JP2013128272A - 光受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】組立工程が簡略化できるとともに小型化できる光受信装置を提供する。
【解決手段】直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光分岐部と、前記無偏光分岐部により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して位相差を与えず、他方の光に対してのみ、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与えるように、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料を有する波長板と、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与えられた光を含む２つの光が入射し、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する偏光性分岐部と、前記無偏光分岐部及び前記偏光性分岐部により４つに分岐された光の各々を受光する４つの光検出器と、を備えたことを特徴とする光受信装置を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光受信装置に関する。

光ファイバーを用いた大容量・長距離伝送を実現する波長多重光通信装置などの基幹部品として光送受信モジュールが用いられる。近年、通信トラフィックの増加に伴い、高速・大容量伝送化に有効なデジタルコヒーレント光伝送技術が注目されている。この技術は、伝送情報容量を増加させるため、伝送光の強度変調信号に位相変調信号を付加して送受信する光伝送方式である。このような位相変調方式による通信方法では、光の位相検出が必要となるため、光伝送後に受信した信号光と周波数の等しい別途用意された局部発振光源の参照光とを干渉させ、このビート信号から信号光の強度変調情報と位相変調情報を検知するホモダイン検出法が用いられる。デジタルコヒーレント光受信装置では、位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信器と高速デジタル信号処理との組み合わせにより安定性の高い光受信が構築されている。デジタルコヒーレント光伝送技術およびデジタルコヒーレント光受信装置に関しては、例えば、特許文献１及び非特許文献１に記載されている。

図１には、非特許文献１に記載された位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信器の光回路部の原理的構成を示す。光ファイバー伝送後に受信した信号光と同一光周波数である局部発振光源の出射光である参照光ＬＯの偏光は同じであると仮定する。参照光ＬＯはＬＯ１とＬＯ２に２分岐され、ＬＯ１とＬＯ２には９０°光ハイブリッドにより９０°（即ち、π／２）の位相差が与えられる。２分岐された信号光をそれぞれＬＯ１およびＬＯ２に合波し、信号光と参照光の干渉によりビート信号となる。参照光ＬＯの位相を基準として、信号光とＬＯ１との干渉光ビート信号の直交偏光成分であるＩ１とＩ２を光検出することにより信号光のコサイン成分Ｉ_Ｉが抽出され、信号光とＬＯ２との干渉光ビート信号の直交偏光成分であるＩ３とＩ４を光検出することにより信号光のサイン成分Ｉ_Ｑが抽出される。アナログ電気信号Ｉ_ＩおよびＩ_Ｑをデジタル信号変換し、デジタル信号処理により光複素振幅が得られる。

尚、９０°光ハイブリッド位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信器の具体的な光学素子及び光学系については、例えば、特許文献２に複数の構成例が記載されている。

特開２００７−６４８６０号公報 特開２０１１−１２００３０号公報

応用物理、第７８巻、第９号（２００９）、ＰＰ．８５６−８６１

特許文献１に開示されているホモダイン検出を用いた光電界波形観測装置においては、位相検出の際に偏光ビームスプリッタを複数用いる必要があり部品点数が増加してしまう。また、光合分波用素子として光カプラが用いられているが、この際、光ファイバーと光カプラとの結合に伴う光損失や大型化を招いてしまう。更に、特許文献２に開示されている９０°光ハイブリッドにおいては、複数の波長板および複数の偏光分離素子が分離配置された構成からなり、部品点数が多くなる。その結果、光受信装置の小型化が困難となり、光受信装置の製造の際の組立工程が複雑になるという問題点を有していた。

よって、組立工程が簡略化できるとともに小型化されたデジタルコヒーレント光伝送に用いられる９０°光ハイブリッド位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信に適した光受信装置が望まれていた。

本発明は、直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光分岐部と、前記無偏光分岐部により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して位相差を与えず、他方の光に対してのみ、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与えるように、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料を有する波長板と、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与えられた光を含む２つの光が入射し、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する偏光性分岐部と、前記無偏光分岐部及び前記偏光性分岐部により４つに分岐された光の各々を受光する４つの光検出器と、を備えたことを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記入射光は、同じ波長の信号光と参照光を含むものであって、前記無偏光分岐部と、波長板と、偏光性分岐部とにより形成される偏光位相分離素子により前記入射光が分岐されるものであることを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記無偏光分岐部により分岐された２つの光の分岐方向と前記偏光性分岐部により分岐された光の分岐方向とが所定の角度を成すように構成されていることを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記無偏光分岐部は無偏光回折格子であって、入射光の＋１次回折光と−１次回折光を２つの進行方向に分岐された光とすることを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記偏光性分岐部は偏光性回折格子であって、入射光の常光偏光成分を回折せず透過するとともに異常光偏光成分を回折する、または、入射光の異常光偏光成分を回折せず透過するとともに常光偏光成分を回折することを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記偏光性回折格子は、光学軸が厚さ方向に揃い、常光屈折率ｎ_ｏと異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）を有する複屈折性材料からなる複屈折性材料層および、屈折率がｎ_ｓとなる等方性材料からなる等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎ_ｓは、前記常光屈折率ｎ_ｏまたは前記異常光屈折率ｎ_ｅと略等しく、前記複屈折性材料層の光学軸の方向と、前記位相板の光学軸の方向とが、略４５°の角度をなすことを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記無偏光回折格子の格子長手方向と前記偏光性回折格子の格子長手方向とが所定の角度をなすことを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、前記第２の領域にのみ、高分子液晶を有することを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、前記第１の領域および前記第２の領域は、いずれも高分子液晶を有し、前記第１の領域における高分子液晶は厚さ方向に略平行に配向されることを特徴とする光受信装置。

また、本発明は、互いに直交するｓ偏光の光とｐ偏光の光を合波させる偏光ビームスプリッタを備え、異なる方向から入射する前記信号光と参照光を偏光ビームスプリッタにより合波することにより前記偏光位相分離素子への入射光を生成することを特徴とする光受信装置。

本発明によれば、複数の機能が集積化された空間結合型の小型光学部品を用いることにより、部品点数が少ない、小型・軽量の９０°光ハイブリッド位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信装置を得ることができる。また、光受信装置を構成する偏光位相分離素子において、無偏光分岐部と波長板と偏光性分岐部を一体形成することにより、光受信装置の製造の際の組立工程が簡略化できる。また、偏光位相分離素子における波長板の入射角度依存性が小さなため、入射光が光検出器の受光面に集光される集束光の光路中に配置できる。その結果、光受信装置の小型化につながる。また、光受信装置を構成する偏光位相分離素子において、無偏光回折格子からなる無偏光分岐部により生成される分岐光の内の不要光、および、偏光性回折格子からなる偏光性分岐部で生成される分岐光の内の不要光が光検出器の受光面に混入しないため、ＳＮ比の高い光信号を検出できる。

位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信器の光回路部の原理的な構成図 第１の実施の形態における光受信装置の構成図 第１の実施の形態における光受信装置に用いられる偏光位相分離素子の構成図 第１の実施の形態における光受信装置の偏光位相分離素子に用いられる波長板の構成図 第１の実施の形態における光受信装置の偏光位相分離素子に用いられる偏光性回折格子の構成図 第１の実施の形態における光受信装置に用いられる偏光分離機能素子の説明図（１） 第１の実施の形態における光受信装置に用いられる偏光分離機能素子の説明図（２） 第１の実施の形態における光受信装置に用いられる偏光分離機能素子の説明図（３） 第１の実施の形態における光受信装置に用いられる偏光位相分離素子の入射角度と位相差の相関図 第１の実施の形態における光受信装置に用いられる偏光位相分離素子の他の構成図 第２の実施の形態における光受信装置の構成図

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（光受信装置）
第１の実施の形態における光受信装置について説明する。図２は、本実施の形態における光受信装置の構成図である。本実施の形態における光受信装置１００は、Ｘ軸方向の直線偏光の信号光ＳとＹ軸方向の直線偏光の参照光Ｒを含む伝送光を出射する光ファイバーや光導波路など光伝送部７０と、光伝送部７０からの出射光を光検出器６０へ集光する集光レンズ８０と、集光レンズ８０と光検出器６０の光路中に配置する偏光位相分離素子１０から構成されている。偏光位相分離素子１０は、無偏光分岐部となる無偏光回折格子２０と波長板３０と偏光性分岐部となる偏光性回折格子４０からなり、この順番に配置された偏光位相分離素子１０に入射する収束光である入射光５０が、４つ光束である光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄに分岐される。この４つ光束はそれぞれ光検出器６０の分割された光検出器の受光面６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄに集光される。偏光位相分離素子１０の機能は後述する。

光伝送部７０の出射光である信号光Ｓと参照光Ｒは、ホモダイン検出に適合するように同一波長で、信号光Ｓは強度変調および位相変調された光情報を含み、参照光Ｒは一定強度で位相がそろっている。

本実施の形態における光受信装置に適合する波長の制約は無いが、デジタルコヒーレント光受信装置のホモダイン検出に適合する可干渉長を有する波長幅の充分狭い伝送光であって、例えば、長距離伝送のＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）波長多重光通信に用いられるＳバンド（１４６０〜１５３０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ）、Ｌバンド（１５６５〜１６２５ｎｍ）の各波長チャネルに対応した波長である。

尚、光検出器６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ）で電気信号に変換された光強度信号は、電子信号処理回路（図示せず）を用いてＡＤ変換後にデジタル信号処理され、信号光Ｓに含まれる強度変調信号および位相変調信号として検出される。

ＷＤＭ光通信において光ファイバー中を長距離伝送された信号光の偏光は揃っていないため、光ファイバーの出射光を偏光ビームスプリッタＰＢＳ(Polarization Beam Splitter)を用いてｓ偏光とｐ偏光に分離し、ｓ偏光の信号光とｐ偏光の信号光に対して図２の光受信装置を適用すればよい。この場合、参照光は信号光の直線偏光と直交するように、ｓ偏光の信号光に対してはｐ偏光とし、ｐ偏光の信号光に対してはｓ偏光とする。

尚、信号光に対し直交する直線偏光の参照光は、ＰＢＳを用いて同一の光軸に効率よく合波できる。また、参照光は、信号光と同一波長で、可干渉長が長い狭い発振波長幅の局部発振光源であるレーザを別途準備して発生させる。具体的には、１０Ｈｚ以下の発振波長幅が好ましい。

光検出器６０は、外部からのノイズを低減するために大きさを小さくする場合があるが、このような光検出器６０に対して光を十分小さく集光するために、集光レンズ８０の像側開口数は大きくすることが好ましい。例えば、波長１．５μｍの光に対して３０μｍ以下に集光する場合、回折限界の式から開口数は０．０３以上である必要がある。開口数が大きいレンズの場合、偏光位相分離素子１０には入射角度の大きい光線が入射する。開口数が０．０３である場合、入射角度は１．７°以下となる。開口数が大きい場合、偏光位相分離素子１０への入射角度は大きくなるので偏光位相分離素子１０への入射角度は１．７°以上となりうる。

（偏光位相分離素子）
本実施の形態における光受信装置において用いられる偏光位相分離素子の実施の形態について説明する。図３は、本実施の形態における偏光位相分離素子の構成図である。本実施の形態における偏光位相分離素子１０は、無偏光分岐部である無偏光回折格子２０、波長板３０および偏光性分岐部である偏光性回折格子４０を有し、図３に示すように、この順に光が入射するように構成されている。

無偏光回折格子２０は、例えば、光学的に等方性の屈折率を示す等方性材料からなる透明基板の表面に周期的な凹凸が形成されたものであったり、透明基板の表面に、他の等方性材料が凹凸状に形成されたものであったりしてもよい。回折格子の断面が矩形状の凹凸である場合、±１次回折光の回折効率が最大になるように設定すると、＋１次回折光と−１次回折光の光量をそれぞれ大きくすることができ、直進透過する０次回折光（直進透過光）を小さくすることができるので、効率よく２つの光に分岐することができる。

この場合、矩形状の回折格子によって分岐された＋１次回折光と−１次回折光の光量は等しくなるので波長などの変動がある場合でも＋１次回折光と−１次回折光の光量比を一定に保つことができ、後述する位相差検出処理が容易になる。また、回折格子の断面がブレーズ形状の凹凸またはブレーズ状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状の凹凸である場合、０次回折光と例えば＋１次回折光の光量をそれぞれ大きくすることができ、−１次回折光を小さくすることができるので、効率よく２つの光に分岐することができる。尚、回折角度は、入射する光の波長と回折格子の周期の幅（格子ピッチ）によって決定する。例えば、回折角度を大きくして光を分岐させる場合は、格子ピッチを狭く設計するとよい。

回折角度と格子ピッチはグレーティング方程式に従うので、格子ピッチをＰ_ｇの無偏光回折格子２０に波長λの光が入射した場合、屈折率ｎ_ｇを有する媒質に出射されるｍ次の回折光の回折角度θ_ｇ（ｍ）は、下記の式を満たす。

ｎ_ｇｓｉｎθ_ｇ（ｍ）＝ｍＰ_ｇ／λ
また、波長板３０までの距離をＬ_ｇｗとし波長板３０の位置における光の径をφ_ｗとすると分岐される光を＋１次回折光と−１次回折光とした場合、下記の式を満たしていると、
Ｌ_ｇｗ｛ｔａｎθ_ｇ（＋１）−ｔａｎθ_ｇ（−１）｝＞φ_ｗ
波長板３０上で分岐された光を分離することができ、ノイズの原因となる迷光の発生を低減することができるので好ましい。分岐される光を＋１次回折光と０次回折光とした場合、下記の式を満たしていると、
Ｌ_ｇｗｔａｎθ_ｇ（＋１）＞φ_ｗ
波長板３０上で分岐された光を分離でき、ノイズの原因となる２つの分岐された光間のクロストークを低減できるので好ましい。

また、光が出射される側の媒質の平均的な屈折率ｎ_ｇが大きい場合、回折角度が小さくなるため２つの分岐される光の間のクロストークを低減するために素子の厚みが大きくなってしまう。したがって、無偏光回折格子２０と波長板３０の間の媒質の平均的な屈折率は小さい方が好ましく、平均的な屈折率として１．６以下であることが好ましく、１．４５以下であるとより好ましく、１．４以下であるとさらに好ましい。１．６以下の屈折率の材料としてＢＫ７などのホウケイ酸ガラスを用いることができ、１．４５以下の屈折率の材料として石英ガラスやホタル石などの材料を用いることができ、１．４下の屈折率の材料としてフッ素樹脂や空気などの材料を用いることができる。無偏光回折格子２０の格子ピッチとして５μｍであると好ましく、２μｍ以下であるとより好ましい。

無偏光回折格子２０の回折光は、格子断面の凹凸部長手方向と入射光の成す平面に対し垂直でかつ０次回折光の進行方向を含む面内の方向に進行する。即ち、０次回折光または±１次回折光の分岐方向は格子凹凸部長手方向と直交する。図３において、入射光５０は無偏光回折格子２０により±１次回折光がＹ軸方向に発生するように、回折格子の長手方向が直線でＸ軸方向となるように設計されている。

波長板３０は、無偏光回折格子２０で分岐された２つの光それぞれに対応した、第１の領域３１と第２の領域３２を有しており、第１の領域３１または第２の領域３２のいずれかは、信号光と参照光との間に９０°の位相差が与えられるように設定されていればよい。例えば、第１の領域３１は等方性材料から構成され、第２の領域３２は複屈折性材料から構成され、第２の領域３２の厚さを調整することで所望の位相差を与えることができる。また、第１の領域３１または第２の領域３２のいずれか一方は、透明な等方性材料から構成されているものに限らず、空気であってもよい。一方が空気である場合、他方の領域にのみ所望の位相差を与えられるように設計された複屈折性材料が備えられていればよい。詳細の構成については後述する。

偏光性回折格子４０は、入射する光のうち互いに直交する偏光状態の光毎、透過または回折させて進行する方向が互いに異なるように作用する。例えば、入射する光のうち、第１の直線偏光の光は直進透過させ、第１の直線偏光の光と直交する第２の直線偏光の光を回折させる機能を有する。偏光性回折格子４０は、例えば、光学的に複屈折性を示す複屈折性材料と等方性材料とが、断面が周期的な凹凸を形成するように構成される。そして、複屈折性材料の常光屈折率ｎ_ｏまたは異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）と、等方性材料の屈折率ｎ_ｓとが略一致する材料を組み合わせることによって、上記の作用を得ることができる。

偏光性回折格子４０の回折効率は（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）と複屈折材料の厚みの積を光の波長λによって除算した因子に依存するため、（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）が小さい場合には複屈折材料の厚みの影響が大きくなる。複屈折材料の厚みが大きくなると光の入射角度の変化に応じて光路長の変化が大きくなるため、光の入射角度に対する回折効率の変動が大きくなる。したがって、（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）＞０．０１となる複屈折材料を用いることが好ましく、（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）＞０．０４となる複屈折材料を用いるとより好ましく、（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）＞０．０５となる複屈折材料を用いるとより好ましく、（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）＞０．０６５となる複屈折材料を用いるとさらに好ましい。

尚、回折角度は、無偏光回折格子２０と同様に、回折角度を大きくして光を分岐させる場合、格子ピッチを狭く設計するとよい。偏光性回折格子４０の回折光は、格子断面の凹凸部長手方向と入射光の成す平面に対し垂直でかつ０次回折光の進行方向を含む面内の方向に進行する。即ち、０次回折光または±１次回折光の分岐方向は格子凹凸部長手方向と直交する。図３に示す例では、Ｚ軸方向に進行する入射光５０に対して、無偏光回折格子２０により回折光がＹ軸方向に発生するように格子の長手方向が直線でＸ軸方向となるように設計され、偏光性回折格子４０により回折光がＹ軸方向に発生するように格子の長手方向が直線でＸ軸方向となるように設計されている。

図３に示すような配置とする場合、無偏光回折格子３０によって発生する不要な回折光が偏光性回折格子４０を透過することで、所望の光と同一の地点に到達しないように各回折素子の格子ピッチおよび素子の厚さを設計することが好ましい。これは所望の光と不要な回折光が同一地点に到達すると光の干渉が生じて検出する光の光量が変動するためである。このような設計はグレーティング方程式と光線追跡法を用いることで可能である。このような設計の一例として無偏光回折格子３０の格子ピッチと偏光性回折格子４０の格子ピッチを互いに整数倍としないようにすることができる。

入射する光のうち互いに直交する偏光状態の光の進行方向を互いに異ならせるものであれば偏光性回折格子４０の位置に偏光性回折格子４０の代わりに偏光分離機能を有する素子を配置してもよい。偏光分離機能として複屈折を有する材料のウォークオフを利用することができる。また、複屈折材料の厚みに傾斜を持たせ２つの異なる光学軸方向の屈折率の違いによって異なる方向に屈折させるものを用いてもよい。

次に、偏光位相分離素子１０の作用について説明する。本実施の形態における偏光位相分離素子１０に入射した入射光５０は、無偏光回折格子２０により透過および／または回折によって、互いに分離した２つの光５１ａと５１ｂとに分岐される。尚、入射光５０は信号光と参照光とが合波された光であり、図３において偏光位相分離素子１０にはＺ軸方向に入射する。矢印Ｓは信号光の偏光方向を示すものであり、矢印Ｒは参照光の偏光方向を示すものである。図３では、矢印Ｓに示される信号光の偏光方向はＸ軸方向であり、矢印Ｒに示される参照光の偏光方向はＹ軸方向とし、信号光Ｓの偏光方向と参照光Ｒの偏光方向とは、略直交して入射する。

分岐された光５１ａは、波長板３０における第１の領域３１に入射し、分岐された光５１ｂは、波長板３０における第２の領域３２に入射する。波長板３０における第１の領域３１に入射した光５１ａは、信号光と参照光、つまり、Ｘ軸方向の光成分とＹ軸方向の光成分とにおいて位相差が付加されることなく光５２ａとして出射される。一方、波長板３０における第２の領域３２に入射した光５１ｂは、信号光と参照光との間で９０°の位相差が付加され光５２ｂとして出射される。尚、位相差は９０°に限らず、９０°の奇数倍となるようにすれば同様の効果を得ることができるが、波長板の厚さを薄くできることを考えると位相差が９０°とすることが好ましい。

次に、光５２ａ及び光５２ｂは、偏光性回折格子４０に入射する。偏光性回折格子４０に用いる複屈折性材料の光学軸４０ａは、直行する信号光Ｓの偏光方向と参照光Ｒの偏光方向の中間で、略４５°の角度をなすことが好ましい。よって、偏光性回折格子４０に入射した光５２ａ及び光５２ｂはそれぞれ、光学軸４０ａの方向の直線偏光の光と光学軸４０ａと直交する方向の直線偏光の光とに分岐される。即ち、偏光性回折格子４０に入射した光５２ａは、光学軸４０ａに直交する偏光方向の光５３ａと光学軸４０ａと平行な偏光方向の光５３ｂとに分岐され出射される。尚、光学軸は、遅相軸または進相軸のいずれかである。例えば、光学軸４０ａが遅相軸であって、複屈折性材料の異常光屈折率ｎ_ｅとなる方向とし、複屈折性材料の常光屈折率ｎ_ｏと等方性材料の屈折率ｎ_ｓと略一致（ｎ_ｏ≒ｎ_ｓ、ｎ_ｅ≠ｎ_ｓ）している場合を考える。このとき、光５３ａは、光学軸４０ａに直交する直線偏光の光であるため、偏光性回折格子４０において回折されることなくそのまま直進して出射され、光５３ｂは、光学軸４０ａに平行な直線偏光の光であるため、偏光性回折格子４０において回折されて出射される。

このため、偏光位相分離素子１０に入射した入射光５０は、進行方向が異なる４つの光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び５３ｄとして出射され、４つの光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び５３ｄは、入射光５０の位相差を基準にしたとき、信号光Ｓと参照光Ｒとの位相差が、各々１８０°、０°、２７０°、９０°となる。

次に、本実施の形態における偏光位相分離素子１０の機能について、ジョーンズベクトルを用いて説明する。信号光Ｓの電場強度（＝１）に対して電場強度がＡ倍となるような参照光Ｒを入射させるとすると、入射する入射光５０における電場Ｅ_１は、数１に示す式で表される。ここで、△φは参照光Ｒの位相を基準にした信号光Ｓの位相差であり、信号光Ｓに位相変調された位相情報が含まれる場合、位相差△φを検出できればよい。

この後、無偏光回折格子２０によって２つの光５１ａ及び光５１ｂに分岐され、更に、波長板３０を透過した、光５２ａにおける電場Ｅ_２、光５２ｂにおける電場Ｅ_３は、数２、数３に示す式で表される。

尚、数２におけるα、数３におけるβは、光を分岐した際における強度の係数である。また、数３におけるＭは、ｓ偏光とｐ偏光との間において、９０°の位相差を与えるジョーンズ行列であり、例えば、数４に示されるものである。

更に、偏光性回折格子４０によって、光５２ａは光５３ａと光５３ｂとに分岐され、光５３ａにおける電場Ｅ_４、光５３ｂにおける電場Ｅ_５は、数５、数６に示す式で表される。同様に、偏光性回折格子４０によって、光５２ｂは光５３ｃと光５３ｄとに分岐され、光５３ｃにおける電場Ｅ_６、光５３ｄにおける電場Ｅ_７は、数７、数８に示す式で表される。

ここで、数５におけるＰ_１、数６におけるＰ_２は、偏光子を表すジョーンズ行列であり、例えば、数９、数１０に示す式で表される。尚、γ、δは強度の係数を示す。

ここで、数９及び数１０に示す式を用い、α、β、γ、δを１とした場合、電場Ｅ_４、Ｅ_５、Ｅ_６及びＥ_７により得られる光信号強度Ｉ_４、Ｉ_５、Ｉ_６及びＩ_７は、以下のように、表すことができる。

Ｉ_４＝（１＋Ａ^２−２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ_５＝（１＋Ａ^２＋２ＡｃｏｓΔφ）／４、
Ｉ_６＝（１＋Ａ^２＋２ＡｓｉｎΔφ）／４、
Ｉ_７＝（１＋Ａ^２−２ＡｓｉｎΔφ）／４、
上記光信号強度Ｉ_４、Ｉ_５、Ｉ_６及びＩ_７に基づき、下記の演算を行うことにより、Ａ倍に増強された光強度信号Ｓｉｇを検出することができる。

Ｓｉｇ＝｛（Ｉ_４−Ｉ_５）^２＋（Ｉ_６＋Ｉ_７）^２｝^１／２
＝｛（ＡｃｏｓΔφ）^２＋（ＡｓｉｎΔφ）^２｝^１／２
＝Ａ
これより、偏光位相分離素子を透過した４つの光それぞれを検出し、更に、演算機能を有する光検出器を備えることで、光強度信号Ｓｉｇを高い感度で検出することができる。従って、この光受信装置を用い、信号光Ｓに含まれる強度変調された光情報の検出において、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

さらに、下記の演算を行うことにより、参照光Ｒと信号光Ｓの位相差△φを検出することができる。

（Ｉ_６―Ｉ_７）／（Ｉ_５―Ｉ_４）＝｛（ＡｓｉｎΔφ）／（ＡｃｏｓΔφ）｝
＝ｔａｎΔφ
従って、
Δφ＝ｔａｎ^−１｛（Ｉ_６―Ｉ_７）／（Ｉ_５―Ｉ_４）｝
その結果、参照光Ｒは位相が一定のため、信号光Ｓに含まれる位相変調された情報を高いＳ／Ｎ比で検知できる。

例えば、Δφの値が、０°、９０°、１８０°、２７０°の４値である場合、光検出器６０が、Ｉ_４−Ｉ_５の演算、Ｉ_７−Ｉ_６の演算を行う機能を有するとすると、Ｓｉｇ１＝Ｉ_４−Ｉ_５＝ＡｃｏｓΔφ、Ｓｉｇ２＝Ｉ_７−Ｉ_６＝ＡｓｉｎΔφより、下記に基づき、Δφの値を知ることができる。

Δφ＝０°の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（１、０）、
Δφ＝９０°の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（０、１）、
Δφ＝１８０°の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（−１、０）、
Δφ＝２７０°の場合、（Ｓｉｇ１、Ｓｉｇ２）＝Ａ（０、−１）、
即ち、位相情報を検知することが可能な小型で組立等の製造が容易な光受信装置１００を得ることができる。

（波長板）
次に、本実施の形態における偏光位相分離素子１０に用いられる波長板３０について説明する。波長板３０としては、様々な構成のものが考えられる。尚、図３に示すように、第１の領域３１と第２の領域３２は、無偏光回折格子２０で分岐した２つの光５１ａ、５１ｂがそれぞれ入射するように配置されていればよく、第１の領域３１と第２の領域３２の形状やこれらの領域の境界線がどのようなものでもよい。

図４は、波長板３０の具体的な構成として、波長板３０ａ、波長板３０ｂ及び波長板３０ｃの断面模式図を例示したものである。これらの波長板３０ａ、波長板３０ｂ及び波長板３０ｃは、いずれも図２及び図３に示される波長板３０として用いることができるものである。具体的には、図４（ａ）に示されるように、波長板３０ａは、第１の領域３１ａにおいて、等方性材料３３ａが透明基板３５ａ及び３６ａに挟持され、第２の領域３２ａにおいて、複屈折性材料となる高分子液晶３４ａと等方性材料３３ａとが透明基板３５ａ及び３６ａに挟持される構造を有する。図４（ａ）においては、高分子液晶３４ａは、Ｙ軸方向に平行に配向される。波長板３０ａは、透明基板３６ａ上に一様に高分子液晶膜を成膜した後、フォトリソグラフィ及びエッチング加工により第１の領域３１ａにおける高分子液晶膜を除去し、第２の領域３２ａにのみ高分子液晶３４ａを形成し、この後、充填剤となる等方性材料３３ａを透明基板３５ａと透明基板３６ａとの間に、充填させることにより形成することができる。尚、第２の領域３２ａには等方性材料３３ａが備えられていない（空気）構造であってもよい。

また、図４（ｂ）に示されるように、波長板３０ｂは、第１の領域３１ｂが、透明基板面に垂直方向（Ｚ軸方向）に配向された垂直配向液晶３３ｂを有し、第２の領域３２ｂが、透明基板面に水平方向に配向された水平配向液晶３４ｂを有する。図４（ｂ）においては、水平配向液晶３４ｂは、Ｙ軸方向に平行に配向される。このような波長板３０ｂの形成方法は、透明基板３５ｂ及び３６ｂにおいて、第１の領域３１ｂでは液晶が垂直配向するように、第２の領域３２ｂでは液晶が水平配向するように、配向処理を行い、配向処理の行われた面を対向させて液晶を封入して製造することができる。尚、配向処理の方法としては、配向膜のラビング、光配向処理、イオンビーム照射、配向させるための溝形成等の方法を用いることができる。

また、図４（ｃ）に示されるように、波長板３０ｃは、透明基板３３ｃ上の第１の領域３１ｃには何も形成せず、基板３３ｃ上の第２の領域３２ｃ上にのみ複屈折層３４ｃとして構造複屈折を有する材料やフォトニック結晶を形成することにより発生する位相差を調整するものである。この他、複屈折層３４ｃとして延伸した高分子フィルムを形成したものでもよい。また、第１の領域または第２の領域を透過する光に対して、位相差を与えないものとして、媒質が空気であってもよく、その場合、波長板は、実質的に第１の領域または第２の領域のいずれかに配置するものであって、入射する波長λの光に対して９０°の奇数倍の位相差を与える複屈折性材料を形成すればよい。

また、常光屈折率ｎ_ｗｏと異常光屈折率ｎ_ｗｅ（ｎ_ｗｏ≠ｎ_ｗｅ）との関係においては、（ｎ_ｗｅ−ｎ_ｗｏ）＞０．０１となる複屈折材料を用いることが好ましく、（ｎ_ｗｅ−ｎ_ｗｏ）＞０．０４となる複屈折材料を用いるとより好ましく、（ｎ_ｗｅ−ｎ_ｗｏ）＞０．０５となる複屈折材料を用いるとさらに好ましく、（ｎ_ｗｅ−ｎ_ｗｏ）＞０．０６５となる複屈折材料を用いるとより好ましい。また、用いることのできる複屈折材料の観点より、０．３＞（ｎ_ｗｅ−ｎ_ｗｏ）となるものが好ましい。

（偏光性回折格子）
次に、偏光性回折格子４０について説明する。本実施の形態における偏光位相分離素子１０に用いられる偏光性回折格子４０は、図５に示すように、断面がブレーズ形状または、ブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状を有し、高分子液晶からなる複屈折性材料層４４と、等方性材料が、複屈折性材料層４４の凹凸を平坦化するように配置されてなる等方性材料層４５とが、透明基板４２及び４３に挟持される構造を有する。尚、複屈折性材料層４４は、凸状となる部分が＋Ｙ方向に厚くなるような（擬似）ブレーズ形状の傾きを有するが、逆の傾きを有するものでもよく、さらに、光学軸の方向が４５°方向であれば、Ｘ−Ｙ平面において複屈折性材料層４４の長手方向が任意の方向に揃うものでもよい。

また、複屈折性材料層４４の配向方向（例えば遅相軸）は、図５のＸ−Ｙ平面において、Ｘ軸より４５°の角度をなす方向とする。尚、等方性材料の屈折率をｎ_ｓとするとき、等方性材料は、高分子液晶の常光屈折率ｎ_ｏまたは異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）のいずれか一方に略一致する材料によって構成されている。尚、偏光性回折格子として、断面が（擬似）ブレーズ形状とすると、透過または回折して分岐する光の利用効率を高くできる点で好ましいが、これに限らず矩形状の周期的凹凸を有するものでもよい。

ここで、屈折率の関係をｎ_ｓ≒ｎ_ｏ、ｎ_ｓ≠ｎ_ｅとするとき、高分子液晶の遅相軸方向となる異常光屈折率の方向の偏光成分の光は回折され、高分子液晶の進相軸方向となる常光屈折率の方向の偏光成分の光は回折されることなく直進透過する。このような偏光性回折格子４０は、透明基板４２上に高分子液晶膜を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングを繰り返し行うことにより擬似ブレーズ形状となる高分子液晶からなる複屈折性材料層４４を形成し、この後、透明基板４２と透明基板４３との間に、充填剤として等方性材料を充填した等方性材料層４５を形成して作製することができる。また、複屈折性材料層４４の形成方法としては、構造複屈折又はフォトニック結晶を格子状に形成する方法により作製することも可能である。

波長板３０の第１の領域３１と第２の領域３２を透過する無偏光回折格子２０で分岐された２つの光に対して、偏光性回折格子４０における複屈折性材料層４４の凸状の格子パターン（格子ピッチおよび格子長手方向）が異なるように形成してもよい。ここで、無偏光回折格子２０および偏光性回折格子４０の格子パターンに応じて発生する４つの分岐光が集光する位置に光検出器６０の受光面を配置する。

入射する光のうち互いに直交する偏光状態の光の進行方向を互いに異ならせるものであれば、偏光性回折格子４０の位置に偏光性回折格子４０の代わりに、偏光分離機能を有する素子を配置してもよい。

このような偏光分離機能素子の例として、複屈折材料のウォークオフを用いる偏光分離機能素子９０ａを図６に示す。図６においてＸ'軸は図３における４０ａ方向と直交した方向であり、Ｙ'軸は４０ａと同じ方向となっている。偏光分離機能素子９０ａは複屈折材料９１を用いており、その光学軸はＹ'軸からＹ'Ｚ面内で所定の角度となる方向を向いている。このような複屈折材料９１に対して光を入射すると、Ｘ'偏光方向の光とＹ'偏光方向の光でポインティングベクトルの方向が異なるいわゆるウォークオフが生じる。ウォークオフが生じることで、Ｘ'偏光方向の光とＹ'偏光方向の光を分離することができる。

また、このような偏光分離機能素子の他の例として、複屈折材料の厚みに傾斜を持たせた偏光分離機能素子９０ｂを図７に示す。図７においてＸ'軸は、図３における４０ａ方向と直交した方向であり、Ｙ'軸は４０ａと同じ方向となっている。偏光分離機能素子９０ｂは複屈折材料９２を用いており、その光学軸はＸ'軸方向を向いている。また、複屈折材料９２はＹ'軸方向に厚みが傾斜している。このような複屈折材料９２に対して、光を入射すると複屈折材料９２の出射側の界面においてＸ'偏光方向の屈折率とＹ'偏光方向の屈折率が異なることで屈折角が変化し、Ｘ'偏光方向の光とＹ'偏光方向の光が異なる方向へ出射される。このようにしてＸ'偏光方向の光とＹ'偏光方向の光を分離することができる。

また、このような偏光分離機能素子の他の例として、複屈折材料の厚みに傾斜を持たせた偏光分離機能素子９０ｃを図８に示す。図８において、Ｘ'軸は図３における４０ａ方向と直交した方向であり、Ｙ'軸は４０ａと同じ方向となっている。偏光分離機能素子９０ｃは複屈折材料９３を用いており、その光学軸はＸ'軸方向を向いている。また、複屈折材料９３はＹ'軸方向に厚みが傾斜しており、偏光分離機能素子９０ｃは等方性材料９４によって平坦化されている。このような偏光分離機能素子９０ｃに対して光を入射すると、複屈折材料９３と等方性材料９４の界面においてＸ'偏光方向の屈折率とＹ'偏光方向の屈折率が異なることで屈折角が変化し、Ｘ'偏光方向の光とＹ'偏光方向の光が異なる方向へ出射される。このようにしてＸ'偏光方向の光とＹ'偏光方向の光を分離することができる。

図８では等方性材料９４と複屈折材料９３の光学軸方向の屈折率が一致した例を示しているが、このような場合に限らず等方性材料９４と複屈折材料９３の光学軸方向の屈折率が一致していない場合にも、等方性材料９４と複屈折材料９３の界面で２つの偏光方向の光が異なる方向に屈折させることが可能である。また、図８では、単一の鋸刃状の複屈折材料の形状としているが、これに限らず複数の鋸刃状の凹凸を有する複屈折材料の形状としてもよい。このようにすることで複屈折材料の厚みを小さくすることができる。

複屈折材料９１、９２、９３として複屈折性を有する結晶を用いてもよい。また、有機材料を用いてもよく、フィルム材料や液晶材料を用いることができる。液晶材料を用いる場合、高分子液晶を用いると温度特性が安定化されるため好ましい。また、液晶材料を用いる場合、ガラスなど材料で作られたセルの内に液晶を封じたものであってもよい。このような場合、液晶材料の厚みや光学軸が図６から図８に示すようにすればよい。

（偏光位相分離素子の入射角依存性）
次に、本実施の形態における偏光位相分離素子１０の入射角度依存性について説明する。図９は、本実施の形態における偏光位相分離素子１０の波長板３０の第２の領域３２において生じるｐ偏光とｓ偏光の位相差と、従来の偏光位相変換分離素子、即ち、特許文献１に記載されている偏光位相変換分離素子となる角度選択性偏光変換素子において生じるｐ偏光とｓ偏光の位相差とについて、入射角度依存性を計算した結果である。尚、計算方法は、４×４行列法を用い、入射角度は空気中からの入射を想定した角度を示している。

従来の角度選択性偏光変換素子については、光学軸を光軸と一致させた水晶において計算を行ったものであり、水晶における常光屈折率を１．５５７、異常光屈折率を１．５６７とし、入射角度１０°で生じる位相差が、９０°となるように、厚さを０．８６ｍｍとして行った。一方、本実施の形態における波長板３０については、第２の領域３２に、水平配向している高分子液晶膜を形成した場合について、入射角度依存性の計算を行ったものであり、高分子液晶における常光屈折率を１．５１０、異常光屈折率を１．５５２とし、厚さを２．４μｍとして行った。

図９に示されるように、本実施の形態における偏光位相分離素子１０の波長板３０では、入射角度が変化しても、出射される光のｓ偏光とｐ偏光との間に生じる位相差は略９０°で、殆ど変化しないのに対し、従来の偏光位相変換分離素子に用いられる角度選択性偏光変換素子では、入射角度が変化すると、出射される光の位相差も変化してしまう。

このような入射角度に対する依存性の違いは、複屈折材料の光学軸の方向に依存している。波長板の光学軸が光軸と一致した方向を向いている場合、角度が変化することによって、屈折率楕円体の断面の形が変化し各偏光における屈折率が変化することにより、角度依存性を生じる。これに対して、本実施の形態における波長板の光学軸は、波長板面内を向いており、特に、入射光の入射方向のベクトルを波長板面内へ投影した場合に、投影されたベクトルの方向が光学軸と直交する方向になるようにしている。このように配置することで入射角度が変化した際にも屈折率楕円体の断面の形が変化しないため波長板によって生じる位相差の良好な角度依存性を得ることができる。

このように、本実施の形態において用いられる波長板３０は、従来の角度選択性偏光変換素子に比べ、光の入射角度依存性が極めて低く、光学設計の自由度が大きく、製造のバラツキにより光学特性が大きく変化することも少ない。

次に、無偏光回折格子２０の回折光の進行方向と偏光性回折格子４０の回折光の進行方向とが同一方向とならないように、偏光位相分離素子における偏光性回折格子の複屈折性材料層４４からなる凸状部分の長手方向が、無偏光回折格子２０の格子長手方向であるＸ軸方向と角度をなすように形成された偏光位相分離素子について、図１０に示す偏光位相分離素子１１の構成図を用いて説明する。

偏光位相分離素子１０と偏光位相分離素子１１の相違点は、偏光性回折格子４１の複屈折性材料層４４からなる凸状部分の長手方向のみで、他の構成は同じである。その結果、入射光５０が無偏光回折格子２０により回折され、２つの光５１ａ及び５１ｂとなって進行し、偏光性回折格子４１により回折されないで直進透過する偏光成分の透過光である光５３ａ及び５３ｃに対し、偏光性回折格子４１により回折される偏光成分の＋１次回折光である光５３ｂ及び５３ｄの光軸は、光５３ａ及び５３ｃの分岐光の光軸で規定される平面内には存在しない。

理想的ブレーズ形状に作製された場合を除き、回折素子の入射光は複数の回折次数に対応する回折角度に回折光が発生する。無偏光回折格子２０では、信号検出目的の±１次回折光以外の回折光が発生する。また、偏光性回折格子４１では、信号検出目的の光は複屈折性材料層４４の光学軸４０ａに平行な直線偏光で発生する＋１次回折光と、光学軸４０ａに直交する直線偏光の０次回折光だが、それぞれの＋１次回折光および０次回折光以外の回折光が製造ばらつきなどに起因して発生する。このような不要な回折光が光検出器の受光面に入射すると信号のＳ／Ｎ比低下となる。特に、無偏光回折格子の透過・回折光と偏光性回折格子の透過・回折光の多重透過・回折光が多数発生するため、迷光化しやすい。

しかし、偏光位相分離素子１１では、無偏光回折格子２０の透過・回折光の方向と偏光性回折格子４１の透過・回折光の方向が異なるため、４つの分岐された信号光である光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの集光位置にそれぞれ配置された光検出器６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄの受光面には発生した迷光が混入しない。その結果、光信号情報を高いＳ／Ｎ比を維持して電気信号情報に変換され、高精度の強度変調情報および位相変調情報が検知できる。尚、偏光位相分離素子１１は、図２及び図３において、偏光位相分離素子１０に代えて用いることができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態における光受信装置について説明する。図１１は、本実施の形態における光受信装置の構成図である。本実施の形態における光受信装置２００において、光受信部１００ａと光受信部１００ｂの部分は図２に示す第１の実施の形態の光受信装置１００とほぼ同じ構成であるため説明を省略する。

光ファイバー等の光伝送部２７１より強度変調および位相変調された光情報を含む信号光Ｓが発散光２５２となって出射し、集光レンズ２８３により平行光となる。この信号光Ｓは、光ファイバー伝送中に偏光状態が変化し、図１１においてＹ軸方向の直線偏光であるｐ偏光成分とＸ軸方向の直線偏光であるｓ偏光成分が位相差を有して合成された楕円偏光となっている。

信号光Ｓのｐ偏光成分Ｓｂは、ＰＢＳ２９３を透過し、ホモダイン検出部である光受信部１００ｂに入射する。一方、信号光Ｓのｓ偏光成分Ｓａは、ＰＢＳ２９３およびＰＢＳ２９２で反射された後、ホモダイン検出部である光受信部１００ａに入射する。

信号光Ｓと同一波長で直線偏光の参照光Ｒは、可干渉長が長く狭い発振波長幅の局部発振光源であるレーザ光源２７２を用いて生成され、図１１のＸ−Ｙ平面内でＸ軸方向に対して４５°傾斜した直線偏光の発散光２５１となって出射する。集光レンズ２８１により平行光となった参照光Ｒは同じ振幅比率のＸ軸およびＹ軸方向の偏光成分を有し、Ｙ軸方向の直線偏光であるｐ偏光成分Ｒａは、ＰＢＳ２９１およびＰＢＳ２９２を透過し、ホモダイン検出部である光受信部１００ａに入射する。一方、Ｘ軸方向の直線偏光であるｓ偏光成分Ｒｂは、ＰＢＳ２９１および１８０°光路を切り替える全反射プリズム２９４で全反射され、ＰＢＳ２９３で反射された後、ホモダイン検出部である光受信部１００ｂに入射する。

尚、光受信部１００ａに入射した光は複数の光受光面を有する光検出器２６１ａにより検出され、光受信部１００ｂに入射した光は複数の光受光面を有する光検出器２６１ｂにより検出される。

図２に示した第１の実施の形態に比べ、光受信装置内にホモダイン検出に必用な参照光を生成するレーザ光源２７２を備え、外部からの信号光入力のみで、部品点数が少なく小型・軽量の９０°光ハイブリッド位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信装置を実現できる。また、信号光の偏光状態が伝送中に変化し、光検出器２６１ａ及び２６１ｂで検知される信号光強度が変化しても、合算信号強度の変動は無いため、偏波ダイバーシティ検出となっている。尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

（実施例１）
実施例として、第１の実施の形態における光受信装置について説明する。本実施例における光受信装置は、図２に示されるようにＷＤＭ光通信におけるＣバンド波長帯の９０°光ハイブリッド位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信装置となる光受信装置１００である。

信号光Ｓおよび参照光Ｒの波長を１５４５ｎｍ、入射側および出射側ＮＡが約０．１２で有効径が約１ｍｍの集光レンズ８０、偏光位相分離素子１１、光検出器６０をこの順番に配置する。集光レンズ８０と偏光位相分離素子１１および光検出器６０との間隔は、それぞれ約０．５ｍｍと４．５ｍｍとする。偏光位相分離素子１１は図１０に示す構成および機能を有する。

無偏光回折格子２０は、厚さ２ｍｍの石英ガラス基板の平面上に、Ｘ軸方向が長手方向でＹ軸方向に周期的な凹凸加工を行った回折格子であり、周期的な凹凸構造のピッチが３μｍ、凹凸の深さが約１.７６μｍとなるように加工する。石英ガラスの屈折率を１．４４とすると、波長１５４５ｎｍの光に対して、Ｙ軸方向に±１次回折光が発生しその効率は約４０％、０次回折効率は約０％となる。±１次回折光の光線を追跡すると、厚さ２ｍｍの石英ガラス基板を通過後、＋１次回折光と−１次回折光は空間的に重ならない。

波長板３０は図４（ｂ）の波長板３０ｂと同様の構造を有しており、厚さ０．３ｍｍの一対の石英ガラス基板で高分子液晶を挟持した構造となっている。一対の石英ガラス基板は第１の領域３１ｂ、第２の領域３２ｂに対してそれぞれ垂直配向処理、Ｘ方向が異常光方向となるような水平配向処理がなされ、配向処理を施した平面を対向させるように重ね、その空隙を液晶で満たすようにする。高分子液晶の異常光屈折率を１．６５、常光屈折率を１．５３とし、高分子液晶の厚さを約３．２２μｍとする。このとき垂直配向をした第１の領域３１ｂではＸ軸方向とＹ軸方向の直線偏光に対して位相差が発生せずに、第２の領域３２ｂではＸ軸方向とＹ軸方向の直線偏光に対して約１８０°の位相差が発生する。第１の領域３１ｂには無偏光回折格子による＋１次回折光が入射し、第２の領域３２ｂには−１次回折光が入射するので、−１次回折光はＸ軸方向とＹ軸方向の直線偏光に対して約１８０°の位相差が与えられる。

偏光性回折格子４０は厚さ０．３ｍｍの石英ガラス基板のＸ−Ｙ平面上でＸ軸方向から４５度方向に配向した高分子液晶を１６段の擬似ブレーズ形状とし、充填材によって厚さ０．３ｍｍの石英ガラス基板と貼り合わせる。高分子液晶の異常光屈折率を１．６５、常光屈折率を１．５３、充填材の屈折率を１．５３とする。ブレーズ形状は長手方向がＹ軸方向で、Ｘ軸方向に対して周期的に配置され、回折格子ピッチは１０μｍ、ブレーズの各段の高さは約０．８μｍである。ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis）法によって回折効率を計算すると、常光屈折率となる方向の直線偏光が入射した場合には回折せずに直進透過し、異常光屈折率となる方向の直線偏光が入射した場合にはＸ軸方向に＋１次回折光が発生しその効率が約９２％となる。

無偏光回折格子２０、波長板３０および偏光性回折格子４０を光入射側よりこの順番で一体化し、素子厚約３．２ｍｍの偏光位相分離素子１１を作製する。

以上のように偏光位相分離素子１１に入射した入射光５０は４つの光束となる光５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄに分岐され、光検出器６０（６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ）の各受光面に集光される。無偏光回折格子２０の他の回折光、偏光性回折格子４０の他の回折光およびそれらの多重回折光は、光検出器６０の受光面と異なる位置に集光されるため、信号検出目的の光のＳ／Ｎ比低下につながる迷光とはならない。

光検出器６０により電気信号に変換された光信号強度Ｉ_４、Ｉ_５、Ｉ_６及びＩ_７を実施の形態で説明した方法で、Ｉ_４−Ｉ_５及びＩ_７−Ｉ_６の演算を行うことにより、Ｓｉｇ１＝Ｉ_４−Ｉ_５＝ＡｃｏｓΔφ、Ｓｉｇ２＝Ｉ_７−Ｉ_６＝ＡｓｉｎΔφとなる。その結果、信号光Ｓの信号強度が参照光ＲによりＡ倍に増幅され、参照光Ｒに対する信号光Ｓの位相差△φの値を検知できる。即ち、デジタルコヒーレント光伝送で有効な９０°光ハイブリッド位相ダイバーシティ・ホモダイン光受信装置において、高いＳ／Ｎ比で光強度情報と位相情報を検知できる小型で組立等の製造が容易な光受信装置となる。

本実施の形態における光受信装置に用いられる偏光位相分離素子として、無偏光分岐部が無偏光回折格子からなり、偏光性分岐部が偏光性回折格子からなる構成例について説明したが、他の光学素子を用いてもよい。例えば、無偏光回折格子の代わりに入射面で空間２分割された断面が二等辺三角形の三角柱プリズムを用い、入射角の異なるプリズム斜面の屈折を利用して入射光を２方向に分岐してもよい。また、偏光性回折格子の代わりにウオラストンプリズム、グラントムソンプリズムなどの複屈折結晶を用いて入射直交偏光を分岐してもよい。

（実施例２）
実施例２の光受信装置は実施例１の無偏光回折格子２０のみを変更したものであり、その他の構成については実施例１と同じものである。

無偏光回折格子２０は、厚さ０．５ｍｍの石英ガラス基板の平面上に、Ｘ軸方向が長手方向でＹ軸方向に周期的な凹凸加工を行った回折格子であり、周期的な凹凸構造のピッチが１．９μｍ、凹凸の深さが約１.７６μｍとなるように加工する。石英ガラスの屈折率を１．４４とすると、波長１５４５ｎｍの光に対して、Ｙ軸方向に±１次回折光が発生しその効率は約４０％、０次回折効率は約０％となる。無偏光回折格子２０と波長板３０の間が空気となるように１．５ｍｍの間隔となるように設置する。このようにすることで無偏光回折格子２０の回折部と波長板３０の波長板部の平均的な屈折率を（０．５×１．４４＋１．５×１＋０．３×１．４４）／２．３＝１．１５と小さくすることができる。±１次回折光の光線を追跡すると、厚さ２ｍｍの石英ガラス基板を通過後、＋１次回折光と−１次回折光は空間的に重ならない。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１０、１０ａ、１０ｂ、１１ 偏光位相分離素子
２０ 無偏光回折格子
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 波長板
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ 第１の領域
３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ 第２の領域
３３ａ 等方性材料
３３ｂ 高分子液晶（垂直配向）
３４ａ、３４ｂ 高分子液晶
４０、４１ 偏光性回折格子
４０ａ 光学軸
４２、４３ 透明基板
４４ 複屈折性材料層
４５ 等方性材料層
５０ 入射光
５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ 光
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、２６１ａ、２６１ｂ 光検出器
７０、２７１ 光伝送部
８０、２８１、２８２、２８３、２８４ 集光レンズ
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ 偏光分離機能素子
９１、９２、９３ 複屈折材料
９４ 等方性材料
１００、２００ 光受信装置
２５１、２５２ 発散光
２７２ レーザ光源
２９１、２９２、２９３ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２９４ 全反射プリズム
Ｓ、Ｓａ、Ｓｂ 信号光
Ｒ、Ｒａ、Ｒｂ 参照光

Claims (10)

1. 直線偏光の光であるｓ偏光の光と、前記ｓ偏光の光と直交するｐ偏光の光とが含まれる入射光を、２つの進行方向に分岐する無偏光分岐部と、
   前記無偏光分岐部により分岐された２つの光のうち、一方の光に対して位相差を与えず、他方の光に対してのみ、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与えるように、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料を有する波長板と、
   ９０°の奇数倍に略等しい位相差を与えられた光を含む２つの光が入射し、互いに直交する、第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光毎、２つの進行方向に分岐する偏光性分岐部と、
   前記無偏光分岐部及び前記偏光性分岐部により４つに分岐された光の各々を受光する４つの光検出器と、
   を備えたことを特徴とする光受信装置。
2. 前記入射光は、同じ波長の信号光と参照光を含むものであって、前記無偏光分岐部と、波長板と、偏光性分岐部とにより形成される偏光位相分離素子により前記入射光が分岐されるものであることを特徴とする請求項１に記載の光受信装置。
3. 前記無偏光分岐部により分岐された２つの光の分岐方向と前記偏光性分岐部により分岐された光の分岐方向とが所定の角度を成すように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光受信装置。
4. 前記無偏光分岐部は無偏光回折格子であって、入射光の＋１次回折光と−１次回折光を２つの進行方向に分岐された光とすることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光受信装置。
5. 前記偏光性分岐部は偏光性回折格子であって、入射光の常光偏光成分を回折せず透過するとともに異常光偏光成分を回折する、または、入射光の異常光偏光成分を回折せず透過するとともに常光偏光成分を回折することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光受信装置。
6. 前記偏光性回折格子は、光学軸が厚さ方向に揃い、常光屈折率ｎ_ｏと異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）を有する複屈折性材料からなる複屈折性材料層および、屈折率がｎ_ｓとなる等方性材料からなる等方性材料層によって周期的凹凸が形成され、前記屈折率ｎ_ｓは、前記常光屈折率ｎ_ｏまたは前記異常光屈折率ｎ_ｅと略等しく、前記複屈折性材料層の光学軸の方向と、前記位相板の光学軸の方向とが、略４５°の角度をなすことを特徴とする請求項５に記載の光受信装置。
7. 前記無偏光回折格子の格子長手方向と前記偏光性回折格子の格子長手方向とが所定の角度をなすことを特徴とする請求項５または６に記載の光受信装置。
8. 前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、前記第２の領域にのみ、高分子液晶を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光受信装置。
9. 前記波長板は、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、位相差を与えない第１の領域と、前記ｓ偏光の光と前記ｐ偏光の光との間で、９０°の奇数倍に略等しい位相差を与える第２の領域を有し、前記第１の領域および前記第２の領域は、いずれも高分子液晶を有し、前記第１の領域における高分子液晶は厚さ方向に略平行に配向されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光受信装置。
10. 互いに直交するｓ偏光の光とｐ偏光の光を合波させる偏光ビームスプリッタを備え、異なる方向から入射する前記信号光と参照光を偏光ビームスプリッタにより合波することにより前記偏光位相分離素子への入射光を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の光受信装置。

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