JP5482346B2 - 光導波路素子及びそのような光導波路素子を備えた光受信機 - Google Patents

光導波路素子及びそのような光導波路素子を備えた光受信機 Download PDF

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Description

本発明は、光導波路素子及びそのような光導波路素子を備えた光受信機に関する。
近年、光通信システムにおける伝送容量を増大するために、ビットレートの向上が求められている。ビットレートを増大しないまま、伝送容量を向上するために、例えば、多値位相偏移変調を使用する場合がある。
多値位相偏移変調として、具体的には、４値位相偏移変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）又は差分４値位相偏移変調（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ：ＤＱＰＳＫ）が挙げられる。
ＱＰＳＫ又はＤＱＰＳＫ信号光を復調するためには、例えば、光ハイブリッド回路を備えたコヒーレント光受信機が用いられる。光ハイブリッド回路は、入力されたＱＰＳＫ又はＤＱＰＳＫ信号光の位相変調状態に応じて、４つの信号光を出力し、多値化されていた情報を取り出すものであり、コヒーレント光受信機における主要な回路である。
そして、コストパフォーマンスに優れたコヒーレント光受信機を製造するために、光ハイブリッド回路を小型化することが求められている。
図１は、従来技術による光ハイブリッド回路の例１を示す図である。
図１に示す光ハイブリッド回路１１１は、４つの３ｄＢカプラと、９０°位相シフタとから形成される。３ｄＢカプラ同士又は３ｄＢカプラと９０°位相シフタとは、光導波路によって接続される。光ハイブリッド回路１１１は、２つの入力チャネルを用いて、ＱＰＳＫ信号光及び局部発振光（ＬＯ光）が入力される。そして、位相が９０度ずつ異なる４つの出力光が出力チャネルそれぞれから出力される。出力光は、同相成分であるＳ−Ｌ及びＳ＋Ｌ信号光、及び直交成分であるＳ−ｊＬ及びＳ＋ｊＬ信号光を含む。
しかし、図１に示す光ハイブリッド回路１１１は、回路を形成する要素が多いので、光ハイブリッド回路を小型化することには限界がある。
図２は、従来技術による光ハイブリッド回路の例２を示す図である。
図２に示す光ハイブリッド回路１１２は、４つの入力チャネル及び４つの出力チャネルと、矩形の４：４多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）カプラとにより形成される。光ハイブリッド回路１１２は、４つの入力チャネルの内、光伝搬方向の中心軸に非対称な２つの入力チャネルを用いて、ＱＰＳＫ信号光及びＬＯ光が入力される。すると、入力された信号光は、ＭＭＩカプラ内の多モード干渉によって自己結像され、位相が９０度ずつ異なる４つの出力光が出力チャネルそれぞれから出力される。
光ハイブリッド回路１１２は、図１に示す光ハイブリッド回路と比べて、構造が単純であり、光伝搬方向の寸法（以下、単に素子長ともいう）を短縮できる。図２に示す矩形の光ハイブリッド回路では、素子長ＬＭＭＩが、光ハイブリッド回路の幅（光伝搬方向と直交する方向の寸法）の２乗に比例する。そこで、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路は、素子長を短縮するために、幅ＷＭＭＩを低減する必要がある。
しかし、入力チャネルの幅を維持したまま、幅ＷＭＭＩを低減するためには、入力チャネル間の幅ｇａｐを低減しなくてはならない。だが、エッチング等の製造工程における加工精度の観点から、幅ｇａｐを小さくすることには限界がある。従って、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路の素子長を短縮することには限界がある。
図３は、従来技術による光ハイブリッド回路の例３を示す図である。
図３に示す光ハイブリッド回路１１３は、ＭＭＩカプラの両側部がバタフライテーパ状に形成される。ＭＭＩカプラの幅は、光伝搬方向に向かってテーパ状に減少した後、テーパ状に増加している。ＭＭＩカプラの入力側の幅はＷＭＭＩであって、図２に示す光ハイブリッド回路１１２と同じであるが、光伝搬方向の中央の幅がＷＭＢであって、入力側の幅ＷＭＭＩよりも狭まっている。ＭＭＩカプラの両側部は、中央部分の幅ＷＭＢの部分において、不連続点を有する。このような形状を有する光ハイブリッド回路１１３は、平均の幅を低減して、素子長の減少を図っている。
図４は、従来技術による光ハイブリッド回路の例４を示す図である。
図４に示す光ハイブリッド回路１１４は、ＭＭＩカプラの両側部が、内側に凸の放物線状に形成される。ＭＭＩカプラの幅は、光伝搬方向に向かって、連続的に減少した後、連続的に増加する。ＭＭＩカプラの入力側の幅はＷＭＭＩであって、図２に示す光ハイブリッド回路１１２と同じであるが、光伝搬方向の中央の幅がＷＭＰであって、入力側の幅ＷＭＭＩよりも狭まっている。ＭＭＩカプラの両側部は、中央の幅ＷＭＰの部分においても連続している。このような形状を有する光ハイブリッド回路１１４も、平均の幅を低減して、素子長の減少を図っている。
図３及び図４に示す光ハイブリッド回路は、ＭＭＩカプラの素子長を低減する。しかし、図３及び図４に示す光ハイブリッド回路に対しては、入力光を等分配して出力すること、又は出力される各信号の位相情報が入力された多値位相偏移変調信号が有する位相情報を維持すること等の光学性能に関して、更に改善が望まれている。
特開２００７−０６５３５７
Ｄ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ他、"Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｉｇｈｔ−Ｐｏｒｔ９０°Ｈｙｂｒｉｄ ｏｎ ＬｉＮｂＯ３"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９８９年５月、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．５、ｐｐ．７９４−７９８ Ｅ．Ｃ．Ｍ．Ｐｅｎｎｉｎｇｓ他、"Ｕｌｔｒａｃｏｍｐａｃｔ、Ａｌｌ−Ｐａｓｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ ９０°Ｈｙｂｒｉｄ ｏｎ ＩｎＰ Ｕｓｉｎｇ Ｓｅｌｆ−Ｉｍａｇｉｎｇ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９３年６月、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．６、ｐｐ．７０１−７０３ Ｐｉｅｒｒｅ Ａ Ｂｅｓｓｅ他、"Ｎｅｗ ２×２ ａｎｄ １×３ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｆｒｅｅ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ Ｒａｔｉｏｓ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９６年１０月、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１０、ｐｐ．２２８６−２２９３ Ｄ．Ｓ．Ｌｅｖｙ他、"Ｌｅｎｇｔｈ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔａｐｅｒｅｄ Ｎ×Ｎ ＭＭＩ Ｄｅｖｉｃｅｓ"、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９８年６月、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．６、ｐｐ．８３０−８３２
本明細書は、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れた光導波路素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本明細書で開示する光導波路素子としての光ハイブリッド回路の一形態によれば、２つの入力チャネルと、複数の出力チャネルと、一方の端部に２つの入力チャネルが接続され、他方の端部に複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、を備え、多モード干渉カプラは、対向する一対の側部を有し、対向する一対の側部によって規定される多モード干渉カプラの幅は、一方の端部から他方の端部に向かって漸増し、２つの入力チャネルは、一方の端部において、幅方向の中心軸に対して非対称に接続される。
上述した本明細書で開示する光導波路素子としての光ハイブリッド回路の一形態によれば、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れる。
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、クレームされている本発明を制限するものではない。
従来技術による光ハイブリッド回路の例１を示す図である。 従来技術による光ハイブリッド回路の例２を示す図である。 従来技術による光ハイブリッド回路の例３を示す図である。 従来技術による光ハイブリッド回路の例４を示す図である。 本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第１実施形態を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、入力チャネルが多モード干渉カプラに接続される位置を説明する図である。 短縮率とＷＭ／ＷＳとの関係を示す図である。 （Ａ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．６５の時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．６５の時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 （Ａ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．５３の時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．５３の時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 （Ａ）は、図３に示す光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 図３に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。 図５に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。 （Ａ）は、図４に示す光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 図４に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。 （Ａ）は、図５に示す光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝１．０μｍの時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 （Ａ）は、図５に示す光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝１．０μｍの時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、図２の光ハイブリッド回路のｇａｐ＝０．６μｍの時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。 （Ａ）は、図５に示す光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝１．０μｍの時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、図２の光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝０．６μｍの時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 図５のＸ−Ｘ線拡大断面図である。 本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第２実施形態を示す図である。 本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第３実施形態を示す図である。 第１実施形態及び第２実施形態及び第３実施形態の光ハイブリッド回路の短縮率とＷＭ／ＷＳとの関係を示す図である。 本明細書に開示する光受信機の一実施形態を示す図である。 本明細書に開示する光受信機の他の実施形態を示す図である。 本明細書に開示する多モード干渉カプラの変形例を示す図である。 （Ａ）は、光ハイブリッド回路の実施例１の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の部分拡大図であり、（Ｃ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。 （Ａ）は、光ハイブリッド回路の実施例２の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の部分拡大図であり、（Ｃ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
本明細書に開示する光導波路素子としての光ハイブリッド回路は、多値位相偏移変調信号光を入力し、この入力した信号から、位相を変化させて多値化された信号を復調するために好適に用いられる。本明細書に開示する光ハイブリッド回路は、例えば、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ等の多値位相偏移変調信号光、又は１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ等の多値振幅位相変調信号光を復調するために用いることができる。以下の説明では、ＱＰＳＫ信号光を復調する場合の光ハイブリッド回路を例として述べる。光ハイブリッド回路が備える出力チャネルの数は、入力する信号光に応じて適宜設定され得る。
以下、本明細書で開示する光導波路素子としての光ハイブリッド回路の好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
図５は、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第１実施形態を示す図である。
本実施形態の光ハイブリッド回路１０は、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂと、４つの出力チャネル１２と、一方の端部１４に２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂが接続され、他方の端部１５に４つの出力チャネル１２が接続される多モード干渉カプラ１３と、を備える。
多モード干渉カプラ１３は、一方の端部１４から他方の端部１５に向かって光を伝搬する。本明細書では、多モード干渉カプラ１３における一方の端部１４から他方の端部１５に向かう方向を、光伝搬方向ともいう。
多モード干渉カプラ１３は、対向する一対の側部１３ｅを有する。多モード干渉カプラ１３の幅は、対向する一対の側部１３ｅによって規定される。また、多モード干渉カプラ１３の幅は、一方の端部１４から他方の端部１５に向かって漸増している。多モード干渉カプラ１３の幅方向は、一方の端部１４から他方の端部１５に向かう方向と直交する向きである。光ハイブリッド回路１０の幅方向は、多モード干渉カプラ１３の幅方向と一致する。
多モード干渉カプラ１３の幅を規定する対向する一対の側部１３ｅは、幅方向の中心軸ＣＬに対称に形成される。そして、光ハイブリッド回路１０では、多モード干渉カプラ１３における一対の側部１３ｅそれぞれの形状は直線である。
多モード干渉カプラ１３の一方の端部１４は、幅がＷＳであり、この端部１４に２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂが接続される。
多モード干渉カプラ１３の他方の端部１５は、幅がＷＭであり、この端部１５に４つの出力チャネル１２が接続される。図５では、４つの出力チャネルに、Ｃｈ−１、Ｃｈ−２、Ｃｈ−３、Ｃｈ−４と番号が付されている。
多モード干渉カプラ１３の幅は、光伝搬方向に向かって、ＷＳからＷＭまでテーパ状に増加する。
図５では、多モード干渉カプラ１３における一方の端部１４から他方の端部１５に向かう方向が、ｚ軸の正の方向で表されている。また、多モード干渉カプラ１３の幅方向が、ｙ軸で表されている。
図５に示す光ハイブリッド回路１０では、多モード干渉カプラ１３のｚ軸方向の長さはＬＭで表されている。
光ハイブリッド回路１０では、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂは、一方の端部１４において、幅方向の中心軸ＣＬに対して非対称に接続される。
次に、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂが、多モード干渉カプラ１３の一方の端部１４に接続される好ましい位置について、図面を参照して、以下に説明する。
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂが多モード干渉カプラ１３に接続される位置の例を説明する図である。
図６（Ａ）〜図６（Ｃ）では、多モード干渉カプラ１３の一方の端部１３が幅方向に４等分に区分されている。一方の端部１４は、幅方向に区分Ｓ１、区分Ｓ２、区分Ｓ３、区分Ｓ４に分けられている。２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂそれぞれは、区分Ｓ２と区分Ｓ３との境界線に対応する幅方向の中心軸ＣＬに対して非対称に位置する区分の内の２つに接続されることが好ましい。
図６（Ａ）に示す例では、一方の入力チャネル１１ａは、区分Ｓ１に接続され、他方の入力チャネル１１ｂは、区分Ｓ３に接続される。区分Ｓ１と区分Ｓ３とは、幅方向の中心軸ＣＬに対して非対称に位置する。
図６（Ｂ）に示す例でも、図６（Ａ）と同様に、一方の入力チャネル１１ａが、区分Ｓ１に接続され、他方の入力チャネル１１ｂが、区分Ｓ３に接続されている。ただし、一方の入力チャネル１１ａが区分Ｓ１に接続される幅方向の位置が、図６（Ａ）に示す例における位置とは異なっている。同様に、一方の入力チャネル１１ｂが区分Ｓ３に接続される幅方向の位置が、図６（Ａ）に示す例における位置とは異なっている。このように、入力チャネル１１ａ、１１ｂが各区分に接続される位置は、区分内における幅方向のどの位置であっても良い。
図６（Ｃ）に示す例では、一方の入力チャネル１１ａは、区分Ｓ２に接続され、他方の入力チャネル１１ｂは、区分Ｓ４に接続される。区分Ｓ２と区分Ｓ４とは、幅方向の中心軸ＣＬに対して非対称に位置する。
また、多モード干渉カプラ１３の他方の端部１５に接続される４つの出力チャネル１１の位置は、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂが一方の端部１４に接続される位置に対応して決定されることが好ましい。
なお、一方の入力チャネル１１ａと他方の入力チャネル１１ｂとは、互いに入れ違っていても良い。
次に、４つの出力チャネル１１が接続される他方の端部１５の幅方向の位置を、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂが一方の端部１４に接続される位置に基づいて、以下に説明する。
図６（Ａ）には、一方の入力チャネル１１ａが一方の端部１４に接続される位置に対して、幅方向の中心軸ＣＬに対称な位置に、仮想の入力チャネル１１ｄが配置されている。また、他方の入力チャネル１１ｂが一方の端部１４に接続される位置に対して、幅方向の中心軸ＣＬに対称な位置に、仮想の入力チャネル１１ｃが配置されている。同様に、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）にも、仮想の入力チャネル１１ｃ、１１ｄが示されている。
そして、各出力チャネル１２は、２つの入力チャネル１１ａ、１１ｂ及び仮想の入力チャネル１１ｃ、１１ｄが一方の端部１４の幅方向において接続される間隔と同じ割合で、他方の端部１５の幅方向に接続されることが好ましい。このように、入力チャネル及び出力チャネルを多モード干渉カプラ１３に接続することによって、入力したＱＰＳＫ信号光が多モード干渉カプラ１３内で多モード干渉し自己結像した信号光を、各出力チャネルから取り出すことができる。
光ハイブリッド回路１０は、入力チャネルの内の何れか１つから入力された光を、各出力チャネルから等分岐して出力する光学性能を有することが好ましい。また、光ハイブリッド回路１０は、出力チャネルから出力される各信号光の位相と、入力されたＱＰＳＫ信号光が有する位相との間の位相のズレが少ない光学性能を有することが好ましい。
具体的には、多モード干渉カプラ１３は、４つの入力チャネル１１の何れかのチャネルにＱＰＳＫ信号光が入力されて、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、３ｄＢ以内であることが好ましい。より好ましくは、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、２ｄＢ以内である。更に好ましくは、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、１ｄＢ以内である。
また、多モード干渉カプラ１３は、４つの出力チャネルから出力される信号光の位相のズレが、１０度以内であることが好ましい。具体的には、出力される信号光が同相成分であれば、その信号光の位相が、０又は１８０度に対して±１０度以内であることが好ましい。また、出力される信号光が直交成分であれば、その信号光の位相が、９０又は２７０度に対して±１０度以内であることが好ましい。
より好ましくは、４つの出力チャネルから出力される信号光の位相のズレが、±５度以内である。具体的には、出力される信号光が同相成分であれば、その信号光の位相が、０又は１８０度に対して±５度以内であることが好ましい。また、出力される信号光が直交成分であれば、その信号光の位相が、９０又は２７０度に対して±５度以内であることが好ましい。
光ハイブリッド回路１０は、良好な光学特性を維持しつつ、多モード干渉カプラ１３の素子長を短くすることができる。
光ハイブリッド回路１０は、図５に示すように、一方の端部の幅ＷＳが、他方の端部ＷＭよりも狭くなっている。従って、幅が一定である図２に示す矩形の光ハイブリッド回路と比べて平均の幅が小さくなるので、図２に示す矩形の多モード干渉カプラを有する光ハイブリッド回路よりも、多モード干渉カプラ１３の素子長を短縮することが可能である。
次に、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長ついて、以下に説明する。
まず、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの最適な素子長ＬＭＭＩと、多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩとの関係について説明する。次に、この矩形の多モード干渉カプラの素子長ＬＭＭＩを用いて、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長を表す。
図２に示す矩形の多モード干渉カプラの最適な素子長ＬＭＭＩは、多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩ、導波路の屈折率、励振モード数及び干渉メカニズム等に依存して決定される。この多モード干渉カプラの最適な素子長ＬＭＭＩと多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩとの関係は以下のように求められる。
まず、図２に示す矩形の多モード干渉カプラでは、多モード干渉カプラ内を伝搬する任意のモードにおける伝搬定数βν（ν：伝搬モードの次数）が、式（１）のように簡略化して表される。
Figure 0005482346
ここで、ｋ０は信号光の真空中の波数、Ｎｅｑは多モード干渉カプラ内の導波路の屈折率、λは信号光の波長である。この場合、多モード干渉カプラ内で励振される基本モードと任意の高次モードとの伝搬定数の差は式（２）のように表される。
Figure 0005482346
ここで、Ｌπは多モード干渉カプラのビート長である。図２に示す矩形の多モード干渉カプラの場合、このＬπは、式（２）を用いて、式（３）のように近似される。
Figure 0005482346
このようにして、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの最適な素子長LMMIと、多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩとの関係が、式（３ａ）のように求められる。
Figure 0005482346
次に、矩形の多モード干渉カプラの素子長ＬＭＭＩを用いて、図５に示す光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長ＬＭを求める。
まず、図５に示す多モード干渉カプラ１３では、その幅がｚ軸方向に一定ではないので、基本モードと任意の高次モード間の伝搬定数の差がｚ軸方向において変化する。そこで、基本モードと任意の高次モード間の伝搬定数の差を、ｚ軸方向に０からＬＭまでの領域について積分し、多モード干渉カプラ１３における位相の変化量Δρが式（４）のように表される。
Figure 0005482346
ここで、ＷＭ（ｚ）は多モード干渉カプラ１３の幅をｚの関数で表したものである。
関数ＷＭ（ｚ）は、ｚの関数として式（５）のように表される。
Figure 0005482346
式（５）を、式（４）に代入して積分を行うと、式（６）が得られる。
Figure 0005482346
ここで、式（７）で表されるχＳＴは多モード干渉カプラ１３の形状に依存する定数であり、多モード干渉カプラ１３の両端部の幅を表すＷＳ及びＷＭによって定められる。
そして、式（３）及び式（６）から、矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、図５に示す光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の最適なビート長ＬＳＴπとχＳＴとの関係が、式（８）のように求められる。
Figure 0005482346
このようにして、この矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＳＴπを表すことができ、所望のＬＭを求めることができる。
式（８）に示すように、矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπが一定の場合、多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＳＴπとχＳＴとは反比例の関係になる。従って、図５に示す多モード干渉カプラ１３の素子長ＬＭは、χＳＴが増加するのと共に、短縮することが分かる。即ち、光ハイブリッド回路１０では、多モード干渉カプラ１３の他方の端部の幅ＷＭを、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩと同じにした場合には、多モード干渉カプラ１３の素子長ＬＭは、図２に示す多モード干渉カプラの素子長ＬＭＭＩよりも、１／χＳＴの割合に短縮される。
上述したように、このχＳＴは、多モード干渉カプラ１３の幅を表すＷＳ及びＷＭを定めることによって決定される。
図７は、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の短縮率とＷＭ／ＷＳとの関係を示す図である。
図７に示すように、多モード干渉カプラ１３の短縮率１／χＳＴは、ＷＭ／ＷＳに対して反比例に変化する。ＷＭ／ＷＳ＝１の場合は、ＷＭ＝ＷＳであり、即ち、図２に示す矩形の多モード干渉カプラと同じになるので、１／χＳＴ＝１である。そして、ＷＭ／ＷＳが増加すると共に、短縮率１／χＳＴが減少していく。即ち、多モード干渉カプラ１３の素子長が減少する。
次に、光ハイブリッド回路１０の光学特性の計算例を、図面を参照して、以下に説明する。
図８（Ａ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．６５の時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図８（Ｂ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．６５の時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。即ち、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長は、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路と比べて、約６５％に短縮されている。
図８（Ａ）では、一方の入力チャネル１１ａから信号光を入力し、４つの出力チャネルそれぞれから出力される信号光の透過率Ｔｒが、入力される信号光の波長λ対して計算された結果が、実線で示されている。また、図８（Ａ）では、他方の入力チャネル１１ｂから信号光を入力し、４つの出力チャネルそれぞれから出力される信号光の透過率Ｔｒが、入力される信号光の波長λに対して計算された結果が、鎖線で示されている。即ち、図８（Ａ）では、４本の実線と４本の鎖線により、透過率Ｔｒが示されている。この透過率Ｔｒは、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光の光強度が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準としたｄＢを単位として示されている。
また、図８（Ｂ）では、一方の入力チャネル１１ａにＱＰＳＫ信号光が入力され、他方の入力チャネル１１ｂにＬＯ光が入力され、４つの出力チャネルから出力される各信号光の強度から算出された位相のズレΔψが、入力される信号光の波長λに対して計算された結果が示されている。具体的には、出力される信号光が同相成分であれば、その信号光の位相と、０度又は１８０度との間の差が、位相のズレΔψを意味する。また、出力される信号光が直交成分であれば、その信号光の位相と、９０度又は２７０度との間の差が、位相のズレΔψを意味する。また、図８（Ｂ）では、動作帯域が、位相のズレが±１０度の所に鎖線で示されている。
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示す結果は、ビーム伝搬法（Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ：ＢＰＭ）を用いて計算された。ＢＰＭの計算では、多モード干渉カプラの導波路領域の等価屈折率として３．２４を用い、導波路以外の領域の屈折率として１．０を用いた。また、光ハイブリッド回路１０を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、出力チャネル間の間隔ｇａｐが２．３μｍ、幅ＷＳが１１．２μｍ、幅ＷＭが１７．２μｍであった。
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、光ハイブリッド回路１０は、広い波長の範囲に亘って、良好な透過率及び少ない位相のズレを示す。即ち、入力された信号光が４つの出力チャネルそれぞれに等分岐し且つ位相のズレの少ない信号光が出力されている。即ち、光ハイブリッド回路１０は、Ｃバンド領域において良好な光学性能を有することが分かる。
次に、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長を更に短縮した場合の光学特性を、図面を参照して、以下に説明する。
図９（Ａ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．５３の時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図９（Ｂ）は、ＷＳ／ＷＭが約０．５３の時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。即ち、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長は、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路と比べて、５３％に短縮されている。
光ハイブリッド回路１０を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、出力チャネル間の間隔ｇａｐが２．３μｍ、幅ＷＳが９．２μｍ、幅ＷＭが１７．２μｍであった。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の計算は、幅ＷＳが９．２μｍである点を除いては、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）と同様に、ＢＰＭを用いて行われた。
図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、光ハイブリッド回路１０は、多モード干渉カプラ１３の素子長が、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路と比べて５３％に短縮されても、広い波長の範囲に亘って、良好な透過率及び少ない位相のズレを示す。
図１０（Ａ）は、図３に示す従来の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図１０（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）では、光ハイブリッド回路を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、入出力チャネル間の間隔が２．３μｍ、幅ＷＭＭＩが１７．２μｍ、幅ＷＭＢが１３．２μｍであった。素子長の短縮率は、約７５％であった。
図１０（Ａ）に示すように、図３に示す光ハイブリッド回路は、各出力チャネルからの透過率が一定でなく、入力した信号光が等分岐されていない。また、図１０（Ｂ）に示すように、位相のズレが±１０度以内に収まる範囲（１１ｎｍ）が大幅に狭くなることが分かる。即ち、図３に示す光ハイブリッド回路は、多モード干渉カプラの素子長を短縮すると、光学特性が大きく低下する。
図１１は、図３に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
図１１に示すように、図３に示す光ハイブリッド回路１１３では、入力チャネルから多モード干渉カプラ内に入射した信号光の波面が、同心円状に湾曲して多モード干渉カプラ内を伝搬する。そして、多モード干渉カプラ内を伝搬する波面は、多モード干渉カプラの両側部における不連続点の部分において、大きな位相のズレが生じる。そのため、図３に示す光ハイブリッド回路１１３では、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すような光学特性を示すことになる。
図１２は、図５に示す本実施形態の光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
図１２に示すように、図５に示す光ハイブリッド回路１０では、入力チャネルから多モード干渉カプラ内に入射した信号光の波面は、同心円状に湾曲して多モード干渉カプラ内を伝搬する。多モード干渉カプラ１３の一対の側部１３ｅは、幅方向の変化の向きが、減少することなく漸増する。幅がテーパ状に漸増する多モード干渉カプラ内を伝搬する波面は、位相のズレを生じることなく、出力チャネルから出射する。そのため、図５に示す光ハイブリッド回路１０は、図８（Ａ）から図９（Ｂ）に示すように、良好な光学特性を示し、例えば、Ｃバンド領域において良好な光学性能が得られる。
図１３（Ａ）は、図４に示す従来の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図１３（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）では、光ハイブリッド回路を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、入出力チャネル間の間隔が２．３μｍ、幅ＷＳが１７．２μｍ、幅ＷＭＰが１３．２μｍであった。素子長の短縮率は、約７０％であった。
図１３（Ａ）に示すように、図４に示す光ハイブリッド回路は、広い波長の範囲に亘って、良好な透過率を有するものの、図１３（Ｂ）に示すように、位相のズレが±１０度以内に収まる範囲（３２ｎｍ）が狭くなることが分かる。
図１４は、図４に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
図１１に示すように、図４に示す光ハイブリッド回路１１４では、入力チャネルから多モード干渉カプラ内に入射した信号光の波面は、同心円状に湾曲して多モード干渉カプラ内を伝搬する。そして、多モード干渉カプラ内を伝搬する波面は、位相のズレを生じることなく、出力チャネルから出射する。しかし、図４に示す光ハイブリッド回路１１４では、図１３（Ｂ）に示すように、位相のズレが大きいので、例えば、Ｃバンド領域において良好な光学性能を得ることができない。
次に、図５に示す光ハイブリッド回路１０について、出力チャネル間の間隔ｇａｐを短くした場合の光学特性について、図面を参照して、以下に説明する。
図１５（Ａ）は、図５に示す光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝１．０μｍの時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図１５（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
光ハイブリッド回路１０を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、出力チャネル間の間隔ｇａｐが１．０μｍ、幅ＷＳが８．０μｍ、幅ＷＭが１２．０μｍであった。出力チャネル間の間隔ｇａｐが１．０μｍであり、間隔ｇａｐが、図８（Ａ）から図９（Ａ）の場合のｇａｐ（２．３μｍ）の半分以下となっている。図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）の計算は、各要素の寸法が異なる点を除いては、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）と同様に、ＢＰＭを用いて行われた。また、ＷＳ／ＷＭは約０．６６であり、素子長の短縮率は約６６％であった。具体的には、多モード干渉カプラ１３の素子長は１９８μｍであった。
図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示すように、光ハイブリッド回路１０は、広い波長の範囲に亘って、良好な透過率及び少ない位相のズレを示す。即ち、光ハイブリッド回路１０は、出力チャネル間の間隔ｇａｐが１．０μｍと短く、多モード干渉カプラ１３の素子長が、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路と比べて約６６％に短縮されても、良好な光学特性を示す。
次に、出力チャネル間の間隔ｇａｐが１．０μｍである光ハイブリッド回路１０の光学特性を、同様に、出力チャネル間の間隔が短くされた図２に示す従来の矩形の光ハイブリッド回路の光学特性と比べて、以下に説明する。
図１６（Ａ）は、図５に示す光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝１．０μｍの時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図１６（Ｂ）は、図２の光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝０．６μｍの時の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。
図１７（Ａ）は、図５に示す光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝１．０μｍの時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図であり、図１７（Ｂ）は、図２の光ハイブリッド回路の出力チャネル間の間隔ｇａｐ＝０．６μｍの時の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
図１６（Ａ）及び図１７（Ａ）の計算結果は、横軸の範囲が異なる点を除いては、上述した図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）と同様に行われた。
図１６（Ｂ）及び図１７（Ｂ）の計算は、図２に示す光ハイブリッド回路に対してＢＰＭを用いて行われた。光ハイブリッド回路を形成する各要素の寸法は、入力チャネル及び出力チャネルの幅が２．０μｍ、入出力チャネル間の間隔が０．６μｍ、幅ＷＭＭＩが１０．４μｍであった。多モード干渉カプラの素子長は２２３μｍであった。
図１６（Ｂ）に示すように、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路は、図５に示す本実施形態の光ハイブリッド回路１０と同様に、広い波長の範囲に亘って、良好な透過率を有する。
しかし、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路は、図１７（Ｂ）に示すように、位相のズレが±１０度以内に収まる波長の範囲が狭くなることが分かる。
一方、図５に示す光ハイブリッド回路１０は、出力チャネル間の間隔ｇａｐが短くなった場合でも、良好な光学特性を有しつつ、多モード干渉カプラ１３の素子長を短縮することができる。
図１８は、図５のＸ−Ｘ線拡大断面図である。
光ハイブリッド回路１０は、基板４０上に下クラッド層４１が積層され、この下クラッド層４１上にコア層４２が積層され、このコア層４２上に上クラッド層４３が形成されている。下クラッド層４１及びコア層４２及び上クラッド層４３によって、メサ部４４が形成される。なお、光ハイブリッド回路１０では、下クラッド層４１と基板４０とが一体に形成される。
図１８に示す断面図は、多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂの断面図であるが、入力チャネル１１及び出力チャネル１２も同様の断面構造を有する。即ち、下クラッド層４１及びコア層４２及び上クラッド層４３の厚さは、多モード干渉カプラ１３を含む光ハイブリッド回路１０の全体に亘って一定である。
図１８に示す光ハイブリッド回路１０は、例えば、以下のように形成される。
まず、基板４０上に、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）によってコア層４１が積層される。基板４０としては、ｎ型ＩｎＰ基板又はアンドープのＩｎＰ基板を用いることができる。コア層４２の形成材料としては、アンドープのＧａＩｎＡｓＰ（発光波長１．３０μｍ）を用いることができる。コア層４２の厚さは、例えば０．３μｍとすることができる。
次に、コア層４２上に、上クラッド層４３がエピタキシャルに積層される。上クラッド層４３の形成材料としては、アンドープ又はｐ型ＩｎＰを用いることができる。上クラッド層４３の厚さは、例えば２．０μｍとすることができる。
次に、上クラッド層４３上に、ＳｉＯ２膜等によるマスク層が形成される。
次に、光露光プロセスを用いて、マスク層における光ハイブリッド回路の形成領域がパターニングされる。
次に、マスク層をマスクとして、上クラッド層４３及びコア層４２及び基板４０がエッチングされて、メサ部４４が形成される。基板４０は、図１６に示すように、基板４０の表面から途中の深さまでエッチングされて、凸状の下クラッド層４１が形成される。エッチング方法としては、例えば、ＩＣＰ反応性イオンエッチング等のドライエッチングを用いることができる。また、メサ部４４の高さとしては、例えば３．０μｍとすることができる。
そして、上クラッド層４３上のマスク層が除去されて、光ハイブリッド回路１０が形成される。
なお、上述した光ハイブリッド回路１０の形成方法では、形成材料として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＩｎＰを用いる例を示したが、形成材料は、これらの材料系に限らず、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＧａＡｓ、又はＩＶ族半導体のＳｉ等を用いて、光ハイブリッド回路を形成しても良い。
上述した本実施形態の光ハイブリッド回路１０によれば、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れる。
また、本実施形態の光ハイブリッド回路１０は、モノリシック集積化に適している。上述したように、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長は、良好な光学特性を維持しつつ、少なくとも約５０％の短縮化が可能である。
また、光ハイブリッド回路１０は、入力チャネル及び出力チャネル同士の間隔を短縮することなく、多モード干渉カプラの素子長を短縮することができる。従って、従来の加工精度を有する製造工程を用いて、光ハイブリッド回路１０を形成することが可能である。
次に、本明細書に開示する第２及び第３実施形態の光導波路素子としての光ハイブリッド回路を、図面を参照しながら以下に説明する。第２及び第３実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図１９及び図２０において、図５と同じ構成要素に同じ符号を付してある。
図１９は、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第２実施形態を示す図である。
本実施形態の光ハイブリッド回路１００は、一対の側部１３ｅそれぞれの形状が、内側に凸の放物線である。光ハイブリッド回路１００のその他の構造は、上述した第１実施形態と同様である。
次に、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの素子長ＬＭＭＩを用いて、図１９に示す光ハイブリッド回路１００の多モード干渉カプラ１３の素子長を以下に求める。
上記式（４）における関数ＷＭ（ｚ）は、ｚの関数として式（９）のように表される。
Figure 0005482346
式（９）を、式（４）に代入して積分を行うと、式（１０）が得られる。
Figure 0005482346
ここで、式（１０）で表されるχＳＱは多モード干渉カプラ１３の形状に依存する定数であり、多モード干渉カプラ１３の両端部の幅を表すＷＳ及びＷＭによって定められる。
そして、式（３）及び式（１０）から、矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、図１９に示す光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の最適なビート長ＬＳＱπとχＳＱとの関係が、式（１２）のように求められる。
Figure 0005482346
このようにして、この矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、光ハイブリッド回路１００の多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＳＱπを表すことができる。
式（１２）に示すように、矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπが一定の場合、多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＳＱπとχＳＱとは反比例の関係になる。
図２０は、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第３実施形態を示す図である。
本実施形態の光ハイブリッド回路２００は、一対の側部１３ｅそれぞれの形状が、内側に凸の指数関数曲線である。光ハイブリッド回路２００のその他の構造は、上述した第１実施形態と同様である。ここで、指数関数の底としては、任意の正の実数を底として用いることができるが、ここでは、底としてネイピア数を用いる。
次に、図２に示す矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、図２０に示す光ハイブリッド回路２００の多モード干渉カプラ１３のビート長を以下に求める。
上記式（４）における関数ＷＭ（ｚ）は、ｚの関数として式（１３）のように表される。
Figure 0005482346
式（１３）を、式（４）に代入して積分を行うと、式（１４）が得られる。
Figure 0005482346
ここで、式（１５）で表されるχＥＸＰは多モード干渉カプラ１３の形状に依存する定数であり、多モード干渉カプラ１３の両端部の幅を表すＷＳ及びＷＭによって定められる。
そして、式（３）及び式（１４）から、矩形の多モード干渉カプラのビートＬπを用いて、図２０に示す光ハイブリッド回路２００の多モード干渉カプラ１３の最適なビート長ＬＥＸＰπとχＥＸＰとの関係が、式（１６）のように求められる。
Figure 0005482346
このようにして、この矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、光ハイブリッド回路２００の多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＥＸＰπを表すことができる。
式（１６）に示すように、矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπが一定の場合、多モード干渉カプラ１３のビート子長ＬＥＸＰπとχＥＸＰとは反比例の関係になる。
次に、上述した第１〜第３実施形態の光ハイブリッド回路の素子長の短縮率を比較して、以下に説明する。
図２１は、第１実施形態及び第２実施形態及び第３実施形態の光ハイブリッド回路の短縮率ＲｅとＷＭ／ＷＳとの関係を示す図である。
図２１では、第１実施形態の短縮率ＲｅがカーブＣ１で示され、このカーブ１は、式（７）を用いて表される。また、第２実施形態の短縮率がカーブＣ２で示され、このカーブＣ２は、式（１１）を用いて表される。第３実施形態の短縮率がカーブＣ３で示され、このカーブＣ３は、式（１５）を用いて表される。
図２１に示すように、何れの実施形態も、ＷＭ／ＷＳの増加と共に、短縮率Ｒｅが低減する。ＷＭ／ＷＳの値が同じ場合には、短縮率１／χは、Ｃ１、Ｃ３、Ｃ２の順番に小さい。
次に、本明細書に開示する上述した光ハイブリッド回路を備えた光受信機について、図面を参照して、以下に説明する。
図２２は、本明細書に開示するコヒーレント光受信機の一実施形態を示す図である。
コヒーレント光受信機３０は、上述した第１実施形態の光ハイブリッド回路１０を備えている。
また、コヒーレント光受信機３０は、ＬＯ光を発生して光ハイブリッド回路１０へ出力する局部発振光発生部としてのＬＯ光源３１と、光ハイブリッド回路１０の各出力光信号を電気信号に変える光電変換部３２ａ、３２ｂと、を備える。光電変換部３２ａ、３２ｂとして、具体的には、差動型フォトダイオード（Ｂａｌａｎｃｅｄ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＢＰＤ）を用いている。ＢＰＤ３２ａの２つのフォトダイオードそれぞれには、同相成分の出力信号が入力され、ＢＰＤ３２ｂの２つのフォトダイオードそれぞれには、直交成分の出力信号が入力される。
また、コヒーレント光受信機３０は、光電変換部３２ａ、３２ｂが出力するアナログの各電気信号を入力し、デジタル電気信号を出力するＡＤ変換部３３ａ、３３ｂと、デジタル電気信号を入力して位相を推定する位相推定部としてのデジタル演算回路３４とを、備える。
光ハイブリッド回路１０としてモノシリック集積回路を用いることが、コヒーレント光受信機３０を小型化する上で好ましい。
次に、コヒーレント光受信機３０の動作を以下に説明する。
まず、ＱＰＳＫ信号光と、このＱＰＳＫ信号光と同期したＬＯ光が、光ハイブリッド回路１０の入力チャネル１１に入力される。
光ハイブリッド回路１０内では、ＬＯ光とＱＰＳＫ信号光との相対位相差Δφに応じて、これらの信号光が多モード干渉して自己結像し、４つの出力チャネル１２それぞれから信号光が出力される。
例えば、（ａ）Δφ＝０、（ｂ）Δφ＝π、（ｃ）Δφ＝-π／２、（ｄ）Δφ＝π／２の場合には、４つの出力光それぞれの相対位相差Δφにおける透過率の比は、（ａ）１：０：２：１、（ｂ）１：２：０：１、（ｃ）０：１：１：２、（ｄ）２：１：１：０となる。
そして、各出力チャネルからの信号光がＢＰＤ３２ａ、３２ｂへ入力される。
ＢＰＤ３２ａ、３２ｂでは、上部のフォトダイオードへの入力に対して＋１に相当する電流が出力され、下部のフォトダイオードへの入力に対して-１に相当する電流が出力され、上部及び下部の両方への同時入力に対しては、電流が出力されない。このように、ＢＰＤ３２ａ、３２ｂは、出力信号光を電気信号へ変換して、ＡＤ変換部３３ａ、３３ｂへ出力する。
ＢＰＤ３２ａ、３２ｂが出力するアナログの電気信号を入力したＡＤ変換部３３ａ、３３ｂは、アナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換して、デジタル演算回路３４へ出力する。
デジタル演算回路３４は、デジタル電気信号を入力して位相を推定し、推定した位相を出力する。このようにして、コヒーレント受信機３０は、入力したＱＰＳＫ信号光を復調する。
上述した本実施形態のコヒーレント受信機３０によれば、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れる。
図２３は、本明細書に開示する光受信機の他の実施形態を示す図である。
本実施形態のコヒーレント光受信機３０ａは、ＤＱＰＳＫ信号光を入力する。
コヒーレント光受信機３０ａは、ＤＱＰＳＫ信号光を入力し、２つに分岐して出力する１：２ＭＭＩカプラ３５を備える。この１：２ＭＭＩカプラ３５が出力した２つの信号光は、２つの導波路３６ａ、３６ｂを伝搬して光ハイブリッド回路１０に入力する。ここで、導波路３６ａの光路長は、導波路３６ｂの光路長よりも、ＤＱＰＳＫ信号光の１ビット分の光路長だけ長くなっている。
光ハイブリッド回路１０に入力した２つのＤＱＰＳＫ信号光は、互いに１ビット分だけ位相が異なっているので、光ハイブリッド回路１０内で多モード干渉して自己結像し、４つの出力チャネル１２それぞれから信号光が出力される。コヒーレント光受信機３０ａのその他の動作は、上述した実施形態と同様である。
本発明では、上述した各実施形態の光ハイブリッド回路及びこのような光ハイブリッド回路を備えた光受信機は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また上述した一の実施形態または変形例における要件は、適宜、実施形態および変形例間で相互に置換可能である。例えば、直接検波を考えたとき、ＢＰＳＫ信号光を入力する場合には、出力チャネルの数は２つにする。また、８ＰＳＫ信号光を入力する場合には、出力チャネルの数は８つにする。
また、上述した光ハイブリッド回路が有する多モード干渉カプラ１３は、図２４に示すように、一方の端部１４が幅ＷＳを保持したまま外方に向かって延出しており、他方の端部１５が幅ＷＭを保持したまま外方に向かって延出していても良い。
以下、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の作用効果について、実施例を用いて更に説明する。ただし、本発明はかかる実施例に制限されるものではない。
[実施例１]
実施例１として、図１８に示す構造の光ハイブリッド回路を形成した。コア層の形成材料は、アンドープのＧａＩｎＡｓＰ（屈折率３．３８８）を用いた。上クラッド層及び下クラッド層の形成材料は、ｐ型ＩｎＰ（屈折率３．１６９）を用いた。光ハイブリッド回路を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、出力チャネル間の間隔ｇａｐが２．３μｍ、幅ＷＳが９．２μｍ、幅ＷＭが１７．２μｍであった。即ち、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示す計算例と同じ寸法とした。
入力光として連続光を入力チャネルの一つに入力した。
図２５（Ａ）は、光ハイブリッド回路の実施例１の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）の部分拡大図であり、図２５（Ｃ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
実施例１の光ハイブリッド回路は、図２５（Ａ）及び図２５（Ｂ）に示すように、良好な信号光の等分岐性を示しており、図９（Ａ）の計算結果とも定性的に良く一致する光学特性を示した。また、実施例１の光ハイブリッド回路は、図２５（Ｂ）に示すように、各出力チャネルから出力される信号光は、それぞれの位相関係がお互いにπ／２［ｒａｄ］ずれており、正弦波的に変化している。
また、実施例１の光ハイブリッド回路は、図２５（Ｃ）に示すように、広い波長の範囲に亘って、少ない位相のズレを示しており、図９（Ｂ）の計算結果とも定性的に良く一致する光学特性を示した。なお、図２５（Ｃ）では、出力チャネルＣｈ−１〜Ｃｈ−３の位相のズレは、Ｃｈ−４の位相を基準に示されている。
このように、実施例１の光ハイブリッド回路は、Ｃバンド領域において良好な光学特性を示した。
[実施例２]
光ハイブリッド回路を形成する各要素の寸法を、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、出力チャネル間の間隔ｇａｐが１．０μｍ、幅ＷＳが８．０μｍ、幅ＷＭが１２．０μｍとしたことを除いては、実施例１と同様にして実施例２を得た。実施例２の光ハイブリッド回路は、即ち、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示す計算例と同じ寸法とした。
入力光として連続光を入力チャネルの一つに入力した。
図２６（Ａ）は、光ハイブリッド回路の実施例１の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）の部分拡大図であり、図２６（Ｃ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
実施例２の光ハイブリッド回路は、図２６（Ａ）及び図２６（Ｂ）に示すように、良好な信号光の等分岐性を示しており、図１５（Ａ）の計算結果とも定性的に良く一致する光学特性を示した。実施例２の光ハイブリッド回路は、図２６（Ｂ）に示すように、各出力チャネルから出力される信号光は、それぞれの位相関係がお互いにπ／２［ｒａｄ］ずれており、正弦波的に変化している。
このように、実施例１の光ハイブリッド回路は、Ｃバンド領域において良好な光学特性を示した。
また、実施例２の光ハイブリッド回路は、図２６（Ｃ）に示すように、広い波長の範囲に亘って、少ない位相のズレを示しており、図１５（Ｂ）の計算結果とも定性的に良く一致する光学特性を示した。なお、図２６（Ｃ）では、出力チャネルＣｈ−１〜Ｃｈ−３の位相のズレは、Ｃｈ−４の位相を基準に示されている。
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
２つの入力チャネルと、
複数の出力チャネルと、
一方の端部に前記２つの入力チャネルが接続され、他方の端部に前記複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
を備え、
前記多モード干渉カプラは、対向する一対の側部を有し、
前記対向する一対の側部によって規定される前記多モード干渉カプラの幅は、前記一方の端部から前記他方の端部に向かって漸増し、
前記２つの入力チャネルは、前記一方の端部において、幅方向の中心軸に対して非対称に接続される、光導波路素子。
（付記２）
前記一対の側部それぞれの形状は直線である付記１に記載の光導波路素子。
（付記３）
前記一対の側部それぞれの形状が放物線である付記１に記載の光導波路素子。
（付記４）
前記一対の側部それぞれの形状が指数関数曲線である付記１に記載の光導波路素子。
（付記５）
前記多モード干渉カプラは、基板上に、下クラッド層が積層され、前記下クラッド層上にコア層が積層され、前記コア層上に上クラッド層が積層されて形成されており、
前記コア層の厚さが一定である付記１〜４の何れか一項に記載の光導波路素子。
（付記６）
前記一方の端部が幅方向に４等分に区分され、前記２つの入力チャネルは、前記多モード干渉カプラの幅方向の中心軸に対して非対称に位置する前記区分の内の２つに接続される付記１〜５の何れか一項に記載の光導波路素子。
（付記７）
前記複数の入力チャネルの何れかのチャネルに多値位相偏移変調信号光が入力されて、前記複数の出力チャネルから出力される各信号光間の光強度の差が、前記多位相偏移変調信号光の光強度を基準として６ｄＢ以内である付記１〜５の何れか一項に記載の光導波路素子。
（付記８）
前記出力チャネルを４つ備える付記１〜７の何れか一項に記載の光導波路素子。
（付記９）
前記光導波路素子がモノシリック集積回路である付記１〜８の何れか一項に記載の光導波路素子。
（付記１０）
２つの入力チャネルと、
複数の出力チャネルと、
一方の端部に前記２つの入力チャネルが接続され、他方の端部に前記複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
を備え、
前記多モード干渉カプラは、対向する一対の側部を有し、
前記対向する一対の側部によって規定される前記多モード干渉カプラの幅は、前記一方の端部から前記他方の端部に向かって漸増し、
前記２つの入力チャネルは、前記一方の端部において、幅方向の中心軸に対して非対称に接続される、光導波路素子を備えた光受信機。
（付記１１）
前記光導波路素子がモノシリック集積回路である付記１０に記載の光受信機。
（付記１２）
前記光導波路素子の各出力光信号を電気信号に変える光電変換部と、前記光電変換部が出力する各電気信号を入力して、位相を推定する位相推定部とを、備える付記１０又は１１に記載の光受信機。
（付記１３）
一方の端部から他方の端部に向かって光を伝搬する多モード干渉カプラであって、
前記一方の端部と前記他方の端部との間の幅が、対向する一対の側部によって規定され、前記幅が、前記一方の端部から前記他方の端部に向かって漸増する多モード干渉カプラ。
（付記１４）
前記一方の端部が幅を保持したまま外方に向かって延出し、前記他方の端部が幅を保持したまま外方に向かって延出する付記１３に記載の多モード干渉カプラ。
１０ 光ハイブリッド回路（光導波路素子）
１１ 入力チャネル
１２ 出力チャネル
１３ 多モード干渉カプラ
１３ｅ 一対の側部
１４ 一方の端部
１５ 他方の端部
３０ 光受信機
３１ 局部発振光発生部
３２ａ、３２ｂ 差動型フォトダイオード（光電変換部）
３３ａ、３３ｂ ＡＤ変換部
３４ デジタル演算回路（位相推定部）
３５ 遅延部
４０ 基板
４１ 下クラッド層
４２ コア層
４３ 上クラッド層
４４ メサ部
ＷＳ 多モード干渉カプラの一方の端部の幅
ＷＭ 多モード干渉カプラの他方の端部の幅
ＬＭ 多モード干渉カプラの長さ
ＣＬ 幅方向の中心軸

Claims (7)

  1. コヒーレント光受信機の光ハイブリッド回路として使用される光導波路素子であって、
    ２つの入力チャネルと、
    ４つの出力チャネルと、
    一方の端部に前記２つの入力チャネルが接続され、他方の端部に前記４つの出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
    を備え、
    前記多モード干渉カプラは、対向する一対の側部を有し、
    前記対向する一対の側部によって規定される前記多モード干渉カプラの幅は、前記一方の端部から前記他方の端部に向かって漸増し、
    前記２つの入力チャネルは、前記一方の端部において、幅方向の中心軸に対して非対称に接続され、
    前記４つの出力チャネルは、前記２つの入力チャネル及び前記２つの入力チャネルに対して前記幅方向の中心軸に対称な位置に仮想的に配置された仮想の２つの入力チャネルが、前記一方の端部の幅方向において接続される間隔と同じ割合で、前記他方の端部の幅方向に接続され、
    前記２つの入力チャネルの何れかのチャネルに対して、１．５３μｍ〜１．５７μｍの範囲の波長を有するＱＰＳＫ信号光が入力された場合、前記４つの出力チャネルから出力される各信号光は、出力される信号光が同相成分であれば、出力される信号光の位相と、０度又は１８０度との間の差が±１０度以内であり、出力される信号光が直交成分であれば、出力される信号光の位相と、９０度又は２７０度との間の差が±１０度以内である光導波路素子。
  2. 前記一対の側部それぞれの形状は直線である請求項１に記載の光導波路素子。
  3. 前記一対の側部それぞれの形状が放物線である請求項１に記載の光導波路素子。
  4. 前記一対の側部それぞれの形状が指数関数曲線である請求項１に記載の光導波路素子。
  5. 前記２つの入力チャネルの何れかのチャネルにＱＰＳＫ信号光が入力されて、前記４つの出力チャネルから出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、３ｄＢ以内である請求項１〜４の何れか一項に記載の光導波路素子。
  6. 前記多モード干渉カプラは、前記一方の端部が幅を保持したまま外方に向かって延出し、前記他方の端部が幅を保持したまま外方に向かって延出する請求項１〜５の何れか一項に記載の光導波路素子。
  7. 光ハイブリッド回路として使用される光導波路素子であって、
    ２つの入力チャネルと、
    ４つの出力チャネルと、
    一方の端部に前記２つの入力チャネルが接続され、他方の端部に前記４つの出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
    を備え、
    前記多モード干渉カプラは、対向する一対の側部を有し、
    前記対向する一対の側部によって規定される前記多モード干渉カプラの幅は、前記一方の端部から前記他方の端部に向かって漸増し、
    前記２つの入力チャネルは、前記一方の端部において、幅方向の中心軸に対して非対称に接続され、
    前記４つの出力チャネルは、前記２つの入力チャネル及び前記２つの入力チャネルに対して前記幅方向の中心軸に対称な位置に仮想的に配置された仮想の２つの入力チャネルが、前記一方の端部の幅方向において接続される間隔と同じ割合で、前記他方の端部の幅方向に接続され、
    前記２つの入力チャネルの何れかのチャネルに対して、１．５３μｍ〜１．５７μｍの範囲の波長を有するＱＰＳＫ信号光が入力された場合、前記４つの出力チャネルから出力される各信号光は、出力される信号光が同相成分であれば、出力される信号光の位相と、０度又は１８０度との間の差が±１０度以内であり、出力される信号光が直交成分であれば、出力される信号光の位相と、９０度又は２７０度との間の差が±１０度以内である光導波路素子、を備えたコヒーレント光受信機。
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