JP5373901B2

JP5373901B2 - 光９０度ハイブリッド回路

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Publication number: JP5373901B2
Application number: JP2011521831A
Authority: JP
Inventors: 陽平坂巻; 隆司郷; 俊和橋本; 悠介那須; 邦典服部; 浩高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: US20120093457A1; WO2011004614A1; US8588560B2; JPWO2011004614A1

Description

本発明は、光伝送システムにおけるコヒーレント受信方式に用いられる光受信器を構成する光９０度ハイブリッド回路に関する。より詳細には、光９０度ハイブリッド機能とともに、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差をモニタする機能も兼ね備えた光９０度ハイブリッド回路に関する。

１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高速光伝送システムの実現に向けて、光多値変調方式が注目されている。特に、光雑音耐力向上、及び光電変換後の電気信号処理による波長分散歪み補償能力の優位性から、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying）などのコヒーレント受信方式が注目を集め、伝送システム適用への検討が活発化している。コヒーレント受信方式に用いられる光受信器は、局部発振光を発生する局部発振光発生装置と、信号光及び局部発振光を偏波状態に応じて異なる出力ポートに分離する偏波スプリッタと、信号光と局部発振光とを合波する光９０度ハイブリッド回路と、光９０度ハイブリッド回路からの出力信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、デジタル信号を演算するデジタル演算（ＤＳＰ：Digital Signal Processing）回路から構成される。入力した信号光と局部発振光との干渉光のIn-phase成分とQuadrature成分とを分離して検出することにより、入力信号光が有する情報を得ることができる。

コヒーレント受信方式で用いられる光受信器の構成部品の中で、光９０度ハイブリッド回路に関しては、バルク型光学部品を組み合わせた空間光学系で構成される製品が既に開発、商品化されている。これに対して、平面基板上に作製された光導波路から構成される平面光波回路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）は、量産性、信頼性の点において前述の空間光学系よりも優れている。また、ＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路の採用により、空間光学系と比較して、例えば偏波ビームスプリッタ及び光電変換部の集積化の実現可能性が高くなり、より小型な光受信器の提供が可能となる。このような背景から、ＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路の実用化が期待されている。

図１は、従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。この従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路は、特許文献１に示されている。特許文献１は、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）信号の復調に用いられる光遅延干渉回路に関するものである。これ自体はコヒーレント受信方式に用いられる光受信器を構成する部品には該当しないが、２つの光波を合波し、In-phase成分とQuadrature成分とに分離する光９０度ハイブリッド回路としての機能を回路の一部に含んでいる。以下、In-phase成分を「Ｉ成分」と表記し、Quadrature成分を「Ｑ成分」と表記する。図１には、特許文献１に記載された光回路の中で、光９０度ハイブリッド機能を実現するために必要な回路部分のみの構成を抽出して示している。

ここで、図１の従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路に入力された光の伝播過程を説明する。ＰＬＣ外部から入力された信号光は、入力導波路１ａを介して光スプリッタ２ａによって２つに分岐される。ＰＬＣ外部から入力された局部発振光は、入力導波路１ｂを介して光スプリッタ２ｂによって２つに分岐される。光スプリッタ２ａによって２つに分岐された光は、アーム導波路１０ａ、１０ｂを介して２つの光結合器３ａ、３ｂに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光は、アーム導波路１０ｃ、１０ｄを介して２つの光結合器３ａ、３ｂに入力される。光結合器３ａ及び光結合器３ｂに入力された信号光及び局部発振光は、各々、合波されて干渉し、その干渉光の位相差が１８０度になるように２つに分岐され、出力される。光結合器３ａから出力される信号光と局部発振光との干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、外部回路として形成され、光電変換部として機能する差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される信号光と局部発振光との干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、外部回路として形成され、光電変換部として機能する差動受光部６ｂに出力される。

４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのいずれかに９０度位相シフト部７を設ける。それにより、光結合器３ａ及び光結合器３ｂの各々から出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを介して出力される干渉光を差動受光器６ａ及び６ｂで差分検波することにより、入力された変調信号のＩ成分とＱ成分とを分離することが可能となる。ここで、変調信号のＩ成分及びＱ成分を同時に検出するために、光スプリッタ２ａで分岐された信号光を伝送する２つのアーム導波路１０ａ、１０ｂの導波路長を等しくし、光スプリッタ２ｂで分岐された局部発振光を伝送する２つのアーム導波路１０ｃ、１０ｄの導波路長を、９０度位相シフト部７を除いて、等しくする必要がある。さらに、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの導波路長を、９０度位相シフト部７を除いて、等しくすることにより、ＤＱＰＳＫ等の差動位相変調信号を受信するための光遅延干渉回路を構成する光９０度ハイブリッド回路としても利用することが可能となる。

しかしながら、９０度位相シフト部７の構成により、以下に説明する問題が生じる。９０度位相シフト部７は、伝搬光が通過する光路長を、λ×（±１／４＋ｍ）だけ変化させることを目的として設置されている。ここで、λは信号光又は局部発振光の波長、ｍは整数を表す。非特許文献１に示されるように、９０度位相シフト部７における伝搬光の位相シフト量θが９０度からずれると、受信特性は劣化する。例えば、デジタル演算処理において、位相シフト量θの９０度からのずれを補正しない場合、ＢＥＲ（Bit Error Rate）＝１０^-3においてＯＳＮＲ（光信号対雑音比）ペナルティを０．５ｄＢ以下に抑制するためには、位相シフト量θの９０度からのずれを±５度以内に抑える必要がある。

９０度位相シフト部７の位相シフト量θの９０度からのずれを±５度の範囲内に抑えるということは、光路長の調整量のずれを波長の約２．８％以下に抑制する必要があることを意味する。このような、高精度な位相シフト量θの制御を実現するためには、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差（以下、「ＩＱ位相差」と表記する）を高精度に測定する手法が必要不可欠であり、且つ、その手法が簡便であることが産業的に好ましい。

図２は、従来技術の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の測定方法を示す構成図である。ＩＱ位相差を測定することを目的として、光スプリッタ１１と、遅延線１２と、光導波路１５とから構成される光遅延回路部１３を、図１に示した従来技術の光９０度ハイブリッド回路８の入力導波路１ａ、１ｂに結合する。これは、図１における信号光及び局部発振光の代わりに、同一光源から出力された光を分岐し、分岐した光の一方を遅延線１２に通して遅延を与え、光９０度ハイブリッド回路８の入力導波路１ａ、１ｂに入力することにより、光遅延干渉回路を構成することを目的としている。当然のことながら、遅延線１２の光路長と光導波路１５の光路長とは異なるように設計されている。

特許文献１が示すように、遅延線１２と光導波路１５との光路長差、すなわち遅延量が、ＤＱＰＳＫ方式で変調された信号の１シンボル分に相当する場合、図２に示した回路構成はＤＱＰＳＫ方式の変調信号を受信する光遅延干渉計として機能する。光遅延干渉回路とすることで、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルに基づいて、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相差を算出することが可能となる。ＩＱ位相差評価後に、光遅延回路部１３を取り除くことにより、図１に示した光９０度ハイブリッド回路として機能する。

国際公開第ＷＯ２００３／０６３５１５号パンフレット

S. H. Chang, H. S. Chung and K. Kim, "Impact of quadrature imbalance in optical coherent QPSK receiver", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 21, no. 11, pp. 709-711, June 1, 2009. Y. Hashizume, R. Kasahara, T. Saida, Y. Inoue and M. Okano, "Integrated polarisation beam splitter using waveguide birefringence dependence on waveguide core width", Electronics Letters, vol. 37, no. 25, pp. 1517-1518, 6th December 2001. Y. Hashizume, K. Watanabe, Y. Nasu, M. Kohtoku, S. Kamei, T. Kitoh and Y. Inoue, "Silica PLC-VOA using suspended narrow ridge structures and its application to V-AWG", Optical Fiber Communication conference, OWO4, 2007.

しかしながら、光９０度ハイブリッド回路は２つの異なる光源から出力された光を２つの異なる入力導波路に入力することが求められるため、図２に示した従来のＩＱ位相差評価方法では、ＩＱ位相差評価後に光遅延回路部１３を除去する必要がある。さらに、光遅延回路部１３の除去後は、光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差評価ができなくなるという問題が生じる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、光９０度ハイブリッド機能とともに、ＩＱ位相差をモニタする機能も兼ね備えた光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。ＩＱ位相差のモニタ機能付加に適した回路構成を提案する。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の入力導波路と、少なくとも２つの第１の入力ポートと、少なくとも２つの第１の出力ポートとを有する第１の分波用光結合器であって、前記第１の入力導波路が前記第１の入力ポートの１つに接続され、前記第１の入力導波路に入力された光を分岐する第１の分波用光結合器と、第２の入力導波路と、少なくとも２つの第２の入力ポートと、少なくとも２つの第２の出力ポートとを有する第２の分波用光結合器であって、前記第２の入力導波路が前記第２の入力ポートの１つに接続され、前記第２の入力導波路に入力された光を分岐する第２の分波用光結合器と、前記第１の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第１のアーム導波路と、前記第２の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第２のアーム導波路と、前記２本の第１のアーム導波路と前記２本の第２のアーム導波路との４本のうちの１本に設置され、光の位相を９０度シフトする９０度位相シフト部と、前記２本の第１のアーム導波路の一方と前記２本の第２のアーム導波路の一方とに接続された第１の光結合器と、前記２本の第１のアーム導波路の他方と前記２本の第２のアーム導波路の他方とに接続された第２の光結合器と、第３の入力導波路と、前記第３の入力導波路に接続され、前記第３の入力導波路に入力された光を２つに分岐する光スプリッタと、前記光スプリッタと前記第１の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第１の光導波路と、前記光スプリッタと前記第２の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第２の光導波路とを備え、前記第１の光導波路の光路長と前記第２の光導波路の光路長とが異なり、前記第１の入力導波路に信号光が入力され、前記第２の入力導波路に局部発振光が入力され、前記第３の入力導波路にモニタ光が入力されることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路において、第１の分波用光結合器は、２つの第１の入力ポートを有し、入力された光を偏波状態に応じて２つに分岐する第１の偏波スプリッタと、第１の偏波スプリッタに接続され、入力された光を２つに分岐する第１のスプリッタとから構成され、第２の分波用光結合器は、２つの第２の入力ポートを有し、入力された光を偏波状態に応じて２つに分岐する第２の偏波スプリッタと、第２の偏波スプリッタに接続され、入力された光を２つに分岐する第２のスプリッタとから構成されていることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路において、第２の分波用光結合器は、入力された光の強度レベルを調整する光減衰器と、光減衰器に接続され、入力された光を２つに分岐する光スプリッタとから構成されていることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。

請求項４に記載の発明は、第１の入力導波路と、少なくとも２つの第１の入力ポートと、少なくとも２つの第１の出力ポートとを有する第１の分波用光結合器であって、前記第１の入力導波路が前記第１の入力ポートの１つに接続され、前記第１の入力導波路に入力された光を分岐する第１の分波用光結合器と、第２の入力導波路と、少なくとも２つの第２の入力ポートと、少なくとも２つの第２の出力ポートとを有する第２の分波用光結合器であって、前記第２の入力導波路が前記第２の入力ポートの１つに接続され、前記第２の入力導波路に入力された光を分岐する第２の分波用光結合器と、前記第１の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第１のアーム導波路と、前記第２の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第２のアーム導波路と、前記２本の第２のアーム導波路のうちのいずれか一方に設置され、光の位相を９０度シフトする９０度位相シフト部と、前記２本の第１のアーム導波路の一方と前記２本の第２のアーム導波路の一方とに接続された第１の光結合器と、前記２本の第１のアーム導波路の他方と前記２本の第２のアーム導波路の他方とに接続された第２の光結合器と、第３の入力導波路と、前記第３の入力導波路に接続され、前記第３の入力導波路に入力された光を２つに分岐する光スプリッタと、前記光スプリッタと前記第１の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第１の光導波路と、前記光スプリッタと前記第２の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第２の光導波路とを備え、前記２本の第１のアーム導波路の光路長と前記２本の第２のアーム導波路の光路長とが異なり、前記第１の入力導波路に信号光が入力され、前記第２の入力導波路に局部発振光が入力され、前記第３の入力導波路にモニタ光が入力されることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。

本発明によれば、光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差を常時モニタしながら、光９０度ハイブリッド回路の機能を実現することが可能となる。光９０度ハイブリッド回路に入力された光を分岐する光スプリッタとして、２つ以上の入力ポートと２つ以上の出力ポートとを備える光結合器を利用する。さらに、ＩＱ位相差モニタ用の光を２つに分岐する光スプリッタと、分岐された光の一方を上記の光結合器の入力ポートに結合させる光導波路と、分岐された光の他方を別の上記の光結合器の入力ポートに結合させる光導波路とを配置する。ＩＱ位相差モニタ用の光が２つに分岐された後の２つの経路の光路長が、信号光と局部発振光とを干渉させるための光結合器までの間で互いに異なるように設計することにより、光９０度ハイブリッド回路として機能するのと同時にＩＱ位相差をモニタする機能も兼ね備えた回路構成が提供される。

図１は、従来技術の光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。図２は、従来技術の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の測定方法を示す構成図である。図３は、本発明の実施形態に係る光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。図４は、本発明の実施形態に係る別の光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。図５は、本発明の実施形態に係る別の光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。図６は、本発明に係る光９０度ハイブリッド回路にＰＢＳ機能を集積した回路の構成図である。図７は、本発明に係る光９０度ハイブリッド回路にＶＯＡ機能を集積した回路の構成図である。図８は、本発明の実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。図９Ａは、本発明の実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果を示す図である。図９Ｂは、従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果を示す図である。図１０Ａは、本発明の実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。図１０Ｂは、従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。図１１は、本発明の実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。図１２Ａは、本発明の実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。図１２Ｂは、本発明の実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。図１３は、本発明の実施例３に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。

本発明は、光９０度ハイブリッド機能とともにＩＱ位相差をモニタする機能も兼ね備えた光９０度ハイブリッド回路を提供する。

図３は、本発明に係るＩＱ位相差のモニタ機能を付加した光９０度ハイブリッド回路の構成を示す図である。本発明に係る光９０度ハイブリッド回路８は、モニタ光入力導波路１８と結合された光スプリッタ１１と、光スプリッタ１１と接続された遅延線１２及び光導波路１５と、入力ポートを介して遅延線１２に接続された入力導波路１４ａ及び入力ポートを介して光導波路１６に接続された入力導波路１４ｂと結合する分波用光結合器９ａと、光導波路１５に接続された入力導波路１４ｃ及び光導波路１７に接続された入力導波路１４ｄと結合する分波用光結合器９ｂと、分波用光結合器９ａの出力ポートに結合されたアーム導波路１０ａ、１０ｂと、分波用光結合器９ｂの出力ポートに結合されたアーム導波路１０ｃ、１０ｄと、アーム導波路１０ａ、１０ｃと結合された光結合器３ａと、アーム導波路１０ｂ、１０ｄと結合された光結合器３ｂと、アーム導波路１０ｄ中に設置された９０度位相シフト部７と、光結合器３ａと結合された出力導波路４ａ、５ａと、光結合器３ｂと結合された出力導波路４ｂ、５ｂとを備える。

ここで、本発明に係る光９０度ハイブリッド機能を実現する各構成要素について説明する。ＰＬＣ外部から入力された信号光は、光導波路１６を介して、入力導波路１４ｂと結合した分波用光結合器９ａに入力される。ＰＬＣ外部から入力された局部発振光は、光導波路１７を介して、入力導波路１４ｃと結合した分波用光結合器９ｂに入力される。分波用光結合器９ａに入力された信号光は、分岐される。分波用光結合器９ｂに入力された局部発振光は、分岐される。分波用光結合器９ａによって分岐された光の１つは、アーム導波路１０ａを介して光結合器３ａに入力され、他の１つは、アーム導波路１０ｂを介して光結合器３ｂに入力される。分波用光結合器９ｂによって分岐された光の１つは、アーム導波路１０ｃを介して光結合器３ａに入力され、他の１つは、アーム導波路１０ｄを介して、アーム導波路１０ｄ中の９０度位相シフト部７によって位相が９０度シフトされて、光結合器３ｂに入力される。光結合器３ａに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ｂに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ａから出力される干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、差動受光部６ｂに出力される。

さらに、本発明に係るＩＱ位相差のモニタ機能に係る各構成要素について説明する。ＰＬＣ外部から入力されたモニタ光は、モニタ光入力導波路１８を介して、光スプリッタ１１に入力されて２つに分岐される。２つに分岐されたモニタ光の一方は、遅延線１２を介して、入力導波路１４ａと結合した分波用光結合器９ａに入力される。２つに分岐されたモニタ光の他方は、光導波路１５を介して、入力導波路１４ｃと結合した分波用光結合器９ｂに入力される。分波用光結合器９ａに入力されたモニタ光は、分岐される。分波用光結合器９ｂに入力されたモニタ光は、分岐される。分波用光結合器９ａによって分岐されたモニタ光の１つは、アーム導波路１０ａを介して光結合器３ａに入力され、他の１つは、アーム導波路１０ｂを介して光結合器３ｂに入力される。分波用光結合器９ｂによって分岐された光の１つは、アーム導波路１０ｃを介して光結合器３ａに入力され、他の１つは、アーム導波路１０ｄを介して、アーム導波路１０ｄ中の９０度位相シフト部７によって位相が９０度シフトされて、光結合器３ｂに入力される。光結合器３ａに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ｂに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ａから出力される干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、差動受光部６ｂに出力される。

遅延線１２は、光スプリッタ１１によって分岐された光の一方を遅延して、分岐された他方の光との間に位相差を与える。分波用光結合器９ａ、９ｂは、２つ以上の入力ポート及び２つ以上の出力ポートを有する。

差動受光部６ａ、６ｂは、外部回路として形成され、光電変換部として機能し、光結合器３ａ及び光結合器３ｂのそれぞれから出力される干渉光を差分検波して、入力された変調信号のＩ成分とＱ成分とを分離する。

図１に示した従来技術との相違点は、信号光及び局部発振光を分岐することを目的として、光スプリッタに代えて２つ以上の入力ポートを備えた分波用光結合器９ａ、９ｂを導入した点である。分波用光結合器９ａ、９ｂを導入したことより、モニタ光入力導波路１８と、光スプリッタ１１と、遅延線１２と、光導波路１５とを光９０度ハイブリッド回路８内に同時に構成することが可能となる。本発明の構成においては、遅延線１２と光導波路１５とを互いに異なる分波用光結合器の入力ポートに接続する必要がある。信号光及び局部発振光と干渉しないモニタ光をモニタ光入力導波路１８に入力することにより、光９０度ハイブリッド機能を阻害することなく、ＩＱ位相差のモニタが可能となる。当然のことながら、信号光及び局部発振光を入力しない場合においては、信号光又は局部発振光と干渉する光波を入力してもＩＱ位相差のモニタが可能である。

ここで、分波用光結合器９ａ、９ｂとして、２つ以上の入力ポートと２つ以上の出力ポートとを備えた方向性結合器又はＭＭＩ（Multi-Mode-Interference）カプラを利用することができる。

図４は、本発明に係る別の形態の光９０度ハイブリッド回路の構成図である。図３に示す構成とは、光導波路１６を分波用光結合器９ａの入力導波路１４ａに接続し、光導波路１７を分波用光結合器９ｂの入力導波路１４ｄに接続している点で異なる。図４の構成においても、遅延線１２を分波用光結合器９ａの入力ポートに接続し、光導波路１５を分波用光結合器９ｂの入力ポートに接続し、信号光及び局部発振光と干渉しない光波をモニタ光入力導波路１８に入力する。それにより、光９０度ハイブリッド機能を阻害することなく、ＩＱ位相差のモニタが可能となる。ここで、図４においては、光導波路１６と遅延線１２とが交差しているが、両者が交差しないように光導波路１６を迂回させて分波用光結合器９ａと接続しても、本発明の効果は損なわれない。

図５は、本発明に係る別の形態の光９０度ハイブリッド回路の構成図である。図３及び図４に示す構成とは、光導波路１６を分波用光結合器９ａの入力導波路１４ａに接続し、光導波路１７を分波用光結合器９ｂの入力導波路１４ｃに接続している点で異なる。図５の構成においても、遅延線１２を分波用光結合器９ａの入力ポートに接続し、光導波路１５を分波用光結合器９ｂの入力ポートに接続し、信号光及び局部発振光と干渉しない光波をモニタ光入力導波路１８に入力する。それにより、光９０度ハイブリッド機能を阻害することなく、ＩＱ位相差のモニタが可能となる。ここで、図５においては、光導波路１６と遅延線１２とが交差しているが、両者が交差しないように光導波路１６を迂回させて分波用光結合器９ａと接続しても、本発明の効果は損なわれない。

以上、図３、４、５に示した本発明の光９０度ハイブリッド回路においては、図１の従来技術で用いられる信号光及び局部発振光を分岐する目的の光スプリッタ２ａ、２ｂを、２つ以上の入力ポートを備える分波用光結合器９ａ、９ｂに置換した。それにより、光ハイブリッド機能とともに、ＩＱ位相差評価も同時に実現することを可能とする光９０度ハイブリッド回路を実現した。ただし、本発明は以上の構成例に限定されるものではなく、ＰＬＣ外部から入力した光を、光の伝搬経路において分岐する光スプリッタを、分波用光結合器に置換することでも本発明の効果を発現することが可能となる。以下に、その具体例を挙げて説明する。

具体例として、光９０度ハイブリッド回路に偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）を集積した光回路における本発明の効果の発現方法を説明する。光９０度ハイブリッド回路にＰＢＳを集積した回路は、特に、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調方式などに代表される偏波多重コヒーレント受信方式において、光受信器の重要な構成部品となる。

図６は、本発明に係る光９０度ハイブリッド回路にＰＢＳ機能を集積した回路の構成図である。ＰＢＳ機能発現部２４ａは、ＰＢＳ入力光結合器１９ａと、導波路複屈折制御機構２０ａと、ＰＢＳ光結合器２１ａと、ＰＢＳ出力導波路２２ａ、２２ｂとから構成されている。ＰＢＳ機能発現部２４ｂは、ＰＢＳ入力光結合器１９ｂと、導波路複屈折制御機構２０ｂと、ＰＢＳ光結合器２１ｂと、ＰＢＳ出力導波路２２ｃ、２２ｄとから構成されている。

ＰＢＳ機能発現部の動作原理については、本発明の効果とは無関係なので説明を省略する。ＰＢＳ機能発現部の動作原理については、例えば、非特許文献２に記載されている。光導波路１６をＰＢＳ入力光結合器１９ａに、光導波路１７をＰＢＳ入力光結合器１９ｂに接続し、且つ、ＰＢＳ出力導波路２２ｂに光スプリッタ２ａを、ＰＢＳ出力導波路２２ｄに光スプリッタ２ｂを接続することにより、ＰＢＳ機能及び光９０度ハイブリッド機能を集積した光回路が実現される。ここで、ＰＢＳ出力導波路２２ａ、２２ｂと光スプリッタ２ａとの接続方法及びＰＢＳ出力導波路２２ｃ、２２ｄと光スプリッタ２ｂとの接続方法については、光スプリッタ２ａ、２ｂに同一偏波が入力されるように接続する点に注意が必要である。

本発明の効果を発現するために重要な１つ目の点は、ＰＬＣ外部からの入力光が、伝搬経路において分岐されるＰＢＳ入力光結合器１９ａ、１９ｂに２つ以上の入力ポートが備わっていることである。２つ目の点は、ＰＢＳ入力光結合器１９ａ、１９ｂのそれぞれの入力ポートにおいて信号光及び局部発振光が入力されないポートに、遅延線１２及び光導波路１５が接続されている点である。モニタ光入力導波路１８に、信号光及び局部発振光と干渉しない光波を入力することにより、ＰＢＳ機能及び光９０度ハイブリッド機能を阻害することなく、ＩＱ位相差のモニタが可能となる。

なお、図６においては、ＰＢＳ出力導波路２２ａ、２２ｃの後に光伝搬経路が接続されていないが、他の光９０度ハイブリッド回路を構成する入力導波路とＰＢＳ出力導波路２２ａとを光学的に接続し、且つ、他の光９０度ハイブリッド回路を構成する入力導波路とＰＢＳ出力導波路２２ｃとを光学的に接続することができる。それにより、他の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差も同時にモニタすることが可能となる。

ＰＬＣ外部から入力した光の伝搬経路において２つに分岐する光スプリッタを、分波用光結合器に置換することで本発明の効果を発現することが可能となる具体例として、光９０度ハイブリッド回路に可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）を集積した光回路における本発明の効果の発現方法を説明する。光９０度ハイブリッド回路に対するＶＯＡ機能の集積は、特に、強度の大きい局部発振光が入力される光９０度ハイブリッド回路において、光電変換部以降に接続される電子回路を保護する目的から、重要な機能追加である。

図７は、本発明に係る光９０度ハイブリッド回路にＶＯＡ機能を集積した回路の構成図である。ＶＯＡ機能発現部２９は、ＶＯＡ入力光結合器２５と、出力光強度調整機構２６と、ＶＯＡ光結合器２７と、ＶＯＡ出力導波路２８ａ、２８ｂとから構成されている。ＶＯＡ機能発現部の動作原理については、本発明の効果とは無関係なので説明を省略する。ＶＯＡ機能発現部の動作原理については、例えば、非特許文献３に記載されている。

光導波路１６を入力導波路１４ｂに接続し、光導波路１７をＶＯＡ入力光結合器２５に接続し、ＶＯＡ出力導波路２８ｂに光スプリッタ２ｂを接続することにより、ＶＯＡ機能及び光９０度ハイブリッド機能を集積した光回路が実現される。本発明の効果を発現するために重要な１つ目の点として、分波用光結合器９ａ及びＶＯＡ入力光結合器２５に２つ以上の入力ポートが備わっていることである。２つ目の点として、分波用光結合器９ａとＶＯＡ入力光結合器２５とのそれぞれの入力ポートにおいて、信号光及び局部発振光が入力されないポートに、遅延線１２及び光導波路１５が接続されている点である。本発明の構成においては、遅延線１２を分波用光結合器９ａに接続し、光導波路１５をＶＯＡ入力光結合器２５に接続する必要がある。モニタ光入力導波路１８に、信号光及び局部発振光と干渉しない光波を入力することにより、ＶＯＡ機能及び光９０度ハイブリッド機能を阻害することなく、ＩＱ位相差のモニタが可能となる。

なお、以上で説明した本発明の構成において、信号光及び局部発振光の入力位置を規定しているが、信号光及び局部発振光の入力位置を入れ替えた場合でも、互いに直交するＩ成分とＱ成分とを分離するという光９０度ハイブリッド回路の機能は果たされ、且つ、本発明の効果も損なわれないことは明らかである。

図８は、実際に作製した実施例１に係るＩＱ位相差モニタ機能を有した光９０度ハイブリッド回路の模式図を示す。本実施例においては、分波用光結合器９ａ、９ｂとして２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備えたＭＭＩカプラを利用した。光９０度ハイブリッド回路の作製にはＰＬＣ技術が使用された。具体的には、火炎堆積法及び反応性イオンエッチングを使用して、シリコン基板上に石英系ガラス導波路を作製した。コアの断面形状は４．５μｍ四方角であり、比屈折率差は１．５％である。コアを厚さ３０μｍのオーバークラッドガラスにより埋め込んだ。ＩＱ位相差を実験的に評価することを目的として、モニタ光入力導波路にモニタ光を入力し、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルを測定した。測定した出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルに基づいて、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相差を算出することが可能となる。

図９Ａは、作製した光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果である。なお、従来技術と比較するため、従来技術の光回路遅延回路を有した光９０度ハイブリッド回路（図２）を本発明の実施例１と同一の作製プロセスで作製し、各出力間の位相差を評価した。その結果も併せて図９Ａ及び図９Ｂに示す。光遅延回路部を付した光９０度ハイブリッド回路の出力スペクトルのＦＳＲ（Free Spectral Range）が、本発明の実施例１及び従来技術の構成ともに約１２０ＧＨｚとなるように、遅延線１２と光導波路１５との光路長差を設計した。図９Ａは、本発明の実施例１における光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果を示し、図９Ｂは、従来技術における光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果を示す。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ、図９Ａ及び図９Ｂに示した透過スペクトル測定結果から算出した、各出力間の位相差を入力光波長の関数としてプロットした図である。図１０Ａは、本発明の実施例１におけるＩＱ位相差評価結果を示し、図１０Ｂは、従来技術の構成におけるＩＱ位相差評価結果を示す。本発明の実施例１におけるＩＱ位相差評価結果と、従来技術の構成におけるＩＱ位相差評価結果は一致しており、光９０度ハイブリッドの機能を阻害することなく、ＩＱ位相差をモニタするという本発明の回路構成の効果を実験的にも確認した。なお、ここではＭＭＩカプラを例に挙げて説明したが、本発明を構成する分波用光結合器９ａ、９ｂはＭＭＩカプラに限定されるわけではなく、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備えた方向性結合器を用いることも可能である。

図１１は、実際に作製した実施例２に係るＩＱ位相差モニタ機能とＰＢＳ機能とを有した光９０度ハイブリッド回路の模式図を示す。なお、本構成は２つの光９０度ハイブリッド回路８、８’を内包しており、ＰＢＳと集積することにより、入力光の偏波状態に応じて出力光を分離し、且つ、各偏波光のＩ成分とＱ成分とを分離することが可能となる。実施例２の構成は特に、ＤＰ−ＱＰＳＫ変調方式などに代表される偏波多重コヒーレント受信方式において、光受信器を構成する部品として適した光回路である。

光遅延回路部を付した光９０度ハイブリッド回路の出力スペクトルのＦＳＲが約１２０ＧＨｚとなるように、遅延線１２及び光導波路１５の光路長差を設計した。光９０度ハイブリッド回路の作製にはＰＬＣ技術が使用された。具体的には、火炎堆積法及び反応性イオンエッチングを使用して、シリコン基板上に石英系ガラス導波路を作製した。コアの断面形状は４．５μｍ四方角であり、比屈折率差は１．５％である。コアを厚さ３０μｍのオーバークラッドガラスにより埋め込んだ。ＩＱ位相差を実験的に評価することを目的として、モニタ光をモニタ光入力導波路に入力し、光９０度ハイブリッド回路８、８’のそれぞれの出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルを測定した。それぞれの出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルに基づいて、それぞれの出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相差を算出することが可能となる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、透過スペクトル測定結果から算出した、図１１における光９０度ハイブリッド回路８、８’の各出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂからの各出力間の位相差を入力光波長の関数としてプロットした図である。図１２Ａは、光９０度ハイブリッド回路８’の出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂからの出力間の位相差を示し、図１２Ｂは、光９０度ハイブリッド回路８の出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂからの出力間の位相差を示す。光９０度ハイブリッドの機能を阻害することなく、ＩＱ位相差をモニタするという本発明の回路構成の効果を実験的にも確認した。なお、本実施例については、１つの光遅延回路部の導入により、２つの光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の同時評価を実現している点が特徴である。

図１３は、本発明に係る実施例３の実施形態を示している。本実施形態においては、光導波路１５と遅延線１２との光路長を同一にし、２本の第１のアーム導波路１０ａ、１０ｂの光路長と２本の第２のアーム導波路１０ｃ、１０ｄの光路長とが異なる構成となっている。本構成においても、モニタ光入力導波路１８から入力されたモニタ光が光スプリッタ１１で２つに分岐される。光が分波用光結合器９ａを経由して光結合器３ａ、３ｂに至る経路と、分波用光結合器９ｂを経由して光結合器３ａ、３ｂに至る経路との間で光路長が異なるため、光が入力導波路１８から出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂに至る回路は遅延干渉計として機能する。すなわち、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルを測定することにより、各出力間の位相差を評価することが可能となる。従って、本実施形態を用いることで、前述の実施形態と同様の発明の効果を実現することが可能である。

本発明は、光伝送システムにおけるコヒーレント受信方式に用いられる光受信器の構成部品である光９０度ハイブリッド回路として利用することができる。

Claims

第１の入力導波路と、
少なくとも２つの第１の入力ポートと、少なくとも２つの第１の出力ポートとを有する第１の分波用光結合器であって、前記第１の入力導波路が前記第１の入力ポートの１つに接続され、前記第１の入力導波路に入力された光を分岐する第１の分波用光結合器と、
第２の入力導波路と、
少なくとも２つの第２の入力ポートと、少なくとも２つの第２の出力ポートとを有する第２の分波用光結合器であって、前記第２の入力導波路が前記第２の入力ポートの１つに接続され、前記第２の入力導波路に入力された光を分岐する第２の分波用光結合器と、
前記第１の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第１のアーム導波路と、
前記第２の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第２のアーム導波路と、
前記２本の第１のアーム導波路と前記２本の第２のアーム導波路との４本のうちの１本に設置され、光の位相を９０度シフトする９０度位相シフト部と、
前記２本の第１のアーム導波路の一方と前記２本の第２のアーム導波路の一方とに接続された第１の光結合器と、
前記２本の第１のアーム導波路の他方と前記２本の第２のアーム導波路の他方とに接続された第２の光結合器と、
第３の入力導波路と、
前記第３の入力導波路に接続され、前記第３の入力導波路に入力された光を２つに分岐する光スプリッタと、
前記光スプリッタと前記第１の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第１の光導波路と、
前記光スプリッタと前記第２の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第２の光導波路とを備え、
前記第１の光導波路の光路長と前記第２の光導波路の光路長とが異なり、
前記第１の入力導波路に信号光が入力され、前記第２の入力導波路に局部発振光が入力され、前記第３の入力導波路にモニタ光が入力されることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
前記第１の分波用光結合器は、２つの前記第１の入力ポートを有し、入力された光を偏波状態に応じて２つに分岐する第１の偏波スプリッタと、前記第１の偏波スプリッタに接続され、入力された光を２つに分岐する第１のスプリッタとから構成され、
前記第２の分波用光結合器は、２つの前記第２の入力ポートを有し、入力された光を偏波状態に応じて２つに分岐する第２の偏波スプリッタと、前記第２の偏波スプリッタに接続され、入力された光を２つに分岐する第２のスプリッタとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路。
前記第２の分波用光結合器は、入力された光の強度レベルを調整する光減衰器と、前記光減衰器に接続され、入力された光を２つに分岐する光スプリッタとから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路。
第１の入力導波路と、
少なくとも２つの第１の入力ポートと、少なくとも２つの第１の出力ポートとを有する第１の分波用光結合器であって、前記第１の入力導波路が前記第１の入力ポートの１つに接続され、前記第１の入力導波路に入力された光を分岐する第１の分波用光結合器と、
第２の入力導波路と、
少なくとも２つの第２の入力ポートと、少なくとも２つの第２の出力ポートとを有する第２の分波用光結合器であって、前記第２の入力導波路が前記第２の入力ポートの１つに接続され、前記第２の入力導波路に入力された光を分岐する第２の分波用光結合器と、
前記第１の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第１のアーム導波路と、
前記第２の出力ポートのうちの２つに接続された２本の第２のアーム導波路と、
前記２本の第２のアーム導波路のうちのいずれか一方に設置され、光の位相を９０度シフトする９０度位相シフト部と、
前記２本の第１のアーム導波路の一方と前記２本の第２のアーム導波路の一方とに接続された第１の光結合器と、
前記２本の第１のアーム導波路の他方と前記２本の第２のアーム導波路の他方とに接続された第２の光結合器と、
第３の入力導波路と、
前記第３の入力導波路に接続され、前記第３の入力導波路に入力された光を２つに分岐する光スプリッタと、
前記光スプリッタと前記第１の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第１の光導波路と、
前記光スプリッタと前記第２の入力ポートの残りのポートの１つとを接続する第２の光導波路とを備え、
前記２本の第１のアーム導波路の光路長と前記２本の第２のアーム導波路の光路長とが異なり、
前記第１の入力導波路に信号光が入力され、前記第２の入力導波路に局部発振光が入力され、前記第３の入力導波路にモニタ光が入力されることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。