニック結晶偏光子の構造を表す図 本発明を表わす光信号受信装置の構成 本発明の溝部を表す図 本発明の実施例を表す図 本発明の実施例を表す図
１０１ 溝列を形成した基板
１０２ 高屈折率材料
１０３ 低屈折率
２０１ 信号光入力導波路
２０２ 局発光入力導波路
２０３ 折り返し導波路
２０４ ３ｄＢカプラ
２０５ フォトニック結晶チップ
２０６ 溝
２０７ ３ｄＢカプラ
２０８ ３ｄＢカプラ
２０９ ３ｄＢカプラ
２１０ ３ｄＢカプラ
２１１ ３ｄＢカプラ
２１２ ３ｄＢカプラ
２１３ ３ｄＢカプラ
２１４ ３ｄＢカプラ
２１５ 導波路基板
２１６ バランスＰＤ
３０１ 光導波路チップ
３０２ チャネル導波路
３０３ フォトニック結晶チップ
３０４ 溝
３０５ フォトニック結晶機能領域
３０６ フォトニック結晶機能領域
３０７ フォトニック結晶機能領域
４０１ 光導波路チップ
４０２ チャネル導波路
４０３ フォトニック結晶チップ
４０４ 溝
４０５ フォトニック結晶機能領域
４０６ フォトニック結晶機能領域
４０７ フォトニック結晶機能領域
５０１ 光導波路チップ
５０２ チャネル導波路
５０３ 導波構造付きフォトニック結晶チップ
５０４ 溝
５０５ 導波路基板
５０６ チャネル導波路
５０７ チャネル導波路端面
５０８ 導波構造付き基板
５０９ フォトニック結晶成膜面

Claims (5)

  1. フォトニック結晶偏光子を光導波路型９０°ハイブリッドと組み合わせたことを特徴とする偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッド。
  2. フォトニック結晶波長板を光導波路型９０°ハイブリッドと組み合わせたことを特徴とする偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッド。
  3. フォトニック結晶偏光子とフォトニック結晶波長板を組み合わせたチップを光導波路型９０°ハイブリッドと組み合わせたことを特徴とする偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッド。
  4. 請求項１，２，３に記載の偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドのフォトニック結晶の基板に導波構造を持たせたチップを光導波路型９０°ハイブリッドと組み合わせたことを特徴とする偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッド。
  5. 請求項１，２，３，４に記載の偏光多重光コヒーレント通信用９０°ハイブリッドをもちいた光信号受信装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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