JP5373908B2 - 光９０度ハイブリッド回路 - Google Patents

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、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差の波長依存性が小さい光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で、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。

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. Seimetz, M. Weinert, "feasibility, and availability of 2 /spl times/ 4 90/spl deg/ hybrids for coherent optical systems", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 3, pp. 1317-1322, March 13, 2006.

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の構成として、ＰＬＣ上面に薄膜ヒータを装荷して電力を印加し、導波路を構成するコア周辺を加熱することにより、コアの実効屈折率を調整する方法がある。コアの加熱による屈折率変化量をΔＮ、ヒータ長をＬとすると次式が成立する。
Ｌ×ΔＮ＝（±１／４＋ｍ）λ （１）

この構成の場合、印加電力の調整により位相シフト量θを正確に９０度に調整することが可能となる。一方で、光９０度ハイブリッド回路として機能させるためには常に一定の電力を印加する必要があり、光受信器の消費電力増大につながるという問題を生じる。また、ヒータ及び配線部分の経年変化の影響を考慮すると、位相シフト量θのモニタ機能を付加する必要もあり、光受信器及びその制御機構が複雑化することも懸念される。

前述とは別の９０度位相シフト部７の構成として、導波路の長さを調整する方法がある。この場合、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのうち、９０度位相シフト部７を設置する光導波路についてのみ、次式を満たすように導波路の長さをΔＬだけ変化させればよい。
ΔＬ×Ｎ（λ）＝（±１／４＋ｍ）λ （２）

ここで、Ｎ（λ）は導波路を構成するコアの実効屈折率を示しており、波長λの関数で表される。この構成の場合、電力を全く消費せず、位相シフト量θのモニタ機能も不要であるという利点がある。しかしながら、ΔＬはある一意の値にしか設定できないため、位相シフト量θが伝搬光の波長λに依存することになる。例えば、ある波長λ_Ｘが式（２）を満たすように９０度位相シフト部７のΔＬを設計した場合（θ_１＝９０度）、異なる波長λ_Ｙにおける位相シフト量θ_２は次式で表される。

光９０度ハイブリッド回路として使用する波長帯域が拡大することに伴い、位相シフト量θの９０度からのずれは大きくなり、受信特性劣化に及ぼす影響も大きくなる。

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、波長依存性の低減を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。より詳細には、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）の波長依存性の低減を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。

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の入力ポート及び第２の入力ポートを有し、光を２つに分岐する第１の分波用光結合器と、第３の入力ポート及び第４の入力ポートを有し、光を２つに分岐する第２の分波用光結合器と、第１の入力ポートのスルーポートを介して結合され、第２の入力ポートのクロスポートを介して結合された第１のアーム導波路と、第１の入力ポートのクロスポートを介して結合され、第２の入力ポートのスルーポートを介して結合された、第１のアーム導波路と長さの等しい第２のアーム導波路と、第３の入力ポートのスルーポートを介して結合され、第４の入力ポートのクロスポートを介して結合された第３のアーム導波路と、第３の入力ポートのクロスポートを介して結合され、第４の入力ポートのスルーポートを介して結合された、第３のアーム導波路と長さの等しい第４のアーム導波路と、第１のアーム導波路ないし第４のアーム導波路のうちの一本に設けられた、光の位相を９０度シフトする９０度位相シフト部と、第１のアーム導波路と第３のアーム導波路とに接続された第１の光結合器と、第２のアーム導波路と第４のアーム導波路とに接続された第２の光結合器とを備え、第２の入力ポート及び第３の入力ポートに光が入力されるように構成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の分波用光結合器及び第２の分波用光結合器は、方向性結合器で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１の分波用光結合器及び第２の分波用光結合器は、ＭＭＩカプラで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。

本発明によれば、光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の波長依存性を低減することが可能となる。光９０度ハイブリッド回路の入力導波路に結合する光スプリッタとして、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備える分波用光結合器を利用し、且つ、各分波用光結合器の入力ポートと結合する入力導波路の組み合わせを選択することにより、ＩＱ位相差の波長依存性低減に適し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、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３は、本発明の別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５Ａ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５Ｂ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６Ａ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６Ｂ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７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８Ａ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８Ｂ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。

本発明は、９０度位相シフト部における位相シフト量θの波長依存性に起因するＩＱ位相差の波長依存性を低減した光９０度ハイブリッド回路を提供する。

図２は、本発明に係るＩＱ位相差の波長依存性を低減した光９０度ハイブリッド回路の構成を示す図である。本発明にかかる光９０度ハイブリッド回路は、入力導波路１４ａ及び入力導波路１４ｂと結合された分波用光結合器９ａと、入力導波路１４ｃ及び入力導波路１４ｄと結合された分波用光結合器９ｂと、分波用光結合器９ａと結合されたアーム導波路１０ａ、１０ｂと、分波用光結合器９ｂと結合されたアーム導波路１０ｃ、１０ｄ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、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、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。

分波用光結合器９ａは、２つの入力ポート及び２つの出力ポートを有し、２つの入力ポートを介して入力導波路１４ａ及び入力導波路１４ｂと結合され、２つの出力ポートを介してアーム導波路１０ａ、１０ｂと結合される。また、分波用光結合器９ａは、２つの入力ポートと２つの出力ポートとをそれぞれ結合するスルーポート及びクロスポートを有する。分波用光結合器９ｂは、２つの入力ポート及び２つの出力ポートを有し、２つの入力ポートを介して入力導波路１４ｃ及び入力導波路１４ｄと結合され、２つの出力ポートを介してアーム導波路１０ｃ、１０ｄと結合される。また、分波用光結合器９ｂは、２つの入力ポートと２つの出力ポートとをそれぞれ結合するスルーポート及びクロスポートを有する。

図２では、信号光は入力導波路１４ａを介して分波用光結合器９ａに入力され、局部発振光は入力導波路１４ｄを介して分波用光結合器９ｂに入力されている。

図２を参照して、入力導波路１４ａに入力された信号光及び入力導波路１４ｄに入力された局部発振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１４ａを介して分波用光結合器９ａ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１４ｄを介して分波用光結合器９ｂによって２つに分岐される。分波用光結合器９ａによって２つに分岐された光の一方は、アーム導波路１０ａを介して光結合器３ａに入力され、他方は、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２つに分岐された光の一方は、アーム導波路１０ｃを介して光結合器３ａに入力され、他方は、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。

入力導波路１４ａに入力された信号光は、入力導波路１４ａに結合された入力ポートのスルーポートを介してアーム導波路１０ａに結合され、クロスポートを介してアーム導波路１０ｂに結合される。入力導波路１４ｄに入力された局部発振光は、入力導波路１４ｄに結合された入力ポートのスルーポートを介してアーム導波路１０ｄに結合され、クロスポートを介してアーム導波路１０ｃに結合される。

図２の構成においては、アーム導波路１０ａに入力される光に対するアーム導波路１０ｂに入力される光の相対位相差は９０度であり、アーム導波路１０ｃに入力される光に対するアーム導波路１０ｄに入力される光の相対位相差は−９０度である。

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、局部発振光を２つに分岐することを目的として、光スプリッタ２ａ、２ｂに代えて分波用光結合器９ａ、９ｂを導入した点である。分波用光結合器９ａ、９ｂの導入により、９０度位相シフト部７における位相シフト量θの波長依存性に起因するＩＱ位相差の波長依存性を低減することが可能となる。

本発明に係る光９０度ハイブリッド回路の波長依存性を低減する原理について、以下で詳細を説明する。分波用光結合器９ａ、９ｂとしては、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。ここでは、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを備えたＭＭＩカプラを例に挙げて説明する。

ＭＭＩカプラは、２つの入力ポートのうちの１つに入力された光を２つの出力ポートから等強度で出力するように設計される。このようなＭＭＩカプラは、公知であるビーム伝搬法（ＢＰＭ：Beam Propagation Method）を用いた数値計算により容易に設計することができる。上記のＭＭＩカプラは、従来技術（図１）に示す光スプリッタ２ａ、２ｂと同様の機能を果たしている。２つの出力ポートから出力される光の位相関係に注目すると、その位相が互いに約９０度ずれていることが、ＢＰＭを用いた数値計算により確認できる。

ここで、分波用光結合器９ａ、９ｂの２つの出力ポートから出力される光の位相差の９０度からのずれの波長依存性に着目し、その位相差を９０＋α×（λ−λ_１）と表記する。αは分波用光結合器９ａ、９ｂの構造に依存し、単位［度／ｎｍ］の定数である。λ_１は分波用光結合器９ａ、９ｂの設計によって決定される。入力光の波長λがλ_１に一致した場合、分波用光結合器９ａ、９ｂから出力される光の位相差は９０度となる。

９０度位相シフト部７における位相シフト量θを、９０度からのずれの波長依存性を考慮し、９０＋β×（λ−λ_２）と表記する。ここで、βは単位［度／ｎｍ］の定数である。λ_２は９０度位相シフト部７の設計によって決定される。入力光の波長λがλ_２に一致した場合、９０度位相シフト部７における位相シフト量θは９０度となる。

ここで、ＩＱ位相差の波長依存性を低減するための本発明に係る光９０度ハイブリッド回路の構成において、その効果を発現するためには、２つの分波用光結合器９ａ、９ｂのそれぞれの２つの入力ポートに接続された入力導波路のうち、どの入力導波路に信号光及び局部発振光を入力するか、その組み合わせが重要となる。

図２は、信号光を入力導波路１４ａに入力し、局部発振光を入力導波路１４ｄに入力した本発明に係る光９０度ハイブリッド回路の構成図である。表１は、本発明の図２の構成及び図１の従来技術の構成において、出力導波路４ａから出力される光の位相を基準とした場合の、出力導波路４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相関係を示す。Δλ_１＝λ−λ_１、Δλ_２＝λ−λ_２とする。表１及び後述する表３の算出方法は、非特許文献２に示される。

ここで、表１及び後述する表３の算出方法について説明する。光スプリッタ２ａ、２ｂの２出力間の位相差を０とし、分波用光結合器９ａ、９ｂ及び光結合器３ａ、３ｂの２出力間の位相差を９０＋αΔλ_１［度］とし、９０度位相シフト部７を通過する光の位相は＋（９０＋βΔλ_２）［度］となるとする。表１及び表３では、分波用光結合器９ａ、９ｂ及び光結合器３ａ、３ｂのクロスポート出力を＋（９０＋αΔλ_１）［度］とした。信号光の光スプリッタ２ａ、２ｂ又は分波用光結合器９ａ、９ｂへの入力時における位相を０とし、上記の条件に従い、４本の出力導波路４ａ、５ａ、４ｂ、５ｂにおける各々の位相を計算する。局部発振光の光スプリッタ２ａ、２ｂ又は分波用光結合器９ａ、９ｂへの入力時における位相を０とし、上記の条件に従い、４本の出力導波路４ａ、５ａ、４ｂ、５ｂにおける各々の位相を計算する。４本の出力導波路４ａ、５ａ、４ｂ、５ｂの各々において、信号光と局発光との位相差を算出する。４ａが０となるように、信号光と局発光との位相差の、各々の出力導波路における算出結果にオフセットを加えることによって、表１及び表３の値を算出した。

ここでは、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの長さはすべて等しいと想定している。また、分波用光結合器９ａ、９ｂと、光結合器３ａ、３ｂは同一設計のＭＭＩカプラであると想定している。光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差としては、出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差を評価する必要がある。表２は、本発明の図２の構成及び図１の従来技術の構成における出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差の９０度又は−９０度からのずれを示す。

従来技術の光９０度ハイブリッド回路においては、ＩＱ位相差が９０度から、最大で、ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１＋βΔλ_２、２αΔλ_１−βΔλ_２｝だけずれることが分かる。ここで、ｍａｘ｛ｘ_１，ｘ_２，．．．ｘ_Ｎ｝は数値ｘ_１，ｘ_２，．．．ｘ_Ｎの中で、その絶対値の最大値を意味している。一方、図２に示した本発明に係る光９０度ハイブリッド回路においては、ＩＱ位相差が９０度から最大で、ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１−βΔλ_２、４αΔλ_１−βΔλ_２｝だけずれることが分かる。ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１＋βΔλ_２、２αΔλ_１−βΔλ_２｝＞ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１−βΔλ_２、４αΔλ_１−βΔλ_２｝となる場合は、図２に示した本発明の構成によるＩＱ位相差の波長依存性低減効果が発現する。

図３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は、信号光を入力導波路１４ｂに入力し、局部発振光を入力導波路１４ｃに入力する点で、図２に示す構成と異なる。

図３の構成において、入力導波路１４ｂに入力された信号光は、入力導波路１４ｂに結合された入力ポートのクロスポートを介してアーム導波路１０ａに結合され、スルーポートを介してアーム導波路１０ｂに結合される。入力導波路１４ｃに入力された局部発振光は、入力導波路１４ｃに結合された入力ポートのクロスポートを介してアーム導波路１０ｄに結合され、スルーポートを介してアーム導波路１０ｃに結合される。

また、アーム導波路１０ａに入力される光に対するアーム導波路１０ｂに入力される光の相対位相差は−９０度であり、アーム導波路１０ｃに入力される光に対するアーム導波路１０ｄに入力される光の相対位相差は９０度である。

表３は、本発明の図３の構成及び図１の従来技術の構成において、出力導波路４ａから出力される光の位相を基準とした場合の、出力導波路４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相関係を示す。

ここでは、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの長さはすべて等しいと想定している。また、分波用光結合器９ａ、９ｂと、光結合器３ａ、３ｂは同一設計のＭＭＩカプラであると想定している。表４は、本発明の図３の構成及び図１の従来技術の構成において、出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差の９０度又は−９０度からのずれを示す。

従来技術の光９０度ハイブリッド回路においては、ＩＱ位相差が９０度から、最大で、ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１＋βΔλ_２、２αΔλ_１−βΔλ_２｝だけずれることが分かる。一方、図３に示した本発明に係る光９０度ハイブリッド回路においては、ＩＱ位相差が９０度から、最大で、ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１＋βΔλ_２、４αΔλ_１＋βΔλ_２｝だけずれることが分かる。ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１＋βΔλ_２、２αΔλ_１−βΔλ_２｝＞ｍａｘ｛βΔλ_２、２αΔλ_１＋βΔλ_２、４αΔλ_１＋βΔλ_２｝となる場合は、図３に示した本発明の構成によるＩＱ位相差の波長依存性低減効果が発現する。

信号光又は局部発振光が入力される入力導波路は、分波用光結合器から出力される光の位相関係に基づいて選択される。アーム導波路１０ａに入力される光に対するアーム導波路１０ｂに入力される光の相対位相差をθ_ａとし、アーム導波路１０ｃに入力される光に対するアーム導波路１０ｄに入力される光の相対位相差をθ_ｂとする。従来技術では、信号光又は局部発振光が入力される光スプリッタ２ａ、２ｂにおいて、光の位相がシフトしないため、｛θ_ａ、θ_ｂ｝＝（０、０）となる。これに対して、図２の構成の場合は、信号光又は局部発振光が入力される分波用光結合器９ａ、９ｂにおいて、光の位相がシフトして、｛θ_ａ、θ_ｂ｝＝（＋９０、−９０）となる。図３の構成の場合は、｛θ_ａ、θ_ｂ｝＝（−９０、＋９０）となる。重要な点は、本発明の構成においてθ_ａ≠θ_ｂとなっていることである。本発明の構成図のように入力導波路が４本ある場合でも、図２又は図３以外の、信号光又は局部発振光が入力される入力導波路の組み合わせでは、｛θ_ａ、θ_ｂ｝＝（＋９０、＋９０）又は｛θ_ａ、θ_ｂ｝＝（−９０、−９０）となる。この場合はθ_ａ＝θ_ｂとなり、本発明の効果は発現しない。

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。また、図２及び図３においては、分波用光結合器９ａ、９ｂに接続されたそれぞれの２本の入力導波路のうち、光が入力されない入力導波路も描画されているが、勿論、光が入力されない導波路は消失していても構わない。なお、前述の説明では、信号光は分波用光結合器光９ａに入力され、局部発振光は分波用光結合器９ｂに入力されているが、図２及び図３において信号光と局部発振光と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。さらに、表１ないし表４において、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの長さはすべて等しいと想定したが、アーム導波路１０ａ、１０ｂの長さが等しく、アーム導波路１０ｃ、１０ｄの長さが等しいとした場合も本発明の効果は発現する。

図４は、実際に作製した実施例１に係る光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つの入力ポート及び２つの出力ポートを備えたＭＭＩカプラを利用した。また、ＭＭＩカプラはλ_１＝１５５０ｎｍを満たすように設計し、９０度位相シフト部７はλ_２＝１５５０ｎｍを満たすように設計した。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、光スプリッタ１１及び遅延線１２から構成される光遅延回路部１３を本発明の光９０度ハイブリッドの入力導波路１４ａ、１４ｄに結合した。これは、図２における信号光と局部発振光との代わりに、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に通して遅延を与え、光９０度ハイブリッド回路の入力導波路１４ａ、１４ｄ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。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、勿論、光９０度ハイブリッド回路として機能し、且つ、本発明の効果が損なわれないのは明らかである。

図５Ａ及び図５Ｂ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を示す。なお、従来技術と比較するため、従来技術の光９０度ハイブリッド回路を本発明の実施例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。図５Ａ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５Ｂは従来技術の光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６Ａ及び図６Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂ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６Ａは、本発明の実施例１の光９０度ハイブリッド回路の上記のプロット図であり、図６Ｂは、従来技術の光９０度ハイブリッド回路の上記のプロット図である。α＝０．０２［度／ｎｍ］、β＝０．０４［度／ｎｍ］、λ_１＝λ_２＝１５５０ｎｍであることを確認した。従来技術の構成において、波長帯域１５２０〜１６２０ｎｍにおけるＩＱ位相差の９０度からのずれが最大６度であった。それに対して、本実施例１の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の９０度からのずれの最大値は３度であり、本発明の効果によりＩＱ位相差の波長依存性が低減されたことを実験的にも確認した。

図７は、実際に作製した実施例２に係る光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つの入力ポート及び２つの出力ポートを備えたＭＭＩカプラを利用した。また、ＭＭＩカプラはλ_１＝１５５０ｎｍを満たすように設計し、９０度位相シフト部７はλ_２＝１５５０ｎｍを満たすように設計した。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。コアの断面形状は３μｍ四方角であり、比屈折率差は２．５％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、光スプリッタ１１及び遅延線１２から構成される光遅延回路部１３を本発明の光９０度ハイブリッドの入力導波路１４ｂ、１４ｃに結合した。これは、図３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に通して遅延を与え、光９０度ハイブリッド回路の入力導波路１４ｂ、１４ｃ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。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、勿論、光９０度ハイブリッド回路として機能し、且つ、本発明の効果が損なわれないのは明らかである。

図８Ａ及び図８Ｂは、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８Ａは、本発明の実施例２の光９０度ハイブリッド回路の上記のプロット図であり、図８Ｂは、従来技術の光９０度ハイブリッド回路の上記のプロット図である。α＝０．０３［度／ｎｍ］、β＝−０．０７［度／ｎｍ］、λ_１＝λ_２＝１５５０ｎｍであることが確認された。従来技術の構成において、波長帯域１５２０〜１６２０ｎｍにおけるＩＱ位相差の９０度からのずれが最大９度であった。それに対して、本実施例２の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の９０度からのずれの最大値は５度であり、本発明の効果によりＩＱ位相差の波長依存性が低減されたことを実験的にも確認した。

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 (3)

1. 第１の入力ポート及び第２の入力ポートを有し、光を２つに分岐する第１の分波用光結合器と、
   第３の入力ポート及び第４の入力ポートを有し、光を２つに分岐する第２の分波用光結合器と、
   前記第１の入力ポートのスルーポートを介して結合され、前記第２の入力ポートのクロスポートを介して結合された第１のアーム導波路と、
   前記第１の入力ポートのクロスポートを介して結合され、前記第２の入力ポートのスルーポートを介して結合された、前記第１のアーム導波路と長さの等しい第２のアーム導波路と、
   前記第３の入力ポートのスルーポートを介して結合され、前記第４の入力ポートのクロスポートを介して結合された第３のアーム導波路と、
   前記第３の入力ポートのクロスポートを介して結合され、前記第４の入力ポートのスルーポートを介して結合された、前記第３のアーム導波路と長さの等しい第４のアーム導波路と、
   前記第１のアーム導波路ないし前記第４のアーム導波路のうちの一本に設けられた、光の位相を９０度シフトする９０度位相シフト部と、
   前記第１のアーム導波路と前記第３のアーム導波路とに接続された第１の光結合器と、
   前記第２のアーム導波路と前記第４のアーム導波路とに接続された第２の光結合器とを備え、
   前記第２の入力ポート及び前記第３の入力ポートに光が入力されるように構成されることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
2. 前記第１の分波用光結合器及び前記第２の分波用光結合器は、方向性結合器で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。
3. 前記第１の分波用光結合器及び前記第２の分波用光結合器は、ＭＭＩカプラで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。

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