JP5652030B2 - 光導波路デバイス、光受信機及び光受信方法 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路デバイス、これを用いた光受信機及び光受信方法に関する。

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、100Gbit/sに及ぶ高ビットレートを有する光伝送システムが研究開発されている。100Gbit/s伝送の実現に向けては多値位相変復調方式が積極的に検討されており、デバイスの動作速度制限の影響を受けない実現手段、例えば、四位相偏移変調（QPSK/DQPSK）や八位相偏移変調（8PSK/8DPSK）などが提案されている（たとえば、特許文献１及び２参照）。しかし、現在検討されている２ⁿ（ｎ：ビット数）の増倍則に基づく多値位相変復調方式の場合、40Gbit/sの信号速度に対して、100Gbit/sのビットレートが２ⁿ倍の速度関係から外れるため、100Gbit/s伝送信号のシンボルレートが特殊な値（例えば、ＱＰＳＫ系では50Gsymbol/s、８ＰＳＫ系では33.3Gsymbol/s）をとる必要がある。その結果、40Gbit/s光通信で開発されたデバイスがそのまま適用できないという問題が生じる。

この問題を克服するために、六位相偏移変調（6PSK/6DPSK）変復調方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この方式では、符号割り当てを2.5bit/Symbol（=5bit / 2Symbol）とすることにより、100Gbit/sを40GSymbol/sと設定することができ、40Gbit/s伝送用で開発された光機能デバイスの適用が可能になる。

通常、6PSK/6DPSK変調された信号を復調するためには、位相状態に応じて光信号を振り分ける機能を有する６０度ハイブリッドが必要となる。６０度ハイブリッドは、6PSK/6DPSK信号の位相変調状態によりそれぞれ異なる分岐比を有する出力形態を示すものであり、直接検波による光受信において重要な構成要素となる。６０度ハイブリッドにより振り分けられた6PSK/6DPSK変調信号は、バンラスドフォトダイオード（ＢＰＤ）で光検出することにより、復調可能となる。一般に、６０度ハイブリッドに求められる条件として、低損失、動作波長の広帯域性（低波長依存性）、低位相ズレ特性、モノリシック集積性などが挙げられる。

図１は、6PSK/6DPSK変調信号を直接検波する公知の構成を示す。図１の例では、6PSK/6DPSK信号を光分岐回路１０１で３等分岐し、ぞれぞれの遅延干渉計１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃで、０、−π／３および−２π／３の位相ズレを発生させ、対応する光電変換素子（バランスドフォトダイオード）１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃで検波する。

図１の光ハイブリッド素子は、モノリシック集積化に適しているが、３つの遅延干渉計を必要とするため、各遅延干渉計での位相制御が容易ではないこと、また、素子サイズが相対的に大きくなるという欠点がある。

特開２００８−１７７７５９ 特開２００６−２９５３２４

Optical Fiber Communication Conference 2008、OMI6

図１の構成の欠点を克服するため、図２に示す６入力６出力の多モード干渉型（ＭＭＩ：Multimode Interference）カプラ２０を用いた６０度ハイブリッドが考えられる。この構成では、１つの遅延干渉計のみで検波が可能になる。しかし、６０度ハイブリッド領域から光検出部ＢＰＤへ接続するために、光導波路１１１の交差を避けることができず、受信効率の低下が危惧される。また、図１の構成に比べて、動作波長帯域が狭くなることも懸念される。

そこで、本発明は、モノリシック集積化に適した構成で、挿入損失が少なく、位相制御が容易な光導波路デバイスと、これを用いた光受信機及び光受信方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、第１の側面では、光導波路デバイスは、
入力光信号を、同相関係にある第１の光信号対、同相関係にある第２の光信号対、及び同相関係にある第３の光信号対に変換して、３対の光信号を出力する多モード干渉カプラと、
前記多モード干渉カプラから出力される前記３対の光信号のうちのいずれか２対に接続されて、前記２対の光信号の一方を、前記３対の光信号のうちの残り１対の光信号の位相関係に対して−６０°位相回転させ、前記２対の光信号の他方を、前記残り１対の光信号の位相関係に対して６０°位相回転させる第１の光カプラ及び第２の光カプラと、
前記多モード干渉カプラと、前記第１の光カプラ及び前記第２の光カプラの少なくとも一方との間に挿入されて、前記２対の光信号の少なくとも一方の相対位相差を調整する位相シフタと、
を備える。

第２の側面では、上述した光導波路デバイスと、前記光導波路デバイスの互いに６０度ずつ位相回転された３対の光出力の各々に接続される光電変換部と、を備える光受信機を提供する。

第３の側面では、光受信方法は、
入力される６位相偏移変調信号又は差分６位相偏移変調信号を、同相関係にある第１の光信号対、同相関係にある第２の光信号対、及び同相関係にある第３の光信号対に変換して３対の出力光信号を取得し、
前記３対の出力光信号のうちのいずれか２対の出力光信号の一方を、前記３対の光信号のうちの残り１対の光信号の位相関係に対して−６０°位相回転させ、前記２対の光信号の他方を、前記残り１対の光信号の位相関係に対して６０°位相回転させ、
互いに６０度ずつ位相回転された３対の光信号を対応する３対の光電変換素子にて受光する。

上記構成及び方法により、位相制御が容易で、挿入損失が小さく、モノリシック集積化に適した６０度ハイブリッドのための光導波路素子と、光受信機及び光受信方法を実現することができる。

公知の６０度ハイブリッド構成を示す模式図である。 本発明に至る過程で提案される６０度ハイブリッド構成の模式図である。 本発明の基本原理を説明するための図である。 図３（Ｂ）の構成において位相調整を与えない場合の二入力信号同士の相対位相差（Δφ）に対する透過特性を示すグラフである。 本発明の実施例１の光導波路デバイスの構成を示す模式図である。 図５の光導波路素子で用いるハイメサ導波路構造を示す断面図である。 本発明の実施例２の光導波路デバイスの構成を示す模式図である。 実施例２における相対位相差に対する透過特性を、図２の６：６ＭＭＩカプラを用いたときの構成と比較して示すグラフである。 実施例２の光導波路デバイスから出力された光信号対のＢＰＤへの入射路を示す模式図である。 実施例２の光導波路デバイスにおいて、光信号がCh-Aから入射した場合と、Ch-Bから入射した場合の透過波長スペクトルを示すグラフである。 多モード干渉カプラとして図２の６：６ＭＭＩカプラを用いたときの、光信号がCh-Aから入射した場合と、Ch-Cから入射した場合の透過波長スペクトルを示すグラフである。 実施例２の光導波路デバイスの出力光の相対位相ズレの波長依存性を、図２の６：６ＭＭＩカプラを用いたときの出力光における相対位相ズレ（Δφ）の波長依存性と比較して示すグラフである。 実施例２の変形例１を示す図である。 実施例２の変形例２を示す図である。 実施例２の光導波路デバイスを光受信機に適用した例を示す概略図である。 実施例２の光導波路デバイスを６-ＤＰＳＫ信号に適用した例と、それを光受信機に適用したときの構成例とを示す概略図である。

図３は、実施例の基本的な原理を説明するための図である。六位相偏移変調信号を復調するためには、６０度ハイブリッドが必要である。６０度ハイブリッドを実現するために実施例では多モード干渉型カプラを用いる。多モード干渉型カプラの一例として、図３（Ａ）に示すように、対モード干渉（ＰＩ：Paired Interference）に基づく２：６ＭＭＩカプラ１０を用い、６ＰＳＫ信号を入力して、３つの同相光信号出力対１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを得る。さらに、図３（Ｂ）に示すように、３対の出力光信号のうち、２対の出力光信号（たとえば１２Ｂと１２Ｃ）を所定の分岐比を有する２：２光カプラへ接続して、他の１対の同相光信号１２Ａの位相関係からそれぞれ６０°及び−６０°位相回転させた出力１２Ｂ'及び１２Ｃ'を得る。

ここで、２：６というときは、２つの入力に対して６つの出力を有する２入力６出力の回路を意味し、２：２というときは、２つの入力に対して２つの出力を有する２入力２出力の回路を意味する。所定の分岐比の２：２光カプラとして、図３（Ｂ）の例では、分岐比が７５：２５の方向性結合器１３ａ、１３ｂを用いている。あるいは、後述するように７２：２８の分岐比を有する２：２ＭＭＩカプラを用いてもよい。

さらに、２：６ＭＭＩカプラ１０の６つの出力ポートでの絶対位相はそれぞれ異なるため、出力対１２Ｂ、１２Ｃにおける光信号間の相対位相差を、後段の２：２光カプラ１３ａ、１３ｂの相対位相差と整合させるために、２：６ＭＭＩカプラ１０と２：２光カプラ１３ａ、１３ｂの少なくとも一方との間に位相調整領域を設ける。

図３のように、対モード干渉に基づく２：６ＭＭＩカプラ１０を用いるメリットとして、回路サイズの縮小効果がある。以下で、回路サイズの縮小効果について説明する。

通常、ＭＭＩのモード間干渉作用は、ＭＭＩの屈折率、励振モード数、干渉メカニズムなどに依存し、これらの要因により、ＭＭＩの出力信号における振幅関係及び位相関係が変化する。図２に示す６：６ＭＭＩカプラ２０の場合、２つの入力チャネルを適切に選ぶことで（例えば、入力ポートが中心線Ａに対して非対称となるように選択することで）６０度ハイブリッドとして機能させることができる。

図２の６：６ＭＭＩカプラ２０は、一般モード干渉（ＧＩ：General Interference）に基づくものである。つまり、６つの入力チャネルの中心がＭＭＩ領域の中心対称性を崩さない範囲にあることを前提として、ＭＭＩ幅Ｗ_Mの１／３、１／２、及び２／３の位置を除いた領域に６つのチャネルを配置し、ＭＭＩ幅に応じて全てのモードが励振する。この場合、Ｐ分岐特性（Ｐは１以上の整数）を得るための最短伝搬長（ｚ^GI）は、式（１）で表わされる。

ｚ^GI ＝３Ｌ_π／Ｐ （１）

ここで、Ｌ_π はビート長であり、０次モード及び１次モードにおける伝搬定数の差がπとなる長さを表す。従って、図２に示す６：６ＭＭＩカプラ２０の場合、６等分岐するための最短伝播長ｚ^GI はＬ_π／２となる。

一方、図３の２：６ＭＭＩカプラ１０は、対モード干渉（ＰＩ：Paired Interference）に基づくものである。つまり、２つの入力チャネルの中心はＭＭＩ幅の１／３及び２／３に位置し、６つの出力チャネルの位置も入力チャネル位置に関連付けられている。この場合、ＭＭＩ領域において、（３ｓ−１）次の高次モード（ｓは1以上の整数）は励振されない特徴を有する。対モード干渉（ＰＩ）に基づくＭＭＩにおいて、Ｐ等分岐特性を得るための最短伝搬長ｚ^PI は、式（２）で表わされ、ｚ^PI はｚ^GIより３倍小さい値をとる。
ｚ^PI ＝Ｌ_π／Ｐ=ｚ^GI／３ （２）

式（１）及び（２）により、ＭＭＩ幅（Ｗ_M）が等しい場合、２：６ＭＭＩカプラ１０は、６：６ＭＭＩカプラ２０より常に３倍短いＭＭＩ長（Ｌ_M）となる。しかし、図２及び図３に示すように、干渉メカニズムにより出力チャネルの位置は異なり、ＭＭＩ幅（Ｗ_M）が等しくても、入出力のチャネル間隔（Gap）が等しくなるわけではない。いずれのＭＭＩカプラの場合も、ＭＭＩ長を短縮するためにはＭＭＩ幅（Ｗ_M）を小さくする必要があり、それに従ってチャネル間隔（Gap）も小さくしなければならない。しかし、チャネル間隔は作製技術により制限されるパラメータである。

チャネル間隔は、対モード干渉（ＰＩ）に基づくＭＭＩのほうが、一般モード干渉（ＧＩ）に基づくＭＭＩよりも常に狭くなることから、チャネル間隔を一定に保つためには、対モード干渉の２：６ＭＭＩ幅（Ｗ_M26）を増大する必要がある。チャネル間隔を一定にした場合のｚ^PIは、式（３）で表される。
ｚ^PI ＝３*ｚ^GI／４ （３）

このように、チャネル間隔（Gap）を一定にした場合、対モード干渉によるＭＭＩ長は一般モード干渉カプラの長さの３／４倍ですむ。これに加え、対モード干渉に基づくＭＭＩは、常に一般モード干渉に基づくＭＭＩよりも短い相互作用長を有するため、コンパクトな光分岐・結合素子を形成するには有効である。

次に、図３（Ｂ）の構成を採用することの意義を説明する。図３（Ａ）に示すように、２：６ＭＭＩカプラ１０のみでは、３対の１８０度ハイブリッドとして機能はするが、６０度ハイブリッドとしては機能しない。つまり、２：６ＭＭＩカプラ１０に６ＰＳＫ変調信号が干渉すると、その信号同士の相対位相差（Δφ）が０及びπの場合（０度成分）のみ識別可能となる。相対位相差Δφ がそれぞれ−２π／３と＋π／３の場合（６０度成分）、及び−π／３と＋２π／３の場合（−６０度成分）は識別できないため、６０度ハイブリッドとして機能しない。これは２：６ＭＭＩカプラ構造の中心対称性に起因する問題であり、原理的に６０度ハイブリッドとして動作できないことを意味する。つまり、２：６ＭＭＩカプラの場合、６つの出力チャネルのいずれかにおいて、出力光（Ｓ₁、Ｓ₂）間で以下の関係が成り立つ。
Ch-1 S₁ + S₂
Ch-2 S₁ - S₂
Ch-3 S₁ - S₂
Ch-4 S₁ + S₂
Ch-5 S₁ + S₂
Ch-6 S₁ - S₂ （４）

一方、６０度ハイブリッド動作を得るためには、６つの出力チャネルのいずれかにおいて、出力光（Ｓ₁、Ｓ₂）間で以下の関係が成り立つ必要がある。
Ch-1 S₁ + S₂
Ch-2 S₁ - S₂
Ch-3 S₁ + Exp[+j(π/3)]S₂
Ch-4 S₁ - Exp[+j(π/3)]S₂
Ch-5 S₁ + Exp[+j(−π/3)]S₂
Ch-6 S₁ - Exp[+j(−π/3)]S₂ （５）

そこで、図３（Ｂ）に示すように、２：６ＭＭＩカプラ１０の出力対のうち、２対の出力チャネルに、２：２光カプラとして方向性結合器１３ａ、１３ｂを縦続接続する。図３（Ｂ）の例では、光導波路１１ｃ、１１ｄに出力された同相の光信号対１２Ｂを２：２光カプラ１３ａに接続し、光導波路１１ｅ、１１ｆに出力された同相の光信号対１２Ｃを２：２光カプラ１３ｂに接続する。光導波路１１ｃと１１ｄ、１１ｅと１１ｆを、それぞれ互いに近接させることにより、方向性結合器として結合長Ｌ_DCの２：２光カプラ１３ａ、１３ｂを配置することができる。光カプラ１３ａ、１３ｂの分岐比は７５：２５であり、７５％の光強度がクロスポート側へ結合する。この構成により、式（４）に示す信号光成分のうちの２対が２：２光カプラ１３ａ、１３ｂに入射し、干渉作用を経て出力すると、結果的に６つの出力チャネル成分が全て異なる出力形態となる。

仮に２：６ＭＭＩカプラ１０が、出力チャネル間で相対位相差のばらつきのない状態で式（４）のように３対の１８０度ハイブリッド応答を出力するのであれば、図３（Ｂ）に示す光デバイスの出力光は、位相調整を行わなくても式（５）を満足し、６０度ハイブリッドとして機能する。

しかし、対モード干渉（ＰＩ）に基づく２：６ＭＭＩカプラ１０は、同振幅で分岐する特徴を有するが、同位相で分岐するものではない。実際、６等分岐に対する出力チャネル間の相対位相差は、入力チャネルに依存してそれぞれ大きく異なる。したがって、２：６ＭＭＩカプラ１０の出力チャネル間の相対位相差が、２：２光カプラ１３ａ、１３ｂに位相整合しないため、６０度ハイブリッドとして機能しない場合が生じる。

図４は、図３（Ｂ）の構成で位相調整を与えない場合の、相対位相差Δφに対する透過特性を示すグラフである。図４に示すように、６つの出力チャネルにおいて全て異なる出力形態を得られるものの、Δφに対する出力レベルが異なるため、６ＰＳＫ信号光を識別するのが困難である。これは、２：６ＭＭＩカプラ１０の出力チャネル間の相対位相差が２：２光カプラ１３ａ、１３ｂに位相整合していないことに起因する。そこで、６０度ハイブリッドとして適正に機能させるために、式（５）の位相整合条件を満足させる構成とする必要がある。

図５は、実施例１の光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）１Ａの構成と、その出力光信号の位相関係を示す概略図である。光導波路デバイス１Ａは、入力光を、同相関係にある一対の第１光信号１２Ａ、同相関係にある一対の第２光信号１２Ｂ、同相関係にある一対の第３光信号１２Ｃに変換する多モード干渉カプラ１０を有する。図５の例では、図３と同様に、６ＰＳＫ信号を入力信号とし、多モード干渉カプラ１０として２：６ＭＭＩカプラ１０を用いる。２：６ＭＭＩカプラ１０の２つの入力は、幅方向の中心位置に対して対称な位置に設けられ、６つの出力は、それぞれ隣接する一対の出力チャネル同士で同相関係にある信号対を出力する。

３対の出力光信号のうち２対の出力光信号１２Ｂ、１２Ｃを、それぞれ２：２光カプラ（方向性光結合器）１３ａ、１３ｂに接続し、他の一対の同相光信号１２Ａの位相関係に対してそれぞれ６０°及び−６０°の位相回転を与え、位相回転された光信号対１２Ｂ'、１２Ｃ'を得る。

２：６ＭＭＩカプラ１０と２：２光カプラ１３ａ、１３ｂの間に、位相調整領域１５（位相シフタ１５ａ、１５ｂ）を設け、対を成す信号間の相対位相差を整合させる。位相シフタ１５ａ、１５ｂは、たとえば、２：６ＭＭＩカプラ１０と２：２光カプラ１３ａ、１３ｂの間の領域で、光導波路１１ｃと１１ｄ、及び１１ｄと１１ｆの導波路長をそれぞれ異ならせた遅延型位相シフタとしてもよいし、光導波路対の一方または両方の幅をテーパ状に変化させた幅テーパ型又はバタフライ型の位相シフタとしてもよい（図面では便宜上、直線で示されている）。

図６は、図５の光導波路デバイス１Ａにおける導波路構造を示す概略断面図である。光導波路デバイス１Ａは、ハイメサ導波路構造６０を有し、ＩｎＰ基板６１上に、ＧａＩｎＡｓコア層６２（バンドギャップ波長λg＝１．３μｍ）と、ＩｎＰクラッド層６３を有する。導波路幅Ｗは２．０μｍであり、単一モード条件を満足する。

このような導波路の製造方法は、たとえば、ｎ型ＩｎＰ基板あるいはアンドープＩｎＰ基板６１上に、たとえば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、膜厚０．３μｍのアンドープＧａＩｎＡｓコア層６２と、膜厚２．０μｍのアンドープ又はｐ型ドープＩｎＰ層６３をエピタキシャル成長する。ＧａＩｎＡｓコア層６２の発光波長は１．３０μｍである。上記エピタキシャル成長を行ったウェハに、たとえば蒸着などによりＳｉＯ₂膜を成膜し、露光プロセスによって所定の領域に導波路ストライプ構造をパターニングしてハードマスクを形成する。直線導波路及び曲げ導波路は幅テーパで接続される。このＳｉＯ₂パターンをマスクとして、たとえばＩＣＰ反応性イオンエッチングなどの方法でドライエッチングを行い、高さ３．０μｍ程度のハイメサ導波路構造６０を形成して光導波路デバイスを作製する。光導波路デバイスの作製は、上述したＩｎＰ系化合物半導体材料に限定されるわけではなく、ＧａＡｓ系化合物半導体材料、Ｓｉ系半導体材料、誘電体材料や高分子材料などを用いることによっても、同様の効果が期待できる。

表１は、図５に示す光導波路デバイス１Ａの位相調整領域１５における位相整合条件を示す。

表１において、θは位相変化量（ラジアン）を表わす。表１に示すように、２：２光カプラ１３ａに入力される０度成分（１２Ｂ）を識別するための位相整合量は、＋π／２と非常に大きくなる。この場合、位相調整領域１５を設けないと、特性劣化が深刻になる。他方、２：２光カプラ１３ｂに入力される６０°成分（１２Ｃ）を識別するための位相整合量は−π／６である。少なくとも光出力対１２Ｂに対して、あるいは光出力対１２Ｂと１２Ｃの双方に対して、位相整合条件に合わせて位相調整することで、２：６ＭＭＩカプラ１０の３対の出力光において、それぞれ−６０°成分、０°成分、及び６０°成分が識別され、図５の位相関係図（ＩＱ平面上の信号図）に示すように６０度ハイブリッドとして機能する。

ところで、図５の光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）１Ａの場合、２：２光カプラ１３ａ、１３ｂは方向性結合器構造を有し、結合器の分岐比は７５：２５に設定されるので、７５％の光強度がクロスポート側へ結合する。光導波路が図６に示すハイメサ構造６０を有する場合、幅方向の光閉込作用が強いため、方向性結合器として機能させるためには、導波路１１ｃと１１ｄ、１１ｅと１１ｆの間隔（Gap^DC）を狭めるか、相互作用長を長くとる必要がある。仮に、Gap^DCを０．２μｍと仮定した場合、分岐比７５：２５を得るために必要な結合長（Ｌ_DC）は７２００μｍ以上と見積もられる。

なお、図５の６０度ハイブリッドの場合、２：２光カプラ１３ａ、１３ｂの分岐比は７５：２５に限定されず、２５：７５（２５％の光強度がクロスポート側へ結合）と設定しても同様の結果を得ることができる。この場合、結合率の低減により、Ｌ_DCは２８００μｍ以上と見積もられ、デバイスサイズの縮小を図ることができる。

また、光導波路構造を図６のハイメサ構造６０に代えて、幅方向の光閉込作用の弱いリブ構造やリッジ構造としても、上記と同様な結果が期待でき、かつＬ_DCはハイメサ構造６０の場合の１／１０以下と飛躍的に短縮することも可能である。

図７は、実施例２の光導波路デバイス１Ｂの構成と、その出力光信号の位相関係を示す概略図である。光導波路デバイス１Ｂは、図５の実施例１の光導波路デバイス１Ａとほぼ同様の構成を有するが、同相の信号対に位相回転を与える２：２光カプラとして、２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂを用いる。２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂの前段に、光出力対の相対位相差を２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂに整合させるための位相調整領域１５（位相シフタ１５ａ、１５ｂ）を設けること、及び導波路構造として図６に示すハイメサ構造を採用することは、実施例１と同様である。

実施例１でも述べたように、導波路の構造として幅方向の光閉込作用の弱いリブ構造やリッジ構造にすれば、結合長Ｌ_DCを飛躍的に短縮できるが、この場合、２：６ＭＭＩカプラ１０の自己結像効率の低下が懸念される。そこで、６０度ハイブリッドとしてハイメサ構造６０を採用しつつ、導波路長の短縮を図るために、光合分岐回路として２：２ＭＭＩカプラ７３を用いる。この場合、２：２ＭＭＩカプラの分岐比は７２：２８である。本来２：２ＭＭＩカプラに求められる分岐比は７５：２５であるが、２：２ＭＭＩカプラの場合、原理損失を伴わないことを前提とすると、任意の分岐比を有することができない。２：２ＭＭＩカプラでは、８５：１５、７２：２８、５０：５０、２８：７２、及び１５：８５のいずれかの分岐比のみを得ることができる。分岐比７２：２８は本来要求される分岐比７５：２５に最も近く、顕著な特性劣化をともなうことなく６０度ハイブリッド動作を実現することができる。また、２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂの分岐比は７２：２８に限られず、２８：７２に設定しても同様の結果が得られる。ただし、この場合は２：２ＭＭＩカプラ長が分岐比７２：２８の場合に比べて３倍ほど長くなるため、後述する光波長依存損失の面では不利になる。

なお、図７の例では、一方の入力チャネルに６ＰＳＫ信号が入力され、他方の入力チャネルには、後述するようにＬＯ光が入力される。また、図７の例では、ＭＭＩカプラへ結合するアクセス導波路の幅が一定であるが、これに限らず、ＭＭＩカプラ領域へ接続する導波路の幅がテーパ形状に変化しても同様の効果を得ることができる。

図８（Ａ）は、実施例２の６０度ハイブリッドの相対位相差Δφに対する透過特性を示すグラフ、図８（Ｂ）は、２：６ＭＭＩカプラ１０に代えて、図２の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた場合の相対位相差Δφに対する透過特性を示すグラフである。いずれの場合も入出力導波路間の最小間隔（Gap）を１．０μｍと設定している。この場合、導波路幅（Ｗ）を２．０μｍとすると、２：６ＭＭＩカプラ１０の幅（Ｗ_M26）、及び６：６ＭＭＩカプラ２０の幅（Ｗ_M66）は、それぞれ１８．０μｍと２７．０μｍになる。また、２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂの幅（Ｗ_M22）は７．５μｍとなる。このときの６：６ＭＭＩ長（Ｌ_M66）、２：６ＭＭＩ長（Ｌ_M26）、及び２：２ＭＭＩ長（Ｌ_M22）はそれぞれ、４４７μｍ、３３５μｍ、及び９３μｍになる。

なお、位相制御領域１５については、実施例１と同様に、一対の同相出力光を伝播させる光導波路の両アーム（たとえばθ₃およびθ₄）の少なくとも一方の導波路幅を変化させた幅テーパ型位相シフタとしてもよいし、片方の導波路長を変化させた遅延型位相シフタとしてもよい（図面では、便宜上直線で表わしている）。位相制御領域１５の長さ（Ｌ_phase）を５０μｍとすれば、実施例２の６０度ハイブリッドの素子長Ｌ_Tot2は４７８μｍ（＝Ｌ_M26＋Ｌ_phase＋Ｌ_M22）となり、比較例の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドの素子長Ｌ_Tot1は４４７μｍ（=Ｌ_M66）となる。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、いずれの場合もΔφに対する出力光の透過率は正弦波関数的に変化し、各出力チャネルの出力光位相は６０度ずつ異なり、６０度ハイブリッドとして機能していることがわかる。このように、実施例２のように、光導波路デバイス１Ｂで分岐比が７２：２８の２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂを用いる場合も、６０度ハイブリッドとして適切に機能することが明らかになった。

図８（Ａ）に示すように、実施例２の６０度ハイブリッドでは、互いに隣接する出力チャネルであるCh-1とCh-2（−６０°成分）、Ch-3とCh-4（０°成分）、及びCh-5とCh-6（６０°成分）の強度変化が、互いに位相差πとなっている。つまり、この構成により、図９に示すように、出力光を受光素子又は光電変換素子であるフォトダイオード対１９ａ、１９ｂ、１９ｃに導く際に、光導波路１１ａ〜１１ｆを交差させることなく入光させることができる。その結果、過剰損失を防ぐことができる。

他方、図８（Ｂ）に示すように、図２の入力が中心軸に対して非対称の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドの場合、Ch-1とCh-6、Ch-2とCh-5、及びCh-3とCh-4の強度変化が互いに位相差πとなるため、フォトダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃへ入力する際、図２に示すように、６ヶ所に及ぶ光導波路の交差が避けられない。図２の構成では、光導波路の交差部において過剰損失が生じ、光受信効率が劣化する。

図１０（Ａ）は、図７の６０度ハイブリッドにおいて、光信号がCh-Aから入射したときの透過波長スペクトルを、図１０（Ｂ）は同じくCh-Bから入射したときの透過波長スペクトルを示す。６０度ハイブリッドにおける素子パラメータは図８の場合と同様である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）に示すように、実施例２の６０度ハイブリッドの場合、Ｃバンド波長範囲において、波長依存性に起因する損失が１．２ｄＢ以下に抑えられている。また、入力チャネルの位置による透過スペクトルの形状もほぼ一定である。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、比較例として、図２の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドにおいて、光信号がCh-AとCh-C（中心軸に対して非対称の入力ポート）から入射した場合の透過波長スペクトルをそれぞれ示す。６０度ハイブリッドにおける素子パラメータは図１０（Ａ）及び図１９（Ｂ）の場合と同様である。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、図２の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドの場合、Ｃバンド帯域内で波長依存性に起因する損失が２．２ｄＢ程度になり、２：６ＭＭＩカプラ１０を用いた場合と比較して相対的に大きい。

図１２（Ａ）は、実施例２の６０度ハイブリッドにおける出力光の相対位相ズレ（Δφ）の波長依存性を示し、図１２（Ｂ）は比較例として、図２の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドにおける出力光の相対位相ズレ（Δφ）の波長依存性を示す。６０度ハイブリッドにおける素子パラメータは図８（Ａ）、図８（Ｂ）の場合と同様である。６ＰＳＫ変調信号をエラーフリーで復調するためには、位相ズレが生じないことが望ましい。また、たとえ位相ズレが発生したとしても最低限に抑える必要があり、通常、±５度以下の位相ズレに抑えることが求められる。図１２（Ａ）に示すように、Δφを±５度以下に設定した場合の実施例２の構成における許容帯域幅は〜４４ｎｍである。他方、６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドにおける許容帯域幅は図１２（Ｂ）に示すように〜２２ｎｍであり、Ｃバンド領域の半分程度しかカバーすることができない。

このように、実施例２の６０度ハイブリッドは位相ズレに対する動作帯域が広いのみならず、図1１に示すように、波長依存損失も小さい。所望の導波路間隔Gapに対し、図２の６：６ＭＭＩカプラ２０を用いた６０度ハイブリッドよりも振幅特性および位相ズレ特性の面で優れた特性を示すことがわかる。

（変形例１）
図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、変形例１として光導波路デバイス２１Ａ，２１Ｂを示す図である。図７の光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）１Ｂは、表２に示す関係を満たす範囲で、自由に構成を変えることができる。

２：６ＭＭＩカプラ１０の６つの出力チャネルを図面の上側から順にCh-1〜Ch-6とすると、図１３（Ａ）の構成ではCh-1とCh-2の対、及びCh-5とCh-6の対に対してそれぞれ位相シフタ１５ａ、１５ｂを設け、相対位相差が２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂに整合するように調整する。図１３（Ｂ）の構成では、Ch-1とCh-2の対、及びCh-3とCh-4の対にそれぞれ位相シフタ１５ａ、１５ｂを設けて相対位相差を調整する。いずれの例でも、素子構造は変わっても６０度ハイブリッド特性が得られることに変わりはない。ただし、図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）に示すように、６０度ハイブリッドにおける出力チャネルの−６０°成分、０°成分、及び６０°成分の位置関係が入れ替わることになる。

（変形例２）
図１４は、変形例２として光導波路デバイス３１を示す図である。変形例２では、図７の構成における対モード干渉型の２：６ＭＭＩカプラ１０に代えて、６：６ＭＭＩカプラ３０を用いる。この６：６ＭＭＩカプラ３０は、図２の非対称入力の６：６ＭＭＩカプラ２０と異なり、一対の入力チャネルが、軸方向の中心位置Ａに対して対称な位置に設けられ、中心対称性を有する。このような構造の６：６ＭＭＩカプラ３０を用いた場合も、図７の構成と同様の効果を得ることができる。

また、図９の場合と同様に、互いに隣り合う一対の出力チャネル間で位相差がπとなるので、出力光を光電変換素子（フォトダイオード対）に導く際に、光導波路を交差させることなく入光させる構成が可能になる。

図１５は、実施例２の光導波路デバイス１Ｂを光半導体装置（コヒーレント光受信機）５０Ａに適用した場合の概略構成図である。なお、図１５の例では実施例２の光導波路デバイス１Ｂを用いているが、図５に示す実施例１の光導波路デバイス１Ａや、図１３、１４に示す変形例の光導波路デバイス２１Ａ、２１Ｂ、３１も同様に用いることができる。

光受信機５０Ａでは、ＬＯ光源（局発光源）５１からのＬＯ信号が２：６ＭＭＩカプラ１０の一方の入力に接続される。２：６ＭＭＩカプラ１０からの３対の出力光のうち、２対の光出力信号１２Ｂ、１２Ｃは、位相調整領域１５で位相調整を経た後、２：２ＭＭＩカプラ７３ａ、７３ｂに導かれ、他の１対の同相出力信号の位相関係に対して−６０°及び６０°の位相回転を受けた光出力信号対１２Ｂ'、１２Ｃ'に変換される。光信号対１２Ａ、１２Ｂ'１２Ｃ'は、信号復調のために光電変換素子としてのバランスドフォトダイオード（ＢＰＤ）１９ａ、１９ｂ、１９ｃに入射し、ＴＩＡ５２ａ、５２ｂ、５２ｃでそれぞれ電圧増幅される。さらに、Ａ／Ｄ変換回路５３ａ、５３ｂ、５３ｃでディジタル信号に変換されてディジタル信号処理回路５５に供給される。

６ＰＳＫパルスと時間的に同期したＬＯ光が、コヒーレント光受信機５０Ａの６０度ハイブリッド（光導波路デバイス）１Ｂに入射すると、実施例１及び２で説明したように、信号光とＬＯ光との相対位相差Δφに応じて、異なる出力形態を示す。６０度ハイブリッド１Ｂの出力チャネルにおいて、−６０°成分、０°成分、及び６０°成分の位相関係を有するチャネルどうしが、対応するＢＰＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃに接続される。この場合、各ＢＰＤへの入力状態も異なる。バランスドフォトダイオードの場合、いずれか一方の側のフォトダイオードのみへの入力があった場合、それぞれ１及び−１に相当する電流が流れる。また、バランスドフォトダイオードの両方へ同時に入力があると、電流が流れない性質を有する。従って、６ＰＳＫ信号光における位相情報が識別でき、電気信号へ変換することができる。

図１６（Ａ）は、光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）１Ｂを、６-ＤＰＳＫ信号光に適用する場合の構成例を示す図である。実施例３（図１５）では、６ＰＳＫ信号光とＬＯ光を同時に入力させることにより、所望の特性を得ていたが、実施例４では、ＬＯ光源５１を用いず、２：６ＭＭＩカプラ１０の前段に１：２ＭＭＩカプラ６１を配置し、１：２ＭＭＩカプラ６１と２：６ＭＭＩカプラ１０との間の２つの光導波路に光路長差を与える。この場合の光路長差は、６-ＤＰＳＫ信号パルスの1ビットの遅延に相当する。

入力された信号光パルスは、１：２ＭＭＩカプラ６１を経由し、２つの経路に分かれた６-ＤＰＳＫ信号光同士は相対位相差Δφに応じて出力形態が異なる。１：２ＭＭＩカプラ６１以降の構成と動作は、実施例１及び２で説明した動作と同じであり、光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）１Ｂとして機能する。

なお、図１６（Ａ）に示す１：２ＭＭＩカプラ６１の代わりに、Ｙ分岐カプラ、２：２ＭＭＩカプラを用いても、同様に６０度ハイブリッド動作を得ることができる。また、図５（実施例１）の構成や、変形例１，２の構成も、同様に６-ＤＰＳＫ信号光に適用することができる。

図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）の光導波路デバイスを光半導体装置（光受信機）５０Ｂに適用した例を示す。光導波路デバイス４１の出力は、図１５の例と同様に、光電変換部としてのＢＰＤ１９ａ、１９ｂ、１９ｃに入射し、増幅回路としてのＴＩＡ５２ａ、５２ｂ、５３ｃ、アナログ／ディジタル変換回路（ＡＤＣ）５３ａ、５２ｂ、５３ｃを経て図示しないディジタル信号処理回路に供給される。

６-ＤＰＳＫ変調信号パルスは、光遅延回路６５により、一方が他方に１ビット遅れた信号として時間的に同期し、２：６ＭＭＩカプラに入力する。この場合、図１５（実施例３）に示したように、信号光同士の相対位相差Δφにより、異なる出力形態をとる。光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）の出力チャネルにおいて、実施例３と同様に機能するため、６-ＤＰＳＫ変調信号を識別することができ、電気信号への変換及び信号処理を行うことにより、光受信機５０Ｂとして機能する。

以上述べたように、多モード干渉カプラ（例えば対モード干渉型の２：６ＭＭＩカプラ又は図１４の構成の６：６ＭＭＩカプラ）の３対の出力チャネルにおいて、いずれか２対の出力チャネルを所定の分岐比を有する２入力２出力の光カプラ（たとえば分岐比７２：２８の２：２ＭＭＩカプラや、分岐比７５：２５の方向性結合器）に縦続接続して他の一対の出力チャネルに対する位相回転を与える構成にし、かつ、多モード干渉カプラ（２：６ＭＭＩカプラ等）からの前記２対の出力と、２：２光カプラとの間に位相シフタ又は位相調整領域を設けて位相整合をとることにより、波長依存性や位相ズレ、挿入損失が少なく、かつモノリシック集積化に適した６０度ハイブリッドと光受信機を実現することができる。

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
入力光信号を、同相関係にある第１の光信号対、同相関係にある第２の光信号対、及び同相関係にある第３の光信号対に変換して、３対の光信号を出力する多モード干渉カプラと、
前記多モード干渉カプラから出力される前記３対の光信号のうちのいずれか２対に接続されて、前記２対の光信号の一方を、前記３対の光信号のうちの残り１対の光信号の位相関係に対して−６０°位相回転させ、前記２対の光信号の他方を、前記残り１対の光信号の位相関係に対して６０°位相回転させる第１の光カプラ及び第２の光カプラと、
前記多モード干渉カプラと、前記第１の光カプラ及び前記第２の光カプラの少なくとも一方との間に挿入されて、前記２対の光信号の少なくとも一方の相対位相差を調整する位相シフタと、
を備えることを特徴とする光導波路デバイス。
（付記２）
前記多モード干渉カプラは、当該多モード干渉カプラの幅方向の中心に対して対称な位置に位置する２つの入力チャネルと、隣接するチャネル同士で一対の同相信号を出力する６つの出力チャネルとを有することを特徴とする付記１に記載の光導波路デバイス。
（付記３）
前記第１の光カプラ及び前記第２の光カプラは、分岐比が７５：２５の方向性光結合器、又は分岐比が７２：２８の２入力２出力多モード干渉カプラであることを特徴とする付記１又は２に記載の光導波路デバイス。
（付記４）
前記多モード干渉カプラは、６つの出力チャネルを有す、互いに隣接する出力チャネル間で、前記同相関係にある３対の光信号を出力することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の光導波路デバイス。
（付記５）
前記多モード干渉カプラは、２入力６出力の対モード干渉型カプラであることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の光導波路デバイス。
（付記６）
前記多モード干渉カプラは、６入力６出力の多モード干渉カプラであり、６つの入力ポートのうち、前記多モード干渉カプラの軸方向の中心に対して対称な位置にある２つの入力ポートが入力チャネルとして選択されることを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の光導波路デバイス。
（付記７）
付記１〜６のいずれかの光導波路デバイスと、
前記光導波路デバイスの互いに６０度ずつ位相回転された３対の光出力の各々に接続される光電変換部と、
を備える光受信機。
（付記８）
前記光導波路デバイスの前段に設けられる局発光源、
をさらに備え、前記光導波路デバイスの前記多モード干渉カプラには、６ＰＳＫ信号と、前記局発光源からの発振光とが入力されることを特徴とする付記７に記載の光受信機。
（付記９）
前記光導波路デバイスの前段に設けられ、１ビットに相当する遅延を生じさせる光遅延回路、
をさらに備え、前記光遅延回路に６-ＤＰＳＫ信号が入力され、前記光導波路デバイスの前記多モード干渉カプラに、一方が他方に対して１ビット送れた２つの光信号が入力されることを特徴とする付記７に記載の光受信機。
（付記１０）
前記光導波路デバイスと、前記光電変換部との間に延びる互いに交差しない３対の導波路、
をさらに備える付記７〜９のいずれかに記載に光受信機。
（付記１１）
入力される６位相偏移変調信号又は差分６位相偏移変調信号を、同相関係にある第１の光信号対、同相関係にある第２の光信号対、及び同相関係にある第３の光信号対に変換して３対の出力光信号を取得し、
前記３対の出力光信号のうちのいずれか２対の出力光信号の一方を、前記３対の光信号のうちの残り１対の光信号の位相関係に対して−６０°位相回転させ、前記２対の光信号の他方を、前記残り１対の光信号の位相関係に対して６０°位相回転させ、
互いに６０度ずつ位相回転された３対の光信号を対応する３対の光電変換素子にて受光する、
ことを特徴とする光受信方法。
（付記１２）
前記３対の出力光信号への変換工程は、多モード干渉カプラを用いて行い、
前記位相回転の前段で、前記２対の出力光信号の少なくとも一方の相対位相差を調整する工程をさらに含むことを特徴とする付記１１に記載の光受信方法。

光通信の分野に適用することができる。

１Ａ、１Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ、３１ 光導波路デバイス（６０度ハイブリッド）
１０ 対モード干渉型カプラ（２：６ＭＭＩカプラ）
１１ａ〜１１ｆ 出力光導波路
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ 同相関係にある光信号対
１３ａ，１３ｂ ２：２光カプラ（方向性結合器）
１５ 位相調整領域（位相シフタ）
１９ 光電変換部（バランスドフォトダイオード対）
２０ 非対称入力の多モード干渉型カプラ（６：６ＭＭＩカプラ）
３０ 対称入力の多モード干渉カプラ（６：６ＭＭＩカプラ）
５０Ａ ５０Ｂ 光受信機
６０ ハイメサ導波路構造
６１ ＩｎＰ基板
６２ ＧａＩｎＡｓＰコア
６３ ＩｎＰ層
７３ａ、７３ｂ ２：２光カプラ（２：２ＭＭＩカプラ）

Claims (5)

1. 入力光信号を、同相関係にある第１の光信号対、同相関係にある第２の光信号対、及び同相関係にある第３の光信号対に変換して、３対の光信号を出力する多モード干渉カプラと、
   前記多モード干渉カプラから出力される前記３対の光信号のうちのいずれか２対に接続されて、前記２対の光信号の一方を、前記３対の光信号のうちの残り１対の光信号の位相関係に対して−６０°位相回転させ、前記２対の光信号の他方を、前記残り１対の光信号の位相関係に対して６０°位相回転させる第１の光カプラ及び第２の光カプラと、
   前記多モード干渉カプラと、前記第１の光カプラ及び前記第２の光カプラの少なくとも一方との間に挿入されて、前記２対の光信号の少なくとも一方の相対位相差を調整する位相シフタと、
   を備え、
   前記多モード干渉カプラは、当該多モード干渉カプラの幅方向の中心に対して対称な位置に位置する２つの入力チャネルと、隣接するチャネル同士で一対の同相信号を出力する６つの出力チャネルを有し、
   前記第１の光カプラ及び前記第２の光カプラは、分岐比が７５：２５の方向性光結合器、又は分岐比が７２：２８の２入力２出力多モード干渉カプラである
   ことを特徴とする光導波路デバイス。
2. 請求項１の光導波路デバイスと、
   前記光導波路デバイスの互いに６０度ずつ位相回転された３対の光出力の各々に接続される光電変換部と、
   を備える光受信機。
3. 前記光導波路デバイスの前段に設けられる局発光源、
   をさらに備え、前記光導波路デバイスの前記多モード干渉カプラには、６ＰＳＫ信号と、前記局発光源からの発振光とが入力されることを特徴とする請求項２に記載の光受信機。
4. 前記光導波路デバイスの前段に設けられ、１ビットに相当する遅延を生じさせる光遅延回路、
   をさらに備え、前記光遅延回路に６-ＤＰＳＫ信号が入力され、前記光導波路デバイスの前記多モード干渉カプラに、一方が他方に対して１ビット送れた２つの光信号が入力されることを特徴とする請求項２に記載の光受信機。
5. ６位相偏移変調信号又は差分６位相偏移変調信号を、信号入力方向と直交する幅方向の中心に対して対称な位置に位置する２つの入力チャネルを有する多モード干渉カプラに入力し、
   前記多モード干渉カプラの６つの出力チャネルから、隣接するチャネル同士で同相関係にある第１の光信号対、同相関係にある第２の光信号対、及び同相関係にある第３の光信号対を形成する３対の出力光信号を出力し、
   分岐比が７５：２５の方向性光結合器、又は分岐比が７２：２８の２入力２出力多モード干渉カプラを用いて、前記３対の出力光信号のうちのいずれか２対の出力光信号の一方を、前記３対の光信号のうちの残り１対の光信号の位相関係に対して−６０°位相回転させ、前記２対の光信号の他方を、前記残り１対の光信号の位相関係に対して６０°位相回転させ、
   前記位相回転の前段で、前記２対の出力光信号の少なくとも一方の相対位相差を調整し、
   互いに６０度ずつ位相回転された３対の光信号を対応する３対の光電変換素子にて受光する、
   ことを特徴とする光受信方法。