JP2014092758A - コヒーレントミキサ - Google Patents

Abstract

【課題】光強度偏差を低減可能なコヒーレントミキサを提供できる。
【解決手段】マルチポートＭＭＩ１３では、一次側−端１２は、出力ポート１９ａ〜１９ｄを有する。二次側−端１４は、入力ポート２１ａ及び２１ｂを有する。第１ＭＭＩ１５は、マルチポートＭＭＩ１１３の第１入力ポート１６ａに光学的に結合される。第２ＭＭＩ１７は、マルチポートＭＭＩ１３の第２入力ポート２１ｂに光学的に結合される。第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７が、それぞれ、入力ポート１５ａ、１７ａからの入力光から高次モードを低減した光を出力ポート１５ｂ、１７ｂに生成できる。このため、マルチポートＭＭＩ１３の入力ポート２１ａ及び力ポート２１ｂが、それぞれ、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７に光学的に結合されるとき、入力光に含まれる高次モードに起因する光強度偏差が小さくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレントミキサに関する。

非特許文献１は、デジタルＱＰＳＫを用いる次世代光通信のための光受信器を開示する。

H -G. Bach et al., "100 Gb/s Photoreceivers for Coherent and Direct Detection," OFC2011, OML1.

非特許文献１では、コヒーレント受信器がデジタルＱＰＳＫ光受信器においてを用いられる。コヒーレント受信器に使用されるコヒーレントミキサは、信号光と局所発振光をミキシングして、位相情報を光強度情報に変換する。コヒーレントミキサの一例として９０度ハイブリッドがある。非特許文献１では、モノリシックＩｎＰ系コヒーレント９０゜ハイブリッドの光電気集積素子を含む。コヒーレント９０゜ハイブリッドは、２つの入力ポートに受けた信号光及び参照光を干渉させて４つの信号光を生成する。これらの信号光は、４つのフォトダイオード（ＰＤ）に入力する。このような受信器は、チャネル１のＰＤ電流とチャネル２のＰＤ電流との間の差分、チャネル３のＰＤ電流とチャネル４のＰＤ電流との間の差分を取って受信感度を向上させる方式を用いているので、出力における光強度偏差（透過光強度の差）が大きい９０度ハイブリッドでは、受信感度を低下させる。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、光強度偏差を低減可能なコヒーレントミキサを提供することを目的とする。

本発明に係るコヒーレントミキサは、（ａ）一次側−端及び二次側−端を有するマルチポートＭＭＩと、（ｂ）単一の入力ポート及び単一の出力ポートを有し、前記入力ポートからの光から高次モードを低減した光を出力ポートに生成する第１ＭＭＩと、（ｃ）単一の入力ポート及び単一の出力ポートを有し、前記入力ポートからの光から高次モードを低減した光を出力ポートに生成する第２ＭＭＩと、を備え、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端は、第１出力ポート、第２出力ポート、第３出力ポート及び第４出力ポートを有し、前記マルチポートＭＭＩの前記二次側−端は、第１入力ポート及び第２入力ポートを有し、前記第１ＭＭＩは、前記マルチポートＭＭＩの前記第１入力ポートに光学的に結合され、前記第２ＭＭＩは、前記マルチポートＭＭＩの前記第２入力ポートに光学的に結合される。

このコヒーレントミキサによれば、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩの各々が、入力ポートからの入力光から高次モードを低減した光を出力ポートに生成できる。このため、マルチポートＭＭＩの第１入力ポート及び第２入力ポートが、それぞれ、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩに光学的に結合されるとき、入力光に含まれる高次モードに起因する光強度偏差が小さくなる。

本発明に係るコヒーレントミキサでは、前記第１ＭＭＩは、一次側−端及び二次側−端並びに第１側面及び第２側面を有しており、前記第１ＭＭＩの前記第１側面及び第２側面は前記一次側−端から前記二次側−端に向かう基準軸の方向に延在しており、前記第１ＭＭＩの前記一次側−端及び前記二次側−端は、前記基準軸に交差する方向に延在し、前記第１ＭＭＩの出力ポートが前記一次側−端に設けられると共に前記第１ＭＭＩの入力ポートが前記二次側−端に設けられ、前記第１ＭＭＩの前記入力ポート及び前記第１ＭＭＩの前記出力ポートは、前記基準軸上に位置することができる。

このコヒーレントミキサによれば、第１ＭＭＩでは、第１ＭＭＩの側面の延在方向は基準軸の方向である。一次側−端及び二次側−端は、基準軸に交差する方向に延在する。第１ＭＭＩにおいて、入力ポートが一次側−端に設けられると共に出力ポートが二次側−端に設けられる。また、第１ＭＭＩの入力ポート及び出力ポートが基準軸上に位置する。これ故に、入力ポート及び出力ポートが、基準軸から外れて位置することにより第１ＭＭＩの高次モード排除力が低減することを避けることができる。

本発明に係るコヒーレントミキサは、前記第１ＭＭＩの前記入力ポートに光学的に結合された第１入力光導波路を更に備えることができる。前記第１ＭＭＩのＭＭＩ幅は前記第１入力光導波路の導波路幅より大きく、前記第１入力光導波路の一対の側面は、前記第１ＭＭＩの入力ポート端面に接続されることができる。

このコヒーレントミキサによれば、第１ＭＭＩのＭＭＩ幅は第１入力光導波路の導波路幅より大きいので、第１入力光導波路の導波路幅よりも第１ＭＭＩの入力ポート端面の幅が大きくなる。この入力ポート端面に第１入力光導波路の一対の側面が接続されるので、第１入力光導波路の側面のいずれかが著しく偏ることなく第１入力光導波路を第１ＭＭＩの入力ポート端面に接続できる。

本発明に係るコヒーレントミキサでは、前記マルチポートＭＭＩは第１側面及び第２側面を有し、前記第１出力ポート、前記第３出力ポート、前記第２出力ポート及び前記第４出力ポートは、前記二次側−端において前記第１側面から前記第２側面への方向にこの順に配列されており、前記第１入力ポート及び前記第２入力ポートは、前記一次側−端において前記第１側面から前記第２側面への方向にこの順に配列されており、前記マルチポートＭＭＩの前記第１出力ポート及び前記第１入力ポート並びに前記第１ＭＭＩの前記入力ポート及び前記出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第１軸上に位置しており、前記マルチポートＭＭＩの前記第２出力ポート及び前記第２入力ポート並びに前記第２ＭＭＩの前記入力ポート及び前記出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第２軸上に位置しており、前記マルチポートＭＭＩの前記第３出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第３軸上に位置しており、前記マルチポートＭＭＩの前記第４出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第４軸上に位置していることができる。

このコヒーレントミキサによれば、マルチポートＭＭＩの第１入力ポート及び第１出力ポート並びに第１ＭＭＩの入力ポート及び出力ポートの配列を一直線上に並べることができ、またマルチポートＭＭＩの第２入力ポート及び第２出力ポート並びに第２ＭＭＩの入力ポート及び出力ポートの配列を一直線上に並べることができる。これ故に、マルチポートＭＭＩ、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩの配置ずれによって、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩの特性低下やマルチポートＭＭＩへ入力する光の品質低下に起因する光強度偏差の増加を避けることができる。

本発明に係るコヒーレントミキサは、前記第１ＭＭＩの前記出力ポートを前記マルチポートＭＭＩの前記第１入力ポートに光学的に結合させる第１直線導波路と、前記第２ＭＭＩの前記出力ポートを前記マルチポートＭＭＩの前記第２入力ポートに光学的に結合させる第２直線導波路とを更に備えることができる。前記第１ＭＭＩの幅は、前記第１直線導波路の幅より大きく、前記第２ＭＭＩの幅は、前記第２直線導波路の幅より大きいことができる。

このコヒーレントミキサによれば、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩは、それぞれ、第１直線導波路及び第２直線導波路を介して直線的にマルチポートＭＭＩの第１入力ポート及び第２入力ポートに光学的に結合される。これ故に、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩを通過した光が、導波路の曲げに起因して生成された高次モードを含むことを避けることができる。

本発明に係るコヒーレントミキサでは、前記第１ＭＭＩの前記出力ポートは前記マルチポートＭＭＩの前記第１入力ポートに直接に接続されており、前記第２ＭＭＩの前記出力ポートは前記マルチポートＭＭＩの前記第２入力ポートに直接に接続されていることができる。

このコヒーレントミキサによれば、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩの追加による面積増大を低減できる。

本発明に係るコヒーレントミキサでは、前記マルチポートＭＭＩ、前記第１ＭＭＩ、及び前記第２ＭＭＩは、第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層を含み、前記第１クラッド層、前記コア層及び前記第２クラッド層は、基板上に順に配列され、前記基板の主面は、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に配列された第１エリア、第２エリア及び第３エリアを有し、前記基板の前記主面において、前記第１ＭＭＩは前記第１エリアに位置し、前記第２ＭＭＩは前記第２エリアに位置し、前記マルチポートＭＭＩは前記第３エリアに位置することができる。

このコヒーレントミキサによれば、入力ポート間隔の小さいマルチポートＭＭＩに、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩを適用することを可能にする。

本発明に係るコヒーレントミキサは、前記マルチポートＭＭＩの前記第１出力ポート、前記第２出力ポート、前記第３出力ポート及び前記第４出力ポートにそれぞれ光学的に結合された第１光受光素子、第２光受光素子、第３光受光素子及び第４光受光素子を更に備えることができる。

このコヒーレントミキサによれば、これらの受光素子は、第１ＭＭＩ及び第２ＭＭＩを通過した光の干渉から生成された光を受ける。

本発明に係るコヒーレントミキサでは、前記マルチポートＭＭＩ、前記第１ＭＭＩ、及び前記第２ＭＭＩは、ＩｎＰ基板上に順に設けられた第１ＩｎＰ層、ＧａＩｎＡｓＰ層、及び第２ＩｎＰ層を含むことができる。

このコヒーレントミキサによれば、導波路が化合物半導体からなるので、導波路構造と異なる半導体素子をコヒーレントミキサに作り込むことが可能になる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、光強度偏差を低減可能なコヒーレントミキサを提供できる。

図１は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。 図２は、実施例１に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。 図３は、２×４ＭＭＩ型９０度ハイブリッドの構造を示す図面である。 図４は、図３に示される９０度ハイブリッドの透過スペクトルを示す図面である。 図５は、この実施例に係る９０度ハイブリッドの透過スペクトルを示す図面である。 図６は、光の伝播の様子を２Ｄ−ＢＰＭ（beampropagation method: BPM）で計算した結果を示す図面である。 図７は、モード整形用ＭＭＩの入力ポート及び出力ポートの位置と高次モードの除去能との関係を示す図面である。 図８は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。 図９は、９０度ハイブリッド透過スペクトル及び光強度偏差を示す図面である。 図１０は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。 図１１は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの一実施例を示す図面である。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のコヒーレントミキサに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。コヒーレントミキサとして、９０゜ハイブリッドを説明する。コヒーレントミキサ１１は、マルチポート多モード干渉器（ＭＭＩ）１３と、第１多モード干渉器（ＭＭＩ）１５と、第２多モード干渉器（ＭＭＩ）１７とを備える。マルチポートＭＭＩ１３は、一次側−端１２及び二次側−端１４を有する。また、マルチポートＭＭＩ１３は、第１側面１３ａ及び第２側面１３ｂを有する。第１ＭＭＩ１５は、単一の入力ポート１５ａ及び単一の出力ポート１５ｂを有する。第１ＭＭＩ１５は、入力ポート１５ａに入力される光（基底モード及び高次モードを含む光）から高次モードの比率を低減した光を出力ポート１５ｂに生成する。第２ＭＭＩ１７は、単一の入力ポート１７ａ及び単一の出力ポート１７ｂを有する。第２ＭＭＩ１７は、入力ポート１７ａに入力される光（基底モード及び高次モードを含む光）から高次モードの比率を低減した光を出力ポート１７ｂに生成する。

入力ポート１５ａに入力される光は、本来は基底モードのみを含むことが望ましいけれども、例えば光導波路の屈曲等により生成される不所望の高次モードを含む。第１多モード干渉器（ＭＭＩ）１５及び第２多モード干渉器（ＭＭＩ）１７の各々は、基底モードから高次モードを生成可能な多モード導波路を含む。この多モード導波路における多モード干渉を利用して、第１多モード干渉器（ＭＭＩ）１５及び第２多モード干渉器（ＭＭＩ）１７の各々は、基底モード及び高次モードを含む入力光を個々の入力ポートに受けて個々の出力ポートに基底モードを選択的に結合させる。

本実施例では、第１ＭＭＩ１５は、単一の入力ポート１５ａに非断熱的に結合されるシングルモードの入力光導波路と一緒に利用されることができ、また単一の出力ポート１５ｂに非断熱的に結合されるシングルモードの出力光導波路と一緒に利用されることができる。第２ＭＭＩ１７は、単一の入力ポート１７ａに非断熱的に結合されるシングルモードの入力光導波路と一緒に利用されることができ、また単一の出力ポート１７ｂに非断熱的に結合されるシングルモードの出力光導波路と一緒に利用されることができる。

マルチポートＭＭＩ１３の一次側−端１２は、第１出力ポート１９ａ、第２出力ポート１９ｂ、第３出力ポート１９ｃ及び第４出力ポート１９ｄを有する。マルチポートＭＭＩ１３の二次側−端１４は、第１入力ポート２１ａ及び第２入力ポート２１ｂを有する。

第１ＭＭＩ１５は、マルチポートＭＭＩ１１３の第１入力ポート２１ａに光学的に結合される。第２ＭＭＩ１７は、マルチポートＭＭＩ１３の第２入力ポート２１ｂに光学的に結合される。

このコヒーレントミキサ１１によれば、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７が、それぞれ、入力ポート１５ａ、１７ａからの入力光から高次モードを低減した光を出力ポート１５ｂ、１７ｂに生成できる。このため、マルチポートＭＭＩ１３の第１入力ポート２１ａ及び第２入力ポート２１ｂが、それぞれ、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７に光学的に結合されるとき、入力光に含まれる高次モードに起因する光強度偏差が小さくなる。

コヒーレントミキサ１１では、第１ＭＭＩ１５は、一次側−端１５ａ及び二次側−端１５ｂ並びに第１側面１５ｃ及び第２側面１５ｄを有する。第１ＭＭＩ１５の第１側面１５ａ及び第２側面１５ｂは、一次側−端１５ａから二次側−端１５ｂに向かう基準軸（例えば軸Ａｘ１）の方向に延在する。この基準軸に交差する方向に、第１ＭＭＩ１５の一次側−端１５ａ及び二次側−端１５ｂが延在する。第１ＭＭＩ１５では、出力ポート１６ａが一次側−端１５ａに設けられると共に入力ポート１６ｂが二次側−端１５ｂに設けられる。第１ＭＭＩ１５では、入力ポート１６ｂ及び出力ポート１６ａは、基準軸（例えば軸Ａｘ１）上に位置することができる。

このコヒーレントミキサ１１によれば、第１ＭＭＩ１５では、第１ＭＭＩ１５の側面１５ｃの延在方向は基準軸（例えば軸Ａｘ１）の方向である。この基準軸に交差する方向に延在する個々の基準面に沿って、それぞれ、一次側−端１５ａ及び二次側−端１５ｂが延在する。第１ＭＭＩ１５において、出力ポート１６ａが一次側−端１５ａに設けられると共に入力ポート１６ｂが二次側−端１５ｂに設けられる。また、第１ＭＭＩ１５は、出力ポート１６ａ及び入力ポート１６ｂが基準軸（例えば軸Ａｘ１）上に位置するように設けられる。これ故に、出力ポート１６ａ及び入力ポート１６ｂが上記の基準軸から外れて位置することにより第１ＭＭＩ１５の高次モード排除力が低減することを避けることができる。

第２ＭＭＩ１７は、一次側−端１７ａ及び二次側−端１７ｂ並びに第１側面１７ｃ及び第２側面１７ｄを有する。第２ＭＭＩ１７の第１側面１７ａ及び第２側面１７ｂは、一次側−端１７ａから二次側−端１７ｂに向かう基準軸（例えば軸Ａｘ２）の方向に延在する。この基準軸に交差する方向に延在する個々の基準面にそって、それぞれ、一次側−端１７ａ及び二次側−端１７ｂが延在する。第２ＭＭＩ１７では、出力ポート１８ａが一次側−端１７ａに設けられると共に入力ポート１８ｂが二次側−端１７ｂに設けられる。第２ＭＭＩ１７では、出力ポート１８ａ及び入力ポート１８ｂは、上記の基準軸（例えば軸Ａｘ２）上に位置することができる。

このコヒーレントミキサ１１によれば、第２ＭＭＩ１７では、第２ＭＭＩ１７の側面１７ｃの延在方向は基準軸（例えば軸Ａｘ２）の方向である。この基準軸に交差する方向に、一次側−端１７ａ及び二次側−端１７ｂが延在する。第２ＭＭＩ１７において、出力ポート１８ａが一次側−端１８ａに設けられると共に入力ポート１８ｂが二次側−端１８ｂに設けられる。また、第２ＭＭＩ１７の出力ポート１８ａ及び入力ポート１８ｂが基準軸（例えば軸Ａｘ２）上に位置するように設けられる。これ故に、出力ポート１８ａ及び入力ポート１８ｂが、上記の基準軸から外れて位置することにより第２ＭＭＩ１７の高次モード排除力が低減することを避けることができる。

本実施例では、コヒーレントミキサ１１は、第１ＭＭＩ１５の出力ポート１６ａを第１入力ポート２１ａに光学的に結合させる第１直線導波路２３を更に備えることができる。第１ＭＭＩ１５の幅Ｗ１は、第１直線導波路２３の幅ＷＤ１より大きい。第１直線導波路２３はシングルモード光導波路構造を有することができる。また、コヒーレントミキサ１１は、第２ＭＭＩ１７の出力ポート１８ａを第２入力ポート２１ｂに光学的に結合させる第２直線導波路２５を更に備えることができる。第２ＭＭＩ１７の幅Ｗ２は第２直線導波路２５の幅ＷＤ２より大きい。第２直線導波路２５はシングルモード光導波路構造を有することができる。

このコヒーレントミキサ１１によれば、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７は、それぞれ、第１直線導波路２３及び第２直線導波路２５を介して直線的にマルチポートＭＭＩ１３の第１入力ポート２１ａ及び第２入力ポート２１ｂに光学的に結合される。これ故に、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７を通過した光が、曲がり導波路に起因して生成された高次モードを含むことを避けることができる。

コヒーレントミキサ１１は、第１ＭＭＩ１５の入力ポート１６ｂに光学的に結合された第１入力光導波路２７を更に備えることができる。第１ＭＭＩ１５のＭＭＩ幅は第１入力光導波路２７の導波路幅より大きく、第１入力光導波路２７の一対の側面２７ａ、２７ｂは、第１ＭＭＩ１５の入力ポート端面１５ａに接続されることができる。このコヒーレントミキサ１１によれば、第１ＭＭＩ１５のＭＭＩ幅は第１入力光導波路２７の導波路幅より大きいので、第１入力光導波路２７の導波路幅よりも第１ＭＭＩ１５の入力ポート端面１５ａの幅が大きくなる。この入力ポート端面１５ａに第１入力光導波路２７の一対の側面２７ａ、２７ｂが接続されるので、第１ＭＭＩ１５のいずれかの側面１５ｃ、１５ｄが著しく偏ることなく第１入力光導波路２７を入力ポート端面１５ａに接続できる。

コヒーレントミキサ１１は、第２ＭＭＩ１７の入力ポート１８ａに光学的に結合された第２入力光導波路２９を更に備えることができる。第２ＭＭＩ１７のＭＭＩ幅は第２入力光導波路２９の導波路幅より大きく、第２入力光導波路２９の一対の側面２９ａ、２９ｂは、第２ＭＭＩ１７の入力ポート端面１７ａに接続されることができる。このコヒーレントミキサ１１によれば、第２ＭＭＩ１７のＭＭＩ幅は第２入力光導波路２９の導波路幅より大きいので、第２入力光導波路２９の導波路幅よりも第２ＭＭＩ１７の入力ポート端面１７ａの幅が大きくなる。この入力ポート端面１７ａに第２入力光導波路２９の一対の側面２９ａ、２９ｂが接続されるので、第２ＭＭＩ１７の側面１７ｃ、１７ｄのいずれかが著しく偏ることなく第２入力光導波路２９を入力ポート端面１７ａに接続できる。

一次側−端１４は、第１端面１４ａ、第２端面１４ｂ、及び第３端面１４ｃを含む。第１端面１４ａは、第１側面１３ａと第１直線導波路２３の一側面２３ａとを互いに接続する。第２端面１４ｂは、第１直線導波路２３の他側面２３ｂと第２直線導波路２５の一側面２５ａとを互いに接続する。第３端面１４ｃは、第２側面１３ｂと第２直線導波路２３の他側面２５ｂとを互いに接続する。

コヒーレントミキサ１１では、第１出力ポート１９ａ、第２出力ポート１９ｂ、第３出力ポート１９ｃ及び第４出力ポート１９ｄには、それぞれ、第１出力光導波路３１、第２出力光導波路３３、第３出力光導波路３５、及び第４出力光導波路３７が光学的に結合される。一次側−端１２は、第１端面１２ａ、第２端面１２ｂ、第３端面１２ｃ、第４端面１２ｄ、及び第５端面１２ｅを含む。第１端面１２ａは、第１側面１３ａに第１出力光導波路３１の一側面３１ａを繋ぐ。第２端面１２ｂは、第１出力光導波路３１の他側面３１ｂに第３出力光導波路３７の一側面３７ａを繋ぐ。第３端面１２ｃは、第３出力光導波路３５の他側面３５ｂに第２出力光導波路３３の一側面３３ａを繋ぐ。第４端面１２ｄは、第２出力光導波路３７の他側面３７ｂに第４出力光導波路３７の一側面３７ａを繋ぐ。第５端面１２ｅは、第４出力光導波路３７の他側面３１ｂに第２側面１３ｂを繋ぐ。第１出力光導波路３１、第２出力光導波路３３、第３出力光導波路３５、及び第４出力光導波路３７の各々はシングルモード光導波路構造を有することができる。

コヒーレントミキサ１１では、第１出力ポート１９ａ、第３出力ポート１９ｃ、第２出力ポート１９ｂ及び第４出力ポート１９ｄは、一次側−端面１２において第１側面１３ａから第２側面１３ｂへの方向にこの順に配列されている。第１入力ポート２１ａ及び第２入力ポート２１ｂは、二次側−端面１４において第１側面１３ａから第２側面１３ｂへの方向にこの順に配列されていることができる。マルチポートＭＭＩ１３の第１出力ポート１２ａ及び第１入力ポート２１ａ並びに第１ＭＭＩ１５の出力ポート１６ａ及び入力ポート１６ｂは、マルチポートＭＭＩ１３の一次側−端面１２から二次側端面１４への方向に延在する４つの軸のうちの第１軸Ａｘ１上に位置していることができる。マルチポートＭＭＩ１３の第２出力ポート１９ｂ及び第２入力ポート２１ｂ並びに第２ＭＭＩ１７の出力ポート１８ａ及び入力ポート１８ｂは、マルチポートＭＭＩ１３の一次側−端面１２から二次側端面１４への方向に延在する４つの軸のうちの第２軸Ａｘ２上に位置していることができる。マルチポートＭＭＩ１３の第３出力ポー１９ｃトは、マルチポートＭＭＩの一次側−端面１２から二次側端面１４への方向に延在する４つの軸のうちの第３軸Ａｘ３上に位置している。マルチポートＭＭＩ１３の第４出力ポート１９ｄは、マルチポートＭＭＩ１３の一次側−端面１２から二次側端面１４への方向に延在する４つの軸のうちの第４軸Ａｘ上に位置していることができる。第３軸Ａｘ３は、ポート２１ａとポート２１ｂとのセンタに位置（交差点１）において二次側−端面１４と交差することが好ましい。また、ポート２１ｂは、第３軸Ａｘ３と二次側−端面１４と交点（交差点１）と第４軸Ａｘ４と二次側−端面１４と交点（交差点２）とのセンタに位置することが好ましい。本実施例では、二次側−端面１４において、ポート２１ａ、交差点１、ポート２１ｂ、及び交差点２が等間隔で配置されることができる。また、一次側−端面１２において、ポート１９ａ、ポート１９ｃ、ポート１９ｂ及びポート１９ｄは等間隔で配置されることができる。好ましくは、軸Ａｘ１〜Ａｘ４は互いに平行であることができる。

このコヒーレントミキサ１１によれば、マルチポートＭＭＩ１３の第１入力ポート２１ａ及び第１出力ポート１９ａ並びに第１ＭＭＩ１５の入力ポート１６ａ及び出力ポート１６ｂの配列を一直線上に並べることができ、またマルチポートＭＭＩ１３の第２入力ポート２１ｂ及び第２出力ポート１９ｂ並びに第２ＭＭＩ１７の入力ポート１８ａ及び出力ポート１８ｂの配列を一直線上に並べることができる。これ故に、マルチポートＭＭＩ１３、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７の配置ずれによって、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７の特性低下やマルチポートＭＭＩ１３へ入力する光の品質低下に起因する光強度偏差の増加を避けることができる。

第１出力光導波路３１、第２出力光導波路３３、第３出力光導波路３５、及び第４出力光導波路３７は、それぞれ、第１軸Ａｘ１、第２軸Ａｘ２、第３軸Ａｘ３、及び第４軸Ａｘ４上において延在する部分を含むことができる。

（実施例１）
図２は、実施例１に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。図２の（ａ）部を参照すると、実施例１に係るコヒーレントミキサの平面構造が示される。図２の（ｂ）部を参照すると、実施例１に係るコヒーレントミキサの断面I−Iにおける構造が示される。実施例１に係るコヒーレントミキサは、以下の示される第１構造を有する。２×４ＭＭＩは、モード整形用ＭＭＩを介して信号光及び参照光を受ける。
エピ構造：ＳＩ−ＩｎＰ基板／ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ／ｉ−ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ波長λｇは１．３μｍである。
ｉ−ＧａＩｎＡｓＰの膜厚：０．３μｍ。
ｉ−ＩｎＰの膜厚：２．０μｍ。
導波路構造。
メサ導波路の高さ：３．５μｍ。
基本メサ導波路の幅：２．０μｍ。
２×４ＭＭＩの幅Ｗ０：１２μｍ。
２×４ＭＭＩの長さＬ０：２９８μｍ。
モード整形用ＭＭＩの構造。
モード整形用ＭＭＩの幅ＷＮ１：５μｍ。
モード整形用ＭＭＩの長さＷＬ１：５２μｍ。
モード整形用ＭＭＩの位置：２×４ＭＭＩにおいて、図１の座標軸Ｘ方向に関して、対応する入力導波路の中心に一致。
モード整形用ＭＭＩの位置Ｄ１：図１の座標軸Ｙ方向に関して、出力端が２×４ＭＭＩの入力端からＧａｐ＝１０μｍ。
モード整形用ＭＭＩの中心軸上に入力ポート及び出力ポートが一致する。モード整形用ＭＭＩは、製造上のばらつき（例えば０．２μｍ以下）に起因する偏差を除いて、この中心軸に関して左右対称な構造を有する。

図３は、２×４ＭＭＩ型９０度ハイブリッドの構造を示す。多モード干渉器及び導波路は以下の第２構造を有する。
エピ構造：ＳＩ−ＩｎＰ基板／ｉ−ＧａＩｎＡｓＰ／ｉ−ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ波長λｇは１．３μｍである。
ｉ−ＧａＩｎＡｓＰの膜厚：０．３μｍ。
ｉ−ＩｎＰの膜厚：２．０μｍ。
導波路構造。
メサ導波路の高さ：３．５μｍ。
基本メサ導波路の幅：２．０μｍ。
２×４ＭＭＩの幅ＷＣ：１２μｍ。
２×４ＭＭＩの長さＬＣ：２９８μｍ。

この実施例では、説明を容易にするために、第２構造は、第１構造と同じエピ構造及び２×４ＭＭＩを有している。第１構造では、２×４ＭＭＩの入力ポートにモード整形用ＭＭＩを結合させている。

図４は、図３に示される９０度ハイブリッドの透過スペクトルおよびチャネル間の光強度偏差を示す。理解を容易にするために、９０度ハイブリッドにおける出力のうちチャネル１及びチャネル２を表示している。透過スペクトルにうねりが見えており、Ｃバンド（波長１５３０−１５７０ｎｍ）における光強度偏差は、最大０．１６ｄＢある。２×４ＭＭＩを用いた９０度ハイブリッドでは、基本モード光は、シングルモード光導波路から幅広の多モード導波路に入射したときに、高次モードが励振される。９０度ハイブリッドは、多数の高次モードが起こす干渉を利用して位相情報を強度情報に変換する素子である。曲げ導波路を介して２×４ＭＭＩに入射する入力信号光及び／又は入力参照光に高次モードが含まれている場合には、２×４ＭＭＩ内部で高次モード同士の干渉が加わり、高次モードが出力導波路に混入する。このため、図４の（ａ）部及び（ｂ）部にそれぞれ示される９０度ハイブリッドの透過スペクトルおよびチャネル間の光強度偏差にうねりが生じている。

透過スペクトル及び光強度偏差は例えば以下のように測定される。波長可変レーザからのレーザ光を偏波コントローラを経由して偏波保持先球ファイバに通す。先球ファイバから素子に光を入力し、出力側に設置した先球ファイバで受光してフォトダイオードで光強度を検出する。波長を掃引することで透過スペクトルを得ることができる。光強度偏差は同様の測定を各チャネルで実施して、チャネル間の光強度の差分をとることで求めることができる。

図５は、この実施例に係る９０度ハイブリッドの透過スペクトルおよびチャネル間の光強度偏差を示す。図５の（ａ）部及び（ｂ）部には、それぞれ。９０度ハイブリッドの透過スペクトルおよびチャネル間の光強度偏差が示される。図４及び図５を比較するとき、図５では図４における透過スペクトルのうねりが低減されている。Ｃバンド（波長１５３０−１５７０ｎｍ）における光強度偏差は最大０．０８ｄＢまで減少している。

図６は、光の伝播の様子を２Ｄ−ＢＰＭ（beam propagation method: BPM）で計算した結果を示す。図６を参照すると、入力導波路を揺れながら伝播してきた信号光ＬＩＮが、モード整形用ＭＭＩを通過した後の光ＬＯＵＴでは直線的に伝播している。また、揺れは、光に含まれる高次モード成分に起因する。揺れの原因であった高次モード成分は放射されていることがわかる。信号光の高次モードが除去されることにより、９０度ハイブリッドの透過スペクトルのうねりが低減される。

（実施例２）
図７は、モード整形用ＭＭＩの入力ポート及び出力ポートの位置と高次モードの除去能との関係を示す。図７の（ａ）部を参照すると、入力導波路が接続される入力ポートの位置及び出力導波路が接続される出力ポートの位置を同一軸上であって一次側−端の中心及び二次側−端の中心に設けている。このとき、図７の（ｂ）部に示されるように、出力ポートにおけるモード揺れを最も抑制できる。

図７の（ｃ）部を参照すると、入力導波路が接続される入力ポートの位置及び出力導波路が接続される出力ポートの位置を同一軸上であって一次側−端の中心及び二次側−端の中心から一方向にシフトして設ける。このとき、図７の（ａ）部に示される構造体に比べて、図７の（ｄ）部に示されるように、出力ポートにおけるモード揺れが増大する。

図７の（ｅ）部を参照すると、入力導波路が接続される入力ポートの位置及び出力導波路が接続される出力ポートの位置を同一軸上になく一次側−端の中心から一方向にシフトしているけれども、出力導波路が接続される出力ポートの位置を二次側−端の中心に設ける。本実施例では、シフト量が０．５μｍである。このとき、図７の（ａ）部に示される構造体に比べて、図７の（ｆ）部に示されるように、出力ポートにおけるモード揺れが増大する。

上記の結果及び類似の検討結果から、入力ポートに接続される入力導波路の中心軸、出力ポートに接続される出力導波路の中心軸、及びモード整形用ＭＭＩの中心軸が一致しているとき、モード整形用ＭＭＩによる高次モードの濾波特性が最も良好であり、中心軸からシフト量が、−１．０μｍ以上＋１．０μｍ以下の範囲であれば実用的である。

図８は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。コヒーレントミキサとして、９０゜ハイブリッドを説明する。コヒーレントミキサ１１ａは、マルチポート多モード干渉器（ＭＭＩ）１３と、第１多モード干渉器（ＭＭＩ）１５と、第２多モード干渉器（ＭＭＩ）１７とを備える。このコヒーレントミキサ１１ａでは、第１ＭＭＩ１５の出力ポート１６ａはマルチポートＭＭＩ１３の第１入力ポート２１ａに直接に接続されている。また、第２ＭＭＩ１７の出力ポート１８ａはマルチポートＭＭＩ１３の第２入力ポート２１ｂに直接に接続されていることができる。このコヒーレントミキサ１１ａによれば、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７の追加による面積増大を低減できる。第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７の出力側に屈折率差を有する界面（ここでは空気−半導体界面）がないため、ＭＭＩでの共振により発現する透過スペクトルのリップルを抑制することができる。

（実施例３）
実施例３に係るコヒーレントミキサのための９０度ハイブリッドでは、エピ構造、２×４ＭＭＩ、２つのモード整形用ＭＭＩの寸法は実施例１と同じであるけれども、モード整形用ＭＭＩの設置位置が実施例１の形態と異なる。モード整形用ＭＭＩ出力ポートは、Ｙ方向の位置に関して、２×４ＭＭＩの入力ポートと一致している。

図９は、９０度ハイブリッド透過スペクトル及び光強度偏差を示す。図９の（ａ）部及び（ｂ）部には、それぞれ。９０度ハイブリッドの透過スペクトルおよびチャネル間の光強度偏差が示される。Ｃバンドにおける光強度偏差は０．１１ｄＢに低減される。この構造では、モード整形用ＭＭＩは中間接続導波路を介さずに２×４ＭＭＩに接続されている。このため、この構造は、コヒーレントミキサ素子の長さを短くすることを可能にする。

図１０は、本実施の形態に係るコヒーレントミキサの構造を示す図面である。コヒーレントミキサとして、９０゜ハイブリッドを説明する。コヒーレントミキサ１１ｂは、マルチポート多モード干渉器（ＭＭＩ）１３と、第１多モード干渉器（ＭＭＩ）１５と、第２多モード干渉器（ＭＭＩ）１７とを備える。

コヒーレントミキサ１１ｂでは、マルチポートＭＭＩ１３、第１ＭＭＩ１５、及び第２ＭＭＩ１７は導波路構造を構成しており、この導波路構造は基板４１上に順に設けられる。導波路構造は第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層を含む。第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層は基板４１上において基板主面４１ａの法線軸の方向に順に配列される。基板４１の主面４１ａは、マルチポートＭＭＩ１３の一次側−端１２から二次側−端１４への方向に配列された第１エリア４１ｂ、第２エリア４１ｃ及び第３エリア４１ｄを有する。基板４１の主面４１ａにおいて、第１ＭＭＩ１５は第１エリア４１ｂに位置し、第２ＭＭＩ１７は第２エリア４１ｃに位置し、マルチポートＭＭＩ１３は第３エリア４１ｄに位置することができる。このコヒーレントミキサ１１ｂによれば、入力ポート間隔が小さいマルチポートＭＭＩ１３に、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７を適用することを可能にする。

また、図１０に示されるように、９０度ハイブリッドの２つの入力ポート間の間隔がモード整形器の幅よりも狭いとき、モード整形器を前後にずらして配置することができる。特に２×４ＭＭＩ，２つのモード整形器と導波路間のギャップを一定に保つように配置することで、２×４ＭＭＩ及びモード整形器を作製する際のドライエッチングを安定させることができる。このため、左右非対称な形状に起因する不要なモード揺れがモード整形器で生じることを抑えることができる。

なお、図８に示されるモード整形器１５の配置を図１０に示されるモード整形器１５の配置に適用することができる。

図１１に示されるように、コヒーレントミキサ１１、１１ａ、１１ｂは、マルチポートＭＭＩ１３の第１出力ポート１９ａ、第２出力ポート１９ｂ、第３出力ポート１９ｃ及び第４入力ポート１９ｄにそれぞれ光学的に結合された第１光受光素子４３ａ、第２光受光素子４３ｂ、第３光受光素子４３ｃ及び第４光受光素子４３ｄを更に備えることができる。このコヒーレントミキサ１１、１１ａ、１１ｂは、信号光と局所発振光をミキシングして、位相情報を光強度情報に変換する。コヒーレントミキサ１１、１１ａ、１１ｂによれば、これらの受光素子４３ａ〜４３ｄは、第１ＭＭＩ１５及び第２ＭＭＩ１７を通過した光の干渉から生成された光を受ける。これらの受光素子は、フォトダイオードに構造を有することができる。

コヒーレントミキサ１１、１１ａ、１１ｂでは、マルチポートＭＭＩ１３、第１ＭＭＩ１５、第２ＭＭＩ１７、及びこれらに接続される光導波路は、ＩｎＰ基板上に順に設けられた第１ＩｎＰ層、ＧａＩｎＡｓＰ層、及び第２ＩｎＰ層を含み、ＧａＩｎＡｓＰ層は第１ＩｎＰ層と第２ＩｎＰ層との間に設けられることができる。このコヒーレントミキサ１１、１１ａ、１１ｂによれば、導波路が化合物半導体からなるので、導波路構造と異なる半導体素子をコヒーレントミキサに作り込むことが可能になる。

本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、光強度偏差を低減可能なコヒーレントミキサを提供できる。

１１、１１ａ、１１ｂ…コヒーレントミキサ、１３…マルチポート多モード干渉器（ＭＭＩ）、１２…一次側−端、１４…二次側−端、１５…第１多モード干渉器（ＭＭＩ）、１５ａ…入力ポート、１５ｂ…出力ポート、１６ａ…出力ポート、１６ｂ…入力ポート、１７…第２多モード干渉器（ＭＭＩ）、１７ａ…入力ポート、１７ｂ…出力ポート、１８ａ…出力ポート、１８ｂ…入力ポート、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ…出力ポート、２１ａ、２１ｂ…入力ポート。

Claims (9)

1. コヒーレントミキサであって、
   一次側−端及び二次側−端を有するマルチポートＭＭＩと、
   単一の入力ポート及び単一の出力ポートを有し、前記入力ポートからの光から高次モードを低減した光を出力ポートに生成する第１ＭＭＩと、
   単一の入力ポート及び単一の出力ポートを有し、前記入力ポートからの光から高次モードを低減した光を出力ポートに生成する第２ＭＭＩと、
   を備え、
   前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端は、第１出力ポート、第２出力ポート、第３出力ポート及び第４出力ポートを有し、
   前記マルチポートＭＭＩの前記二次側−端は、第１入力ポート及び第２入力ポートを有し、
   前記第１ＭＭＩは、前記マルチポートＭＭＩの前記第１入力ポートに光学的に結合され、
   前記第２ＭＭＩは、前記マルチポートＭＭＩの前記第２入力ポートに光学的に結合される、コヒーレントミキサ。
2. 前記第１ＭＭＩは、一次側−端及び二次側−端並びに第１側面及び第２側面を有しており、
   前記第１ＭＭＩの前記第１側面及び第２側面は、前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する基準軸の方向に延在しており、
   前記第１ＭＭＩの前記一次側−端及び前記二次側−端は、前記基準軸に交差する方向に延在し、
   前記第１ＭＭＩの出力ポートが前記一次側−端に設けられると共に前記第１ＭＭＩの入力ポートが前記二次側−端に設けられ、
   前記第１ＭＭＩの前記入力ポート及び前記第１ＭＭＩの前記出力ポートは、前記基準軸上に位置する、請求項１に記載されたコヒーレントミキサ。
3. 前記第１ＭＭＩの前記入力ポートに光学的に結合された第１入力光導波路を更に備え、
   前記第１ＭＭＩのＭＭＩ幅は前記第１入力光導波路の導波路幅より大きく、
   前記第１入力光導波路の一対の側面は、前記第１ＭＭＩの入力ポート端面に接続される、請求項１又は請求項２に記載されたコヒーレントミキサ。
4. 前記マルチポートＭＭＩは第１側面及び第２側面を有し、
   前記第１出力ポート、前記第３出力ポート、前記第２出力ポート及び前記第４出力ポートは、前記一次側−端において前記第１側面から前記第２側面への方向にこの順に配列されており、
   前記第１入力ポート及び前記第２入力ポートは、前記二次側−端において前記第１側面から前記第２側面への方向にこの順に配列されており、
   前記マルチポートＭＭＩの前記第１出力ポート及び前記第１入力ポート並びに前記第１ＭＭＩの前記入力ポート及び前記出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第１軸上に位置しており、
   前記マルチポートＭＭＩの前記第２出力ポート及び前記第２入力ポート並びに前記第２ＭＭＩの前記入力ポート及び前記出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第２軸上に位置しており、
   前記マルチポートＭＭＩの前記第３出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第３軸上に位置しており、
   前記マルチポートＭＭＩの前記第４出力ポートは、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に延在する４つの軸のうちの第４軸上に位置している、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載されたコヒーレントミキサ。
5. 前記第１ＭＭＩの前記出力ポートを前記マルチポートＭＭＩの前記第１入力ポートに光学的に結合させる第１直線導波路と、
   前記第２ＭＭＩの前記出力ポートを前記マルチポートＭＭＩの前記第２入力ポートに光学的に結合させる第２直線導波路と、
   を更に備え、
   前記第１ＭＭＩの幅は、前記第１直線導波路の幅より大きく、
   前記第２ＭＭＩの幅は、前記第２直線導波路の幅より大きい、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたコヒーレントミキサ。
6. 前記第１ＭＭＩの前記出力ポートは前記マルチポートＭＭＩの前記第１入力ポートに直接に接続されており、
   前記第２ＭＭＩの前記出力ポートは前記マルチポートＭＭＩの前記第２入力ポートに直接に接続されている、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたコヒーレントミキサ。
7. 前記マルチポートＭＭＩ、前記第１ＭＭＩ、及び前記第２ＭＭＩは、第１クラッド層、コア層及び第２クラッド層を含み、
   前記第１クラッド層、前記コア層及び前記第２クラッド層は、基板上に順に配列され、
   前記基板の主面は、前記マルチポートＭＭＩの前記一次側−端から前記二次側−端への方向に順に配列された第１エリア、第２エリア及び第３エリアを有し、
   前記基板の前記主面において、前記第１ＭＭＩは前記第１エリアに位置し、前記第２ＭＭＩは前記第２エリアに位置し、前記マルチポートＭＭＩは前記第３エリアに位置する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載されたコヒーレントミキサ。
8. 前記マルチポートＭＭＩの前記第１出力ポート、前記第２出力ポート、前記第３出力ポート及び前記第４出力ポートにそれぞれ光学的に結合された第１光受光素子、第２光受光素子、第３光受光素子及び第４光受光素子を更に備える、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載されたコヒーレントミキサ。
9. 前記マルチポートＭＭＩ、前記第１ＭＭＩ、及び前記第２ＭＭＩは、ＩｎＰ基板上に順に設けられた第１ＩｎＰ層、ＧａＩｎＡｓＰ層、及び第２ＩｎＰ層を含み、前記ＧａＩｎＡｓＰ層は前記第１ＩｎＰ層と前記第２ＩｎＰ層との間に設けられる、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載されたコヒーレントミキサ。