JP5755230B2 - インターリーブ・チャープド・アレイ導波路グレーティングを有するコヒーレント受信機 - Google Patents

Description

本発明は、光通信装置に関し、より詳細には、限定されるものではないが、コヒーレント光受信機に関する。

この節では、本発明のよりよい理解を促すための助けとなる態様について紹介する。したがって、この節で述べることは、この観点で読まれるべきであり、何が従来技術にあるか、または何が従来技術にないかについて認めていると理解されるべきではない。

光コヒーレント検出方式は、光信号の振幅のみならず、信号の位相も検出可能である。これらの能力により、光コヒーレント検出は、直交位相振幅変調、様々な形態の位相偏移変調（ＰＳＫ）（例えば、差動２値位相偏移変調および差動４値位相偏移変調）などの、スペクトル的に効率的な変調フォーマットの使用との両立が可能となる。非コヒーレント検出器と比較して、光コヒーレント検出器では、波長の同調性が比較的容易であり、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて隣接チャネルからの干渉を良好に除去でき、現代のディジタル信号処理技法を効果的に適用するために電磁界を電気信号へと線形変換でき、偏光分割多重（ＰＤＭ）を使用する機会が提供される。

光コヒーレント検出器は、通常、光通信信号によって搬送されたデータを復元できるように、受信した光通信信号と局部発信器信号とを混合する９０度ハイブリッドを用いる。しかし、従来技術の光コヒーレント検出器に関する１つの問題は、この検出器では、典型的には光通信信号の各ＷＤＭおよび／またはＰＤＭ成分に対して別々の９０度ハイブリッドが必要になることである。この多数の構成デバイスは、ＷＤＭおよび／またはＰＤＭシステムにおける光コヒーレント検出器の使用を比較的割高なものとし、対応する受信機が相当大きくなり、および／または比較的高い光減衰を示す原因となるので不都合である。

米国特許第７，２６９，３５６号 米国特許第５，９０９，５２２号 米国特許第６，０４９，６４０号 米国特許出願第１２／１９４，３５２号

本明細書において、インターリーブ・チャープド・アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）を有する光コヒーレント検出器の様々な実施形態を開示する。ＡＷＧは、ＡＷＧが光９０度ハイブリッドとして機能することを可能にする周期的なチャープパターンを有する。ＡＷＧが複屈折材料を使用して実現される場合、ＡＷＧは、偏光デマルチプレクサとしても機能することができる。一実施形態では、ＡＷＧは、波長デマルチプレクサ、各波長分割多重（ＷＤＭ）信号成分に対する偏光デマルチプレクサ、および各ＷＤＭ信号成分の各偏光分割多重成分に対する９０度ハイブリッドとして、同時に機能するように設計されている。従来技術に対して有利なことに、本発明の光コヒーレント検出器は比較的少ない構成デバイスを使用して実現することができる。

一実施形態によれば、（１）平坦な表面を有する基板と、（２）前記表面に沿って存在し、第１および第２の光入力端子、ならびに第１の空間配列した光出力端子を有する第１の光スターカプラと、（３）前記表面に沿って存在し、第２の空間配列した光入力端子および第３の空間配列した光出力端子を有する第２の光スターカプラと、（４）それぞれが、第１の空間配列の１つの光出力端子を第２の空間配列の対応する光入力端子に接続する導波路アームのアレイとを備えたＡＷＧを有する装置が提供される。導波路アームのアレイは、第３の空間配列の第１の組の４つの光出力端子が、ほぼ同じ波長の第１および第２の光入力端子で受信される光に応答して、第１および第２の光入力端子で受信される光の４つの異なる位相の組合せを受信するように構成される。

別の実施形態によれば、（１）平坦な表面を有する基板と、（２）前記表面に沿って存在し、第１および第２の光入力端子、ならびに第１の空間配列した光出力端子を有する第１の光スターカプラと、（３）前記表面に沿って存在し、第２の空間配列した光入力端子および第３の空間配列した光出力端子を有する第２の光スターカプラと、（４）それぞれが、第１の空間配列の１つの光出力端子を第２の空間配列の対応する光入力端子に接続する導波路アームのアレイとを備えるＡＷＧを提供するステップを含む光信号を処理する方法が提供される。この方法は、さらに、（ａ）光入力信号をＡＷＧの第１の光入力導波路に、（ｂ）局部発信器信号をＡＷＧの第２の光入力導波路に供給して、第３の空間配列の１組の４つの光出力端子において、光入力信号と局部発信器信号の４つの異なる位相の組合せを生成するステップを含む。

本発明の様々な実施形態の他の態様、特徴、および利点は、例示によって、以下の詳細な説明および添付図面からより完全に明らかになるであろう。

本発明の一実施形態によるコヒーレント光受信機のブロック図である。 本発明の一実施形態による、図１の受信機において使用することができるアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）の概略レイアウト図である。 本発明の別の実施形態による、図１の受信機において使用することができるＡＷＧの概略レイアウト図である。 本発明のさらに別の実施形態による、図１の受信機において使用することができるＡＷＧの概略レイアウト図である。 本発明のさらに別の実施形態による、図１の受信機において使用することができるＡＷＧの概略図である。 本発明のさらに別の実施形態による、図１の受信機において使用することができるＡＷＧの概略図である。

図１は、本発明の一実施形態によるコヒーレント光受信機１００のブロック図を示す。受信機１００は、（１）ＳおよびＲの符号を付けた２つの入力ポート、および（２）１からＮまでの符号を付けた複数の出力ポートを備えたアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）１１０を有する。ＡＷＧ１１０は、入力ポートＳおよびＲにそれぞれ供給される入力信号１０２および１０４を光学的に混合して、Ｎ個の混合信号１１２_１〜１１２_Ｎをそれぞれ出力ポート１からＮにおいて生成する。様々な実施形態において、入力信号１０２は、非多重信号、もしくは波長分割多重（ＷＤＭ）および／または偏光分割多重（ＰＤＭ）された信号成分を有する多重信号とすることができる。所期のタイプの入力信号１０２に応じて、ＡＷＧ１１０は、（１）９０度ハイブリッド、（２）各ＷＤＭ成分に対する波長デマルチプレクサおよび９０度ハイブリッド、（３）各ＰＤＭ成分に対する偏光デマルチプレクサおよび９０度ハイブリッド、または（４）波長デマルチプレクサ、各ＷＤＭ成分に対する偏光デマルチプレクサ、および各ＷＤＭ成分の各ＰＤＭ成分に対する９０度ハイブリッドの機能を遂行するように設計することができる。ＡＷＧ１１０のこれらの実施形態に対応した代表的なＡＷＧの構造を図２〜５を参照して以下により詳細に説明する。

入力信号１０４は、入力信号１０２をコヒーレント検出するために使用される局部発信器（ＬＯ）信号である。そのため、入力信号１０４は、入力信号１０２の各信号成分に対応した信号成分を有する。例えば、入力信号１０２がｎ個のＷＤＭ成分を有する場合、ＬＯ信号１０４もｎ個のスペクトル成分を有し、各スペクトル成分は入力信号１０２の対応するＷＤＭ成分と実質的に同一の光搬送波周波数（波長）を有する。同様に、入力信号１０２が各光搬送波周波数に対して２つのＰＤＭ成分を有する場合、ＬＯ信号１０４も各光搬送波周波数に対して２つの対応する偏光成分を有する。一実施形態では、ＬＯ信号１０４は、当技術分野において知られているように、例えば光位相ロック・ループ（ＰＬＬ、図１では明示的に示されていない）を使用して受信機１００において生成される。別の実施形態では、ＬＯ信号１０４は、例えば米国特許第７，２６９，３５６号に開示されているような遠隔の送信機（図１では明示的に示されていない）から受信され、この特許は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ＰＤＭ信号を処理するために設計される受信機１００の実施形態は、ＡＷＧ１１０の入力ポートＲに配置された任意選択の偏光制御素子１０６を含み得ることに留意されたい。偏光制御素子１０６の１つの機能は、確実に、ＬＯ信号１０４から関連する信号の偏光のそれぞれにとって十分な光電力が供給されるようにすることである。例えば、偏光制御素子１０６は、ＬＯ信号が、ＡＷＧ１１０に結合したとき、ＴＥ（ｔｒａｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）導波路偏光モードおよびＴＭ（ｔｒａｖｅｒｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ）導波路偏光モードにおいて、実質的に等しい光電力を有するように、ＬＯ信号１０４の偏光を変化／回転させるように構成することができる。等しい電力分配は、例えば偏光制御素子１０６により（１）直線偏光したＬＯ信号１０４の偏光がＡＷＧ１１０の面に対して約４５度に向けられるか、または（２）ＬＯ信号１０４が円偏光されるときに、起きる。

本明細書において使用される場合、ＴＥ偏光／モードおよびＴＭ偏光／モードという用語は、（１）従来のＴＥ偏光／モードおよびＴＭ偏光／モード、ならびに（２）疑似ＴＥ偏光／モードおよび疑似ＴＭ偏光／モードの両方を含む。

さらに、受信機１００は、Ｎ個の光信号１１２_１〜１１２_Ｎを、入力信号１０２の独立に変調された成分に対応する複素数値を示すＫ個の電気信号１２２_１〜１２２_Ｋに変換する検出器アレイ１２０を有する。電気信号１２２_１〜１２２_Ｋのそれぞれは、対応する（任意選択の）増幅器１３０において増幅することができる。得られた信号１３２_１〜１３２_Ｋのそれぞれは、対応するアナログ・ディジタル・コンバータ（ＡＤＣ）１４０においてディジタル形式に変換される。得られたディジタル信号１４２_１〜１４２_Ｋは、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１５０によって処理されて、入力信号１０２の独立に変調された各成分によって搬送されたデータが復元される。代表的な実施形態では、Ｎ＝ＫまたはＮ＝２Ｋである。一実施形態では、ＡＷＧ１１０および検出器アレイ１２０は、単一の集積回路の部品として共通の基板上に実装される。

図２は、本発明の一実施形態による、ＡＷＧ１１０（図１）として使用することができるＡＷＧ２００のレイアウトを概略的に示す。より具体的には、ＡＷＧ２００は、Ｎ＝４（図１参照）に相当し、光９０度ハイブリッドとして機能するように設計されている。ＡＷＧ２００は、ＡＷＧ導波路アーム２２２の束２２０によって接続される導波路カプラ（スターカプラと称される場合もある）２１０および２３０を有する。ＡＷＧ２００がＡＷＧ１１０（図１）として使用される場合、カプラ２１０の入力ポート２０８_１および２０８_２は、それぞれ受信機１００の入力ポートＳおよびＲとして働く。カプラ２３０の出力ポート２３２_１〜２３２_４は、ＡＷＧ１１０の出力ポート１〜４に相当する。

非チャープドＡＷＧにおいては、任意の２つの隣接するＡＷＧアーム（ＡＷＧ２００のＡＷＧアーム２２２に類似する）間の長さの差は定数である（以下、ΔＬで示す）。数学的に、非チャープドＡＷＧのこの特性は、式（１）
Ｌ_ｍ＝Ｌ_０＋ｍΔＬ （１）
を使用して表わされ、式中、ｍは、平面基板上の前記アームの横方向の空間的な並びのｍ番目の導波路アームを識別する指数である。ここで、ｍ＝０は、横方向の空間的な並びの第１番目のすなわち最も短いＡＷＧアームに相当し、このＡＷＧアームは長さＬ_０を有し、Ｌ_ｍは、ｍ番目のＡＷＧアームの長さである。対照的に、インターリーブ・チャープドＡＷＧにおいては、隣接するＡＷＧアーム間の長さの差は、例えば周期的に調節することができ、指数ｍに依存する。数学的には、インターリーブ・チャープドＡＷＧのこの特性は、近似的に式（２）
Ｌ_ｍ＝Ｌ_０＋ｍΔＬ＋ｌ（ｍ ｍｏｄ Ｍ） （２）
を使用して表わされ、式中、Ｍはチャープパターンの周期であり、ｌ（ｍ ｍｏｄ Ｍ）は、指数ｍを周期Ｍで除した剰余に依存する離散的なアーム長変調関数である。チャープドＡＷＧおよび非チャープドＡＷＧには、ΔＬ＝０で実現できるものがある。インターリーブ・チャープドＡＷＧの設計および実現に関するさらなる詳細は、例えば本願の権利者が所有する米国特許第５，９０９，５２２号および第６，０４９，６４０号に見出すことができ、これら特許は両方ともその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

一実施形態では、ＡＷＧ２００はインターリーブ・チャープドＡＷＧであり、ＡＷＧ２００において、ＡＷＧアーム２２２は、例えば表１に記載された８個の代表的な離散関数ｌ_１（ｉ）〜ｌ_８（ｉ）の組から選択されるアーム長変調関数ｌ（ｍ ｍｏｄ Ｍ）によって表現されるチャープパターンを有する。表１に記載された離散関数は、Ｍ＝４の周期のＡＷＧアームに相当することに留意されたい。記載された離散関数のそれぞれは正規化され、対象となる波長（λ_ｃ）は正規化因数として働く。様々な実施形態において、λ_ｃは入力信号の搬送波波長、または入力信号に存在する複数のＷＤＭ成分に対する平均的な波長とすることができる。

当業者には、他の適切なチャープパターンがＡＷＧ２００において同様に使用することができることが理解されるであろう。様々な実施形態において、導波路束２２０は、様々な数のＡＷＧアーム２２２を有することができ、最小のアーム数は４である。ＡＷＧアーム２２２の最大数に理論的な制限はなく、すなわちその数は４より大きな任意の数が可能である。しかし、それでも、例えば構築に関する実際上の考慮すべき問題により、前記最大数は制限されることがある。

入力ポート２０８_１および２０８_２が１／４回折ゾーンだけ離間し、出力ポート２３２_１〜２３２_４が対応して離間するＡＷＧ２００が、アーム長変調関数ｌ_１（ｉ）を使用して実現されるとき、ＡＷＧアーム２２２のチャープパターンにより、ＡＷＧは出力ポートにおいて実質的に等しい強度の４つの出力信号を生成する。式（３）は、ＡＷＧ２００の出力ポート２３２_１〜２３２_４における電界Ｅ_ｐ間の関係を近似的に与え（ここで、添え字ｐ＝１〜４は出力ポートの番号を指す）、

式中、Ｅ_ＳおよびＥ_Ｒは、それぞれ入力ポート２０８_１および２０８_２に供給される光信号の電界である。当業者には、式（３）が従来の光９０度ハイブリッドの機能性に相当し、ＡＷＧ２００の実施形態が、受信機１００（図１）などのコヒーレント受信機におけるこの機能性を実現するために使用できることを意味していることが認識されるであろう。さらに、当業者には、表１に記載された他のアーム長変調関数を使用することにより、結果として、ＡＷＧ２００の出力ポート２３２_１〜２３２_４において、式（３）で与えられる関係と類似の電界Ｅ_ｐ間の関係が得られるであろうことが認識されるであろう。

ＡＷＧのアーム２２２は、典型的には、交差しないように平面上に配列されて、第１の側部エッジ２２４および第２の側部エッジ２２６を有する導波路の平面アレイを形成する。非ゼロ値のΔＬに対応する一実施形態では、平面アレイ内のＡＷＧアーム２２２の長さは、式（２）に従って、平面上の横方向位置の変化とともに単調に増加し、したがって側部エッジ２２４に配置されたＡＷＧアームは最小の長さを有し、側部エッジ２２６に配置されたＡＷＧアームは最大の長さを有する。ΔＬ＝０に対応する別の実施形態では、アーム長変調関数ｌ（ｍ ｍｏｄ Ｍ）によって定義されるチャープパターンが無視される場合、ＡＷＧアーム２２２は全て同じ長さを有する。

図３は、本発明の別の実施形態による、ＡＷＧ１１０（図１）として使用することができるＡＷＧ３００のレイアウトを概略的に示す。ＡＷＧ３００は全体としてＡＷＧ２００（図２）と類似し、この２つのＡＷＧの類似する要素は同一の下２桁を有する符号で示されている。しかし、ＡＷＧ２００とは違って、ＡＷＧ３００はＮ＝８に相当し（図１も参照）、各ＰＤＭ成分に対する偏光デマルチプレクサおよび９０度ハイブリッドとして同時に機能するように設計されている。様々な実施形態において、導波路束３２０は様々な数のＡＷＧアーム３２２を有することができ、最小のアーム数は８である。

ＡＷＧ３００の偏光デマルチプレクサの機能性は、複屈折ゾーン３４０の存在によって可能となる。例えば、各ＡＷＧアーム３２２に対して、ゾーン３４０内のアームの一部分は、比較的高い複屈折を特徴とする導波路材料で構成することができる。ゾーン３４０内のＡＷＧアーム３２２を実現するための別の適切な構成には、薄いＩｎＧａＡｓＰの導光層を有するＩｎＰの深くエッチングされたリッジ（ｒｉｄｇｅ）などの大きなアスペクト比を有する導波路コアを含み得る。複屈折ゾーン３４０は、導波路束３２０全体、またはその一部分のみを含んでもよい。ゾーン３４０内の導波路は、複屈折材料を使用しても使用しなくてもよい。上記の材料に加えて、ゾーン３４０内の導波路を実現するための他の適切な材料には、Ｓｉ、ＩｎＧａＡｓ、ＳｉＯ_２、およびＳｉＯＮがあり得る。

平面の光導波路の複屈折部分の例示的な設計および製作方法は、例えば２００８年８月１９日に出願された米国特許出願第１２／１９４，３５２号に記載されており、この特許出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。これらの設計および方法は、ゾーン３４０内のＡＷＧ導波路アーム３２２の各部分を実現するために有用となり得る。

複屈折ゾーン３４０により、式（３）に対応する出力信号のそれぞれは、ＴＥ偏光モードおよびＴＭ偏光モードにそれぞれ相当する２つの空間的に分離された成分に分割される。偏光依存性波長分割（ＰＤＷＳ）の大きさは、一般には導波路束３２０内の、具体的にはゾーン３４０内のＴＥモードおよびＴＭモードに対する実効的な屈折率の差によって決まる。したがって、複屈折ゾーン３４０を実現するための材料は、導波路カプラ３３０の出力面３２８において８つの出力導波路３３２が隣り合わせに配置できるように、ＰＤＷＳが十分大きくなるように選ばれる。式（４ａ〜４ｂ）は、それぞれＡＷＧ３００の出力ポート３３２_１Ｘ〜３３２_４Ｘおよび３３２_１Ｙ〜３３２_４Ｙにおける電界Ｅ_ｐＸと電界Ｅ_ｐＹとの関係を近似的に与え、

式中、Ｅ_ＳＸおよびＥ_ＳＹは、それぞれＡＷＧ３００の入力ポート３０８_１に供給される光信号（例えば、図１の光通信信号１０２）のＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対応する電界であり、Ｅ_ＲＸおよびＥ_ＲＹは、それぞれＡＷＧの入力ポート３０８_２に供給される光信号（例えば、図１のＬＯ信号１０４）のＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対応する電界である。式（４ａ〜４ｂ）は、ＡＷＧ３００が、２つの理由で、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に対する偏光デマルチプレクサ、ならびに偏光のそれぞれに対する光９０度ハイブリッドとして同時に働くことを示している。第１に、第１の組の光出力ポート３３２_１Ｘ〜３３２_４Ｘおよび第２の組の光出力ポート３３２_１Ｙ〜３３２_４Ｙの異なる光出力ポートは、異なる相対位相の組合せを有する、信号光および局部発信器光の組合せを出力する。すなわち、光９０度ハイブリッドにおいてなされるように出力する。第２に、第１の組の光出力ポート３３２_１Ｘ〜３３２_４Ｘは、一方の偏光成分に対してそうした組合せを出力し、第２の組の光出力ポート３３２_１Ｙ〜３３２_４Ｙは、他方の相対的に直交する偏光成分に対してそうした組合せを出力する。すなわち、偏光デマルチプレクサにおいてなされるように出力する。

図４は、本発明のさらに別の実施形態による、ＡＷＧ１１０（図１）として使用できるＡＷＧ４００のレイアウトを概略的に示す。ＡＷＧ４００は、全体にＡＷＧ２００（図２）と類似しており、この２つのＡＷＧの類似する要素は同一の下２桁を有する符号で示されている。しかし、ＡＷＧ２００とは違って、ＡＷＧ４００は、Ｎ＝８に相当し（図１も参照）、ＷＤＭ成分のそれぞれ（搬送波波長λ１およびλ２をそれぞれ有する）に対して、２チャネルの波長デマルチプレクサおよび９０度ハイブリッドとして同時に機能するように設計されている。当業者には、ＡＷＧ４００の設計は、任意の所望の整数ｎ（＞２）個のＷＤＭチャネルに対して一般化でき、この一般化により出力導波路４３２の数がＮ＝４ｎになるであろうことが理解されるであろう。様々な実施形態において、導波路束４２０は、様々な数のＡＷＧアーム４２２を有することができ、可能な最少のアーム数は４ｎである。

波長デマルチプレクサとして働くことができるＡＷＧは、当技術分野では知られている。ＡＷＧ４００の波長デマルチプレクサの機能性は、ある従来技術のＡＷＧのものと全体的に同様であるため、ここではその詳細な説明はしない。さらなる詳細については、適切な説明を見出すことができる、例えば上記の米国特許第５，９０９，５２２号および第６，０４９，６４０号を参照されたい。

ＡＷＧ４００の追加された９０度ハイブリッドの機能性は、ＡＷＧ２００のものと同様であり、チャープパターン（例えば、表１に記載された離散関数の１つによって定義される）によって可能となる。実際には、チャープパターンによって、ＡＷＧ４００の波長デマルチプレクサの機能性に従って生成された各多重分離されたＷＤＭ信号が式（３）に従って４通りに分割される。ＡＷＧ４００は、例えば検出器アレイ１２０（図１）においてさらに処理するために、分割されたＷＤＭ成分に対応する混合信号を捉え導くための、導波路カプラ４３０の出力面４２８に適切に配置された８つの出力導波路４３２_λ１，１〜４３２_λ１，４および４３２_λ２，１〜４３２_λ２，４を有する。

図５Ａ〜Ｂは、本発明のさらに別の実施形態による、ＡＷＧ１１０（図１）として使用することができるＡＷＧ５００の概略図を示す。より具体的には、図５ＡはＡＷＧ５００のブロック図を示す。図５ＢはＡＷＧ５００のレイアウトを概略的に示す。ＡＷＧ５００は、全体としてＡＷＧ３００（図３）と類似しており、この２つのＡＷＧの類似する要素は同一の下２桁を有する符号で示されている。しかし、ＡＷＧ３００とは違って、ＡＷＧ５００は、Ｎ＝３２に相当し（図１も参照）、４チャネルの波長デマルチプレクサ、４つのＷＤＭチャネルのそれぞれに対する偏光デマルチプレクサ、および４つのＷＤＭチャネルそれぞれの２つの直交偏光のそれぞれに対する９０度ハイブリッドとして同時に機能するように設計されている。例示的に、４つのＷＤＭチャネルが搬送波波長λ１〜λ４を有するものとして示されており、ここで、λ１＜λ２＜λ３＜４である。

ＡＷＧ５００の偏光デマルチプレクサの機能性は、複屈折ゾーン５４０によって可能となる。ＡＷＧ５００の９０度ハイブリッドの機能性は、ＡＷＧアーム５２２のチャープパターン（例えば、表１に記載された離散関数の１つによって定義される）によって可能となる。実際には、複屈折ゾーン５４０およびＡＷＧアーム５２２のチャープパターンにより、ＡＷＧ５００の従来の波長デマルチプレクサの機能性に従って生成された各多重分離された信号Ｓが１組の８つの出力ポート５３２_Ｓ１、５３２_Ｓ２〜５３２_Ｓ８に送られる。すなわち、ＡＷＧ５００の１組の８つの出力ポートは、式（４ａ〜４ｂ）に従って、各入力ＷＤＭ波長チャネルに対して信号光と局部発信器光との８つの異なる相対位相および偏光の組合せを出力する。ＡＷＧ５００は、例えば検出器アレイ１２０（図１）においてさらに処理するために、分割されたＷＤＭ／ＰＤＭ成分に対応する混合信号を捉え導くために、導波路カプラ５３０の出力面５２８に適切に配置された３２個の出力導波路５３２を有する。

図５Ａのブロック図は、入力ポート５０８_１に供給される入力信号（例えば、図１の光通信信号１０２）の様々なＷＤＭ／ＰＤＭ成分に対応する様々な出力導波路５３２の相対的な空間的配置を示す。より具体的には、出力導波路５３２において生成される様々な混合信号に符号を付けるため、以下の術語を図５Ａにおいて使用する。（１）λ_ｉは波長を示し、ここでｉ＝１、２、３、４であり、（２）１Ｘ、２Ｘ、３Ｘ、および４Ｘは、式（４ａ）の４つの行に対応するＴＥ偏光した混合信号を示し、（３）１Ｙ、２Ｙ、３Ｙおよび４Ｙは、式（４ｂ）の４つの行に対応するＴＭ偏光した混合信号を示す。

当業者には、ＡＷＧ５００の設計は、任意の所望の数ｎ（ここで、２≦ｎ≦ｎ_ｍａｘである）個のＷＤＭチャネルに対して一般化でき、この一般化により出力導波路５３２の数がＮ＝８ｎとなるであろうことが理解されるであろう。そうした設計において収容できる最大のＷＤＭチャネル数（ｎ_ｍａｘ）は、ＡＷＧにおける偏光依存性波長分割（ＰＤＷＳ）により決まり、式（５）で与えられ、

式中、Δλはチャネル間隔である。ＰＤＷＳは式（６）により、次のように表わされ、

式中、λ_ｃはＡＷＧのＷＤＭチャネルに対する平均的な波長であり、ｎ_ＴＥは波長λ_ｃにおけるＴＥ偏光モードに対する実効的な屈折率であり、ｎ_ＴＭは波長λ_ｃにおけるＴＭ偏光モードに対する実効的な屈折率である。様々な実施形態において、導波路束５２０は様々な数のＡＷＧ導波路アーム５２２を有することが可能であり、最小のアーム数は８ｎである。一実施形態において、ＡＷＧ５００は、１００個のＡＷＧ導波路アーム５２２を有し、２１次の回折次数で動作するように設計されており、約２００ＧＨｚのチャネル間隔Δλを有する。

本発明の様々な実施形態の１つの利点は、デバイスがフォトニック集積回路（ＰＩＣ）技術を使用して実現されるときでさえ、ハイブリッドの９０度位相特性を極めて正確なものとすることができることである。ちなみに、ＰＩＣ技術を使用して実現した従来技術の９０度ハイブリッドでは、９０度ハイブリッドの様々な出力に対する位相差は、典型的には、単一の素子、例えばハイブリッドで使用されるマルチモード干渉カプラによって決定されるため、９０度から著しくずれる可能性がある。したがって、この単一の素子の誤差または精度の低さ（例えば、製造工程中の寸法における）が比較的わずかであっても、必要とされる９０度から位相差が著しくずれる可能性がある。対照的に、本発明の様々な実施形態では、１つの特定のＡＷＧアームの長さにおける小さな誤差は、多数のＡＷＧアームにわたる効果的な平均化によって軽減されるため、位相に深刻な影響を及ぼさない。

本発明は、例示的な実施形態を参照して説明してきたが、この説明は限定的な意味で解釈されるべきものではない。本発明の実施形態をＴＥ偏光モードおよびＴＭ偏光モードに関して説明してきたが、本発明の様々な実施形態は、例えば（１）左円偏光および右円偏光、ならびに（２）相互に直交する直線偏光を使用する任意の適切な偏光多重信号を処理するために使用することもできる。説明した実施形態の様々な変更形態、ならびに本発明の他の実施形態は、本発明が関係する当業者には明らかであるが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の原理と範囲の範囲内にあるものと見なされる。

本明細書で使用される場合、「光ハイブリッド」という用語は、ある搬送波周波数を有する光入力信号と同一の搬送波周波数を有する局部発信器信号とを混合して、入力信号とＬＯ信号間の様々な相対位相シフトに対応する複数の混合信号を生成するように設計された光混合器を指す。光９０度ハイブリッドは、約０度、９０度、１８０度および２７０度の入力信号とＬＯ信号間の相対位相シフトにそれぞれ対応する少なくとも４つの混合信号を生成するように設計された特定のタイプの光ハイブリッドである。当業者には、位相シフトのそれぞれは、３６０度の整数倍の位相シフトの追加が可能であることを説明するまでもなく定義されることが理解されよう。

本発明は、単一の集積回路またはパッケージ上で実現可能であることを含め、自由空間光系および／または導波路回路を使用して実現することができる。

別途明示的に述べられていない場合は、各数値および範囲は、あたかも「ほぼ」または「約」という言葉が、その数値または範囲の値の前に付されているように、近似的なものであるとして解釈されるべきである。

本発明の本質を説明するために説明し例示してきた部品の詳細、材料、および構成における様々な変更は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、当業者により可能であることが、さらに理解されよう。

添付の方法クレームにおける各要素は、もしある場合は、対応する符号を付けて特定の順序で記載されているが、クレームの記載がその他の方法でこれらの要素のいくつかまたは全てを実現するための特定の順序を暗示していない場合は、これらの要素は、必ずしもこの特定の順序で実現されることに限定されるべきものではない。

本明細書において、「一実施形態」または「１つの実施形態」に言及する場合、この実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも一実施形態に含まれ得ることを意味する。本明細書の様々な場所で「一実施形態において」という語句が現われる場合、必ずしも全て同一の実施形態に言及しているわけではなく、別のまたは代わりの実施形態が必ずしも相互に他の実施形態を排除するものでもない。同じことが「実現」という用語にも当てはまる。

詳細な説明を通して、図面は、正確な縮尺ではなく、単に例示的なものであり、本発明を限定するというよりも説明するために使用されている。高さ、長さ、幅、上部、底部などの用語は、もっぱら本発明の説明を容易にするために使用されており、具体的な向きに本発明を限定するために使用されるものではない。例えば、高さは、単に垂直方向の立ち上がりに限定した意味ではなく、図に示すような３次元構造の３つの次元の１つを識別するために使用されている。そうした「高さ」は、電極が水平ならば垂直であるが、電極が垂直ならば水平である、などである。同様に、全ての図は様々な層を水平な層として示しているが、そうした向きは単に便宜的なものであり、限定的に解釈されるべきではない。

また、本説明のための、「結合する」、「結合している」、「結合される」、「接続する」、「接続している」、または「接続される」という用語は、エネルギーを２つ以上の要素間で伝達することができ、必須ではないが、１つまたは複数の要素の挿入が予期される当技術分野、またはより最近開発された技術分野において知られている任意の様式を指している。逆に、「直接結合される」、「直接接続される」などの用語は、そうした追加の要素が存在しないことを意味する。

Claims (9)

1. 平坦な表面を有する基板と、
   前記表面に沿って存在し、第１および第２の光入力端子、ならびに第１の空間配列した光出力端子を有する第１の光スターカプラと、
   前記表面に沿って存在し、第２の空間配列した光入力端子および第３の空間配列した光出力端子を有する第２の光スターカプラと、
   それぞれが、前記第１の空間配列の１つの光出力端子を前記第２の空間配列の対応する光入力端子に接続する導波路アームのアレイであって、前記第３の空間配列の第１の組の４つの光出力端子が、ほぼ同じ波長の前記第１および第２の光入力端子において受信される光に応答して、前記第１および第２の光入力端子において受信される前記光の４つの異なる相対位相の組合せを受信するように構成される、導波路アームのアレイと
   を有するアレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）を備える装置であって、
   前記４つの異なる相対位相の組合せは、０、π／２ラジアン、πラジアン、及び３π／２ラジアンの相対位相を有する、前記第１および第２の光入力端子からの前記光の組合せである、装置。
2. 前記導波路アームのアレイは、前記第３の配列の別の第２の組の４つの光出力端子が前記光の４つの異なる相対位相の第２の組合せを受信するように構成され、前記第２の組合せは、前記第３の配列の前記第１の組の光出力端子に出力される前記光の偏光とほほ直交する前記光の成分の偏光である、請求項１に記載の装置。
3. 前記導波路アームのアレイは、前記第３の配列の別の第２の組の４つの光出力端子が前記光の４つの異なる相対位相の第２の組合せを受信するように構成され、前記第２の組合せは、前記第３の配列の前記第１の組の光出力端子に出力される前記光の波長とは異なる波長を有する、請求項１に記載の装置。
4. 前記導波路アームの少なくともいくつかに対して、前記アームの少なくとも一部分は複屈折導波路を備える装置であって、
   第１の偏光と前記第１の偏光にほぼ直交する第２の偏光との間で光電力を分配するように、前記第２の光入力端子において受信される前記光の偏光を変化させるように構成される偏光制御素子をさらに備える、請求項２に記載の装置。
5. 前記ＡＷＧは、ｎチャネルの波長デマルチプレクサとして機能するようになされ、ここでｎは１より大きい正の整数であって、
   前記第３の空間配列した光出力端子が４ｎ個の光出力端子を備え、それぞれは、（１）搬送波波長、ならびに（２）前記第１および第２の光入力端子に供給される前記光間の相対位相シフトの値のうちの少なくとも１つにおいて、残りの（４ｎ−１）個の混合信号のそれぞれとは異なる、対応する混合信号を受信するためのものである、請求項３に記載の装置。
6. 前記導波路アームのアレイは４つの導波路アームの周期を有する周期的なチャープパターンを含み、
   前記チャープパターンは、選択される順番に配列される
   （１）２つのゼロ、
   

   

   、および
   

   

   、または
   （２）２つのゼロ、
   

   

   、および
   

   

   からなり、式中、λ_ｃは前記ＡＷＧの１つまたは複数の波長チャネルに対応する波長である、請求項１に記載の装置。
7. それぞれが、前記第３の空間配列した光出力端子の対応する出力端子と光学的に結合され、対応する光出力信号を電気信号に変換するようになされた光検出器のアレイと、
   前記光検出器のアレイによって生成された前記電気信号を対応するディジタル信号に変換するようになされたアナログ・ディジタル・コンバータと、
   前記ディジタル信号を受信するディジタル信号プロセッサであって、
   前記第１の光入力端子に供給される光入力信号が複数の独立に変調された成分を含み、
   前記ディジタル信号プロセッサは、前記ディジタル信号を処理して前記独立に変調された成分のそれぞれによって搬送されたデータを復元するようになされ、前記複数の独立に変調された成分は２つ以上のＷＤＭ成分を有する、ディジタル信号プロセッサと
   をさらに備える光受信機である、請求項１に記載の装置。
8. 前記複数の独立に変調された成分は２つ以上のＰＤＭ成分も含む、請求項７に記載の装置。
9. （ａ）平坦な表面を有する基板と、
   前記表面に沿って存在し、第１および第２の光入力端子、ならびに第１の空間配列した光出力端子を有する第１の光スターカプラと、
   前記表面に沿って存在し、第２の空間配列した光入力端子および第３の空間配列した光出力端子を有する第２の光スターカプラと、
   それぞれが、前記第１の空間配列の１つの光出力端子を前記第２の空間配列の対応する光入力端子に接続する導波路アームのアレイと
   を備える、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）を設けるステップと、
   （ｂ）（１）光入力信号を第１の光入力端子に、および（２）局部発信器信号を前記ＡＷＧの第２の光入力端子に供給して、前記第３の空間配列の１組の４つの光出力端子において、前記光入力信号と前記局部発信器信号の４つの異なる相対位相の組合せを生成するステップであって、前記４つの異なる相対位相の組合せは、０、π／２ラジアン、πラジアン、及び３π／２ラジアンの相対位相を有する、前記第１および第２の光入力端子からの前記光の組合せである、ステップと
   を含む光信号を処理する方法。

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