JP5758779B2 - 光ハイブリッド回路、光受信器および光カプラ - Google Patents
光ハイブリッド回路、光受信器および光カプラ Download PDFInfo
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Description
図1は、実施の形態1に係る光ハイブリッド回路の概略的な構成を示した図である。図1を参照して、実施の形態1に係る光ハイブリッド回路100は、平行四辺形形状の2:2光カプラ1と、平行四辺形形状の4:4MMI(多モード干渉計)カプラ2と、長方形形状の2:2光カプラ3と、光導波路5,10,17,18,19,20とを備える。なお2:2光カプラ1、4:4MMIカプラ2、2:2光カプラ3も、光導波路である。2:2光カプラ1と、4:4多モード干渉カプラ2と、2:2光カプラ3とは縦続接続される。
(2:2MMIカプラ)
図2は、平行四辺形形状の2:2光カプラと長方形形状の2:2光カプラとを対比した図である。図2(a)は、長方形形状の2:2光カプラを示す。図2(b)は、平行四辺形形状の2:2光カプラを示す。
同様に平行四辺形形状の2:2光カプラの場合も、カプラの幅Wと長さLを選択することで、出力端の幅方向中心位置C2に関し、入力端の入力光位置(入力ポート1)と同じ位置(出力ポート1)および対称な位置(出力ポート2)の2ヶ所に、入力ビーム径と同じビーム径を有し、かつ強度が等分された2つの出力光を得ることができる。
の出力光の位相が(π/2+α)だけ異なる。αは、平行四辺形の頂角と90°との差(
図2(b)に示した傾斜角度θ)にほぼ比例した光位相の変化量であり、φ’は、共通する位相である。
図1に示した光ハイブリッド回路は、たとえば半導体光導波路によって実現される。図3は、実施の形態1に係る光ハイブリッド回路を構成する半導体光導波路の一例を示す断面模式図である。図3を参照して、光ハイブリッド回路は、InP基板50と、InGaAsP層51と、InP層52とを有する。図3に示した構造体は、たとえば以下の方法により作成される。まずInP基板50上にInGaAsP層51とInP層52とをこの順にエピタキシャル成長によって成長させたウエハを準備する。次にウエハの所定の部分がドライエッチングによって除去される。これにより、InGaAsP層51をコア層として備えるハイメサ半導体導波路を作製できる。
(4:4MMIカプラ)
図1に示した4:4MMIカプラ2について詳細に説明する。図4は、平行四辺形形状の4:4MMIカプラと長方形形状の4:4MMIカプラとを対比して説明した図である。図4(a)は、長方形形状の4:4MMIカプラを示し、図4(b)は、平行四辺形形状の4:4MMIカプラを示している。
ここで入力端の幅方向中心位置C1に対して非対称に位置する2つの入力ポート(たとえば入力ポート1と3)に光が入力される場合、出力ポート1〜4での位相差は、それぞれπ/4、−3π/4、π/4、−3π/4、となる。出力ポート1,4が対となった出力チャネルでは、位相差がπとなり、入射光が逆相で干渉する。出力ポート2,3が対となった出力チャネルでも、位相差がπとなり、入射光が逆相で干渉する。ただし、後者のチャネルでは、前者の出力チャネルと位相がπ/2異なる。したがって光90°ハイブリッドの特性が得られる。
たとえば、C帯あるいはL帯の波長域で光90°ハイブリッドを使用する場合には、図4(a)に示す長方形形状の4:4MMIカプラは、たとえば、前述の入力側2:2光カプラの場合と同様の構造を有する半導体ウエハによって実現される。具体的な一例を示すと、カプラの幅Wおよび長さLがそれぞれ12.0μm、313μmに設計される。入力用導波路および出力用導波路の幅はたとえば2.0μmと設計される。4つの入力ポートの中心位置は、カプラの入力端の幅方向中心位置C1から±4.5μm(=±3W/8)および±1.5μm(=±W/8)離れた位置に定められる。同じく4つの出力ポートの中心位置がカプラの出力端の幅方向中心位置C2の中心位置から±4.5μm(=±3W/8)および±1.5μm(=±W/8)離れた位置に定められる。これにより上述の特性を有する4:4MMIカプラが得られる。
平行四辺形形状の4:4MMIカプラの入力ポート1〜4の各々に入力光を入れる場合の出力ポート1〜4における光の位相について説明する。入力光の位相を0とし、入力ポート1〜4に対して共通の位相を省略して表示する。式(8)から、入力ポート1に入射された入力光の位相に対する出力ポート1〜4での出力光の位相は、それぞれ、0、π、−π/4、−3π/4となる。入力ポート2に対する出力ポート1〜4での出力光の位相は、それぞれ、−π/2、0、−π/4、−π/4となる。入力ポート3に対する出力ポート1〜4での出力光の位相は、それぞれ、+3π/4、+π/4、0、πとなる。入力ポート4に対する出力ポート1〜4での出力光の位相は、それぞれ、3π/4、3π/4、−π/2、0となる。
図1を再び参照して、平行四辺形形状の2:2MMIカプラ1と、平行四辺形形状の4:4MMIカプラ2とを組み合わせた構成について説明する。
実施の形態2に係る光ハイブリッド回路も、実施の形態1と同じく、4値位相変調(QPSK)または差動4値位相変調(DQPSK)方式の光伝送信号の復調に用いられる。
式(16)から、入力ポート1に光が入力された場合、出力ポート1〜4には等しい光強度で位相が異なる光が出力され、出力ポート1〜4における出力光の位相が、それぞれ、−π/2、0、π/2、−π/2となることが分かる。同じく式(16)から、入力ポート2に光が入力された場合にも、出力ポート1〜4には等しい光強度で位相が異なる光が出力され、各出力ポート1〜4における出力光の位相が、それぞれ、0、−π/2、0、0となることが分かる。
同様に、2:4MMIカプラ22の第2の入力ポートに電界振幅がI、位相が0の入射光を入れる場合、平行四辺形形状の2:4MMIカプラ22の第1および第2の出力ポートおよび2:2光カプラ3の第1および第2の出力ポートの電界振幅は、式(16)の関係から、
式(17)の右辺の各要素と式(18)の右辺の各要素との間で位相を比較する。これにより、2:4MMIカプラ2の第1および第2の出力ポートと、2:2光カプラ3の第1および第2の出力ポートとにおける、2つの入力光による出力信号光の相対位相差が、それぞれ、−π/2、π/2、π、0になることがわかる。
実施の形態3に係る光受信器は、4値位相変調(QPSK)または差動4値位相変調(DQPSK)方式の光伝送信号の復調に用いられるデジタルコヒーレント光受信器である。
)で策定された100G−DP−QPSK方式の規格に準拠した仕様のものである。
実施の形態4に係る光ハイブリッド回路も、実施の形態1,2と同じく、4値位相変調(QPSK)または差動4値位相変調(DQPSK)方式の光伝送信号の復調に用いられる。
実施の形態5に係る光ハイブリッド回路も、実施の形態1,2,4と同じく、4値位相変調(QPSK)または差動4値位相変調(DQPSK)方式の光伝送信号の復調に用いられる。
Claims (10)
- 2つの入力ポートが設けられた入力端と、2つの出力ポートが設けられた出力端とを有する第1の2:2光カプラと、
前記第1の2:2光カプラの前記2つの入力ポートのいずれか一方に接続された第1の入力光導波路と、
第2の入力光導波路と、
4:4多モード干渉カプラとを備え、前記4:4多モード干渉カプラは、
4つの入力ポートが設けられた入力端と、
互いに隣接する2つのポートを有する第1の出力チャネルおよび互いに隣接する2つのポートを有する第2の出力チャネルが設けられた出力端とを含み、
前記4:4多モード干渉カプラの入力端の幅と前記4:4多モード干渉カプラの出力端の幅とは等しく、
前記4つの入力ポートのうち、前記4:4多モード干渉カプラの入力端の中央に配置された2つの入力ポートは、前記第1の2:2光カプラの前記2つの出力ポートにそれぞれ接続され、
前記4つの入力ポートのうちの残りの2つの入力ポートのいずれか一方は、前記第2の入力光導波路に接続され、
前記4:4多モード干渉カプラの前記第2の出力チャネルに接続された1つの入力チャネルと、1対の光信号を出力するための第3の出力チャネルとを有する第2の2:2光カプラをさらに備え、
前記第1および第2の入力光導波路に第1および第2の入力信号光がそれぞれ入力された際に、前記第1および第3の出力チャネルからそれぞれ出力される第1の出力光信号対と第2の出力光信号対とが直交位相関係にあり、前記第1の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであり、前記第2の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであるという条件を満たすように、前記第1および第2の2:2光カプラならびに前記4:4多モード干渉カプラの形状が選ばれており、
前記第1の2:2光カプラは、平行四辺形形状の多モード干渉カプラであり、
前記第2の2:2光カプラの形状は、長方形であり、
前記4:4多モード干渉カプラは、平行四辺形形状を有し、
前記第1の2:2光カプラから出力された2つの出力光の間の相対的位相差が、前記第1の2:2光カプラの平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された2:2光カプラから出力された2つの出力光の間の相対的位相差に比較して、π/4+2p×π(pは整数)だけ異なるように、前記第1の2:2光カプラの平行四辺形の前記頂角が定められ、
前記4:4多モード干渉カプラの第1および第2の出力チャネルの各々から出力された出力光対の間の相対的位相差が、前記4:4多モード干渉カプラの平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された4:4多モード干渉カプラから出力された、対応する出力光対の間の相対的位相差と比較して、π/4+2q×π(qは整数)だけ異なるように、前記4:4多モード干渉カプラの平行四辺形の頂角が定められる、光ハイブリッド回路。 - 前記1つの入力チャネルに含まれる2つの入力ポートは、前記第2の2:2光カプラの幅方向中心位置に対して互いに対称に前記第2の2:2光カプラの入力端に配置され、
前記第3の出力チャネルに含まれる2つの出力ポートは、前記第2の2:2光カプラの幅方向中心位置に対して互いに対称に前記第2の2:2光カプラの出力端に配置される、請求項1に記載の光ハイブリッド回路。 - 2つの入力ポートが設けられた入力端と、2つの出力ポートが設けられた出力端とを有する第1の2:2光カプラと、
前記第1の2:2光カプラの前記2つの入力ポートのいずれか一方に接続された第1の入力光導波路と、
第2の入力光導波路と、
4:4多モード干渉カプラとを備え、前記4:4多モード干渉カプラは、
4つの入力ポートが設けられた入力端と、
互いに隣接する2つのポートを有する第1の出力チャネルおよび互いに隣接する2つのポートを有する第2の出力チャネルが設けられた出力端とを含み、
前記4:4多モード干渉カプラの入力端の幅と前記4:4多モード干渉カプラの出力端の幅とは等しく、
前記4つの入力ポートのうち、前記4:4多モード干渉カプラの入力端の中央に配置された2つの入力ポートは、前記第1の2:2光カプラの前記2つの出力ポートにそれぞれ接続され、
前記4つの入力ポートのうちの残りの2つの入力ポートのいずれか一方は、前記第2の入力光導波路に接続され、
前記4:4多モード干渉カプラの前記第2の出力チャネルに接続された1つの入力チャネルと、1対の光信号を出力するための第3の出力チャネルとを有する第2の2:2光カプラをさらに備え、
前記第1および第2の2:2光カプラならびに前記4:4多モード干渉カプラの形状は長方形であり、前記第2の2:2光カプラおよび前記4:4多モード干渉カプラの間に位相シフタを有し、
前記第1および第2の入力光導波路に第1および第2の入力信号光がそれぞれ入力された際に、前記第1および第3の出力チャネルからそれぞれ出力される第1の出力光信号対と第2の出力光信号対とが直交位相関係にあり、前記第1の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであり、前記第2の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであるという条件を満たすように、前記位相シフタの位相シフト量が、π/4+2p×π(pは整数)に調整されている、光ハイブリッド回路。 - 2つの入力ポートが設けられた入力端と、各々が2つの出力ポートを有する第1および第2の出力チャネルが設けられた出力端とを有し、平行四辺形に形成された2:4多モード干渉カプラと、
前記2:4多モード干渉カプラの前記第2の出力チャネルに接続された第1の入力チャネルと、第3の出力チャネルとを有し、長方形に形成された2:2光カプラとを備え、
前記2つの入力ポートは、前記2:4多モード干渉カプラの幅方向中心位置に対して互いに対称に前記2:4多モード干渉カプラの入力端に配置され、
前記第1の出力チャネルおよび前記第2の出力チャネルの各々は、隣接して配置された2つの出力ポートを含み、
前記2つの入力ポートに第1および第2の入力信号光がそれぞれ入力された際に、前記第1および第3の出力チャネルからそれぞれ出力される第1の出力光信号対と第2の出力光信号対とが直交位相関係にあり、前記第1の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであり、前記第2の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであるように、前記2:4多モード干渉カプラおよび前記2:2光カプラの形状が選ばれており、
前記2:4多モード干渉カプラの第1および第2の出力チャネルの各々から出力された出力光対の間の相対的位相差が、前記2:4多モード干渉カプラの平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された2:4多モード干渉カプラから出力された、対応する出力光対の間の相対的位相差と比較して、π/4+2q×π(qは整数)だけ異なるように、前記2:4多モード干渉カプラの平行四辺形の頂角が定められる、光ハイブリッド回路。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光ハイブリッド回路と、
前記第1および第3の出力チャネルからそれぞれ出力される前記第1の出力光対と前記第2の出力光対とをアナログ電気信号に各々変換する光電変換回路と、
前記アナログ電気信号をデジタル電気信号に変換するアナログデジタル変換回路と、
前記デジタル電気信号を用いて所定の演算を実行する演算回路とを備える、光受信器。 - 平行四辺形の形状を有する光導波路と、
前記光導波路に設けられる第1および第2の入力ポートを有する1つの入力チャネルと、
前記光導波路に設けられる第1および第2の出力ポートを有する1つの出力チャネルとを備え、
前記第1および第2の出力ポートからそれぞれ出力される2つの出力光の間の相対的位相差が、前記平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された2:2光カプラから出力された2つの出力光の間の相対的位相差と比較して、π/4+2p×π(pは整数)だけ異なるように、前記平行四辺形の頂角が定められる、光カプラ。 - 平行四辺形の形状を有する光導波路と、
前記光導波路に設けられる第1および第2の入力ポートを有する1つの入力チャネルと、
前記光導波路に各々設けられる、第1および第2の出力ポートを有する第1の出力チャネルと、第3および第4の出力ポートを有する第2の出力チャネルとを備え、
前記第1および第2の入力ポートが、前記光導波路の入力端において、幅方向中心位置に対して互いに対称となる2つの位置にそれぞれ設けられており、
前記第1および第2の出力チャネルの各々から出力された出力光対の間の相対的位相差が、前記光カプラの平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された光カプラから出力された、対応する出力光対の間の相対的位相差と比較して、π/4+2q×π(qは整数)だけ異なるように、前記平行四辺形の頂角が定められる、光カプラ。 - 平行四辺形の形状を有する光導波路と、
前記光導波路に設けられる第1および第2の入力ポートを有する1つの入力チャネルと、
前記光導波路に各々設けられる、第1および第2の出力ポートを有する第1の出力チャネルと、第3および第4の出力ポートを有する第2の出力チャネルとを備え、
前記第1および第2の出力チャネルの各々から出力された出力光対の間の相対的位相差が、前記光カプラの平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された光カプラから出力された、対応する出力光対の間の相対的位相差と比較して、π/4+2q×π(qは整数)だけ異なるように、前記平行四辺形の頂角が定められており、
4つの入力ポートのうちの幅方向中心位置に対して互いに非対称となる少なくとも2つの位置の入力ポートに光を入射させて、出力ポートから光を出射させる、光カプラ。 - 2つの入力ポートが設けられた入力端と、2つの出力ポートが設けられた出力端とを有する第1の2:2光カプラと、
前記第1の2:2光カプラの前記2つの入力ポートのいずれか一方に接続された第1の入力光導波路と、
第2の入力光導波路と、
4:4多モード干渉カプラとを備え、前記4:4多モード干渉カプラは、
4つの入力ポートが設けられた入力端と、
互いに隣接する2つのポートを有する第1の出力チャネルおよび互いに隣接する2つのポートを有する第2の出力チャネルが設けられた出力端とを含み、
前記4:4多モード干渉カプラの入力端の幅と前記4:4多モード干渉カプラの出力端の幅とは等しく、
前記4つの入力ポートのうち、前記4:4多モード干渉カプラの入力端の中央に配置された2つの入力ポートは、前記第1の2:2光カプラの前記2つの出力ポートにそれぞれ接続され、
前記4つの入力ポートのうちの残りの2つの入力ポートのいずれか一方は、前記第2の入力光導波路に接続され、
前記4:4多モード干渉カプラの前記第2の出力チャネルに接続された1つの入力チャネルと、1対の光信号を出力するための第3の出力チャネルとを有する第2の2:2光カプラをさらに備え、
前記第1および第2の入力光導波路に第1および第2の入力信号光がそれぞれ入力された際に、前記第1および第3の出力チャネルからそれぞれ出力される第1の出力光信号対と第2の出力光信号対とが直交位相関係にあり、前記第1の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであり、前記第2の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであるという条件を満たすように、前記第1および第2の2:2光カプラならびに前記4:4多モード干渉カプラの形状が選ばれており、
前記第1の2:2光カプラの形状は、長方形であり、
前記4:4多モード干渉カプラの形状は、長方形であり、
前記第2の2:2光カプラの形状は、平行四辺形であり、
前記第2の2:2光カプラの2つの出力ポートからそれぞれ出力された2つの出力光の相対的位相差が、前記平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された2:2光カプラから出力された2つの出力光の間の相対的位相差に比較してπ/4+2q×π(qは整数)だけ異なるように、前記平行四辺形の前記頂角が定められる、光ハイブリッド回路。 - 2つの入力ポートが設けられた入力端と、各々が2つの出力ポートを有する第1および第2の出力チャネルが設けられた出力端とを有し、長方形に形成された2:4多モード干渉カプラと、
前記2:4多モード干渉カプラの前記第2の出力チャネルに接続された第1の入力チャ
ネルと、第3の出力チャネルとを有し、平行四辺形に形成された2:2光カプラとを備え、
前記2つの入力ポートは、前記2:4多モード干渉カプラの幅方向中心位置に対して互いに対称に前記2:4多モード干渉カプラの入力端に配置され、
前記第1および第2の出力チャネルの各々は、隣接して配置された2つの出力ポートを含み、
前記2つの入力ポートに第1および第2の入力信号光がそれぞれ入力された際に、前記第1および第3の出力チャネルからそれぞれ出力される第1の出力光信号対と第2の出力光信号対とが直交位相関係にあり、前記第1の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであり、前記第2の出力光信号対に含まれる2つの信号光の間の位相差がπであるという条件を満たすように、前記2:4多モード干渉カプラおよび前記2:2光カプラの形状が選ばれており、
前記2:4多モード干渉カプラの第1および第2の出力チャネルの各々から出力された出力光の間の相対的位相差が、前記2:2光カプラの平行四辺形の幅および長さとそれぞれ等しい幅および長さを有する長方形に形成された2:2光カプラから出力された、対応する出力光対の間の相対的位相差に比較してπ/4+2q×π(qは整数)だけ異なるように、前記2:2光カプラの平行四辺形の頂角が定められる、光ハイブリッド回路。
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