JP5834994B2 - Ｄｐ−ｑｐｓｋ光変調器 - Google Patents

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Description

本発明は、ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器に関する。
通信トラフィックの増大に対応するために高速・大容量化が求められる光伝送システムにおいて、強度変調（On Off Keying）方式よりも伝送容量の増大が可能な位相変調（Phase Shift Keying）方式を採用することが検討されている。位相変調方式の中でも、特に、２つの４位相偏移変調（Quadrature Phase Shift Keying、以下、「ＱＰＳＫ」という場合がある）信号を、それぞれ直交する２つの偏光に載せて伝送する２重偏波４位相偏移変調（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying、以下、「ＤＰ−ＱＰＳＫ」という場合がある）方式は、高速・大容量化が可能な光伝送システムを実現可能な方式として研究が行われている。
下記非特許文献１には、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式の光伝送システムに用いられるＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器が記載されている。下記非特許文献１においては、ハイブリッド集積技術を用いて、２つのＱＰＳＫ光変調器と偏光ビームコンバイナとを集積することにより、ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器を形成している。
図１は、上記非特許文献１に記載されているような従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器の構成を示す模式的な平面図である。図１に示すように、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭＰは、光分岐手段１００と、光変調部３００と、光操作部５００と、を備えている。光変調部３００は、第１〜第４マッハツェンダ干渉計３０１、３０２、３０３、３０４を有する。光操作部５００は、π／２シフタ５０１、５０２と、偏波回転部５０３と、偏波混合器５０５とを有する。
変調対象である連続光のＴＥ偏波ＴＥは、光分岐手段１００の光導波路１０１に入射する。光導波路１０１は当該光導波路１０１に入射したＴＥ偏波ＴＥを、４つのＴＥ偏波に分岐する機能を有する。具体的には、ＴＥ偏波ＴＥは、光分岐手段１０３、１０５、１０７によって、４つの光導波路１１１、１１２、１１３、１１４内をそれぞれ導波する４つのＴＥ偏波成分Ｉｘｐ、Ｑｘｐ、Ｉｙｐ、Ｑｙｐに分岐される。
４つのＴＥ偏波成分Ｉｘｐ、Ｑｘｐ、Ｉｙｐ、Ｑｙｐは、それぞれ光変調部３００の第１〜第４マッハツェンダ干渉計３０１、３０２、３０３、３０４に入射し、当該第１〜第４マッハツェンダ干渉計３０１、３０２、３０３、３０４によって変調した後に、光操作部５００に入射する。
ＴＥ偏波成分Ｑｘｐは、光操作部５００のπ／２シフタ５０１によって、位相がπ／２シフトする。これにより、ＴＥ偏波成分ＩｘｐとＴＥ偏波成分Ｑｘｐの位相差は、９０度となる。その後、ＴＥ偏波成分ＩｘｐとＴＥ偏波成分Ｑｘｐは、光合波手段５０７によって光合波し、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｘｐとなる。
一方、ＴＥ偏波成分Ｑｙｐは、光操作部５００のπ／２シフタ５０２によって、位相がπ／２シフトする。これにより、ＴＥ偏波成分Ｉｙｐの位相とＴＥ偏波成分Ｑｙｐの位相差は、９０度となる。その後、ＴＥ偏波成分ＩｙｐとＴＥ偏波成分Ｑｙｐは、光合波手段５０８によって光合波し、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｙｐとなる。その後、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｙｐは、偏波回転部５０３によって、偏波面が９０度回転し、合波ＴＭ偏波成分ＴＭｙｐとなる。これにより、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｘｐの偏波面と合波ＴＥ偏波成分ＴＥｙｐの偏波面は、直交する。
そして、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｘｐと合波ＴＭ偏波成分ＴＭｙｐは、偏波混合器５０５によって光合波し、直交２重偏波であるＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳが生成され、当該ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳはＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭＰの外部に出力される。
しかしながら、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭＰにおいては、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを得るために、光操作部５００によって、ＴＥ偏波成分ＩｘｐとＴＥ偏波成分Ｑｘｐの光合波、ＴＥ偏波成分ＩｙｐとＴＥ偏波成分Ｑｙｐの光合波、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｙｐの偏波回転、及び、合波ＴＥ偏波成分ＴＥｘｐと合波ＴＭ偏波成分ＴＭｙｐの偏波合波という４つの光学操作を行うために、少なくとも４つの光学素子（光合波手段５０７、光合波手段５０８、偏波回転部５０３、及び、偏波混合器５０５）を用いる必要がある。そのため、そのような４つの光学操作を行う際、少なくとも上記４つの光学素子において光損失が発生してしまうため、ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭＰ全体においてＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを生成する際の光損失が大きくなってしまうという問題があった。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、ＤＰ−ＱＳＰＫ信号光を生成する際の光損失を低減させることが可能なＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器を提供することを目的とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器は、受光した直線偏波を第１〜第４直線偏波成分に分岐させる光分岐手段と、第１〜第４マッハツェンダ干渉計を有する光変調部と、第３直線偏波成分の位相を所定の角度だけ変化させる第１位相変化部と、第４直線偏波成分の位相を所定の角度だけ変化させる第２位相変化部と、第２直線偏波成分と前記第３直線偏波成分とを光合波する光合波部と、マルチモード干渉光導波路と、当該マルチモード干渉光導波路に接続された第１〜第３入力ポート及び出力ポートと、を有するマルチモード干渉カプラと、を備え、マルチモード干渉光導波路の光導波方向と直交する第１方向から見て、マルチモード干渉カプラの第２入力ポートは、第１入力ポートと第３入力ポートとの間に設けられており、第１直線偏波成分は、第１マッハツェンダ干渉計によって変調した後に、マルチモード干渉カプラの第１入力ポートに入射して基本モードで当該第１入力ポート内を導波し、光合波部は、第２マッハツェンダ干渉計によって変調した第２直線偏波成分と、第３マッハツェンダ干渉計によって変調し、かつ、第１位相変化部によって位相が変化した第３直線偏波成分と、を光合波して第５直線偏波成分として出力し、光合波部から出力された第５直線偏波成分は、マルチモード干渉カプラの第２入力ポートに入射して基本モードで当該第２入力ポート内を導波し、第４直線偏波成分は、第４マッハツェンダ干渉計によって変調した後、かつ、第２位相変化部によって位相が変化した後に、マルチモード干渉カプラの第３入力ポートに入射して基本モードで当該第３入力ポート内を導波し、第２入力ポートからマルチモード干渉光導波路内に入射した第５直線偏波成分と、第１入力ポートからマルチモード干渉光導波路内に入射した第１直線偏波成分と、第３入力ポートからマルチモード干渉光導波路内に入射した第４直線偏波成分が、マルチモード干渉光導波路内で光合波され、合波直線偏波として出力ポートに入射するように、かつ、第５直線偏波成分が、マルチモード干渉光導波路内を偏波状態を保ちながら基本モードで導波し、合波直線偏波の一部として出力ポートに入射するように、かつ、第１直線偏波成分及び第４直線偏波成分が、光合波されると共に１次モードに変換されるようにマルチモード干渉光導波路内を偏波状態を保ちながら導波し、合波直線偏波の他の一部である第６直線偏波成分として出力ポートに入射するように、マルチモード干渉カプラは構成されており、出力ポートに入射した合波直線偏波内の第５直線偏波成分が、偏波状態を保ちながら基本モードで当該出力ポート内を導波することにより、かつ、当該出力ポートに入射した合波直線偏波内の第６直線偏波成分が、その偏波面が所定の角度だけ回転すると共に基本モードに変換された第７直線偏波成分に変換されるように当該出力ポート内を導波することにより、合波直線偏波が当該出力ポート内で第５直線偏波成分と第７直線偏波成分からなるＤＰ−ＱＰＳＫ信号光に変換されるように、出力ポートの導波方向と垂直方向の幅は、マルチモード干渉光導波路から離れるに従って漸次減少する、ことを特徴とする。
本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器によれば、マルチモード干渉カプラによって、第１直線偏波成分と第４直線偏波成分との光合波、第５直線偏波成分と第６直線偏波成分の偏波合波、及び、第６直線偏波成分の偏波回転という３つの光学操作を行うことができる。これにより、第２直線偏波成分と第３直線偏波成分との光合波、第１直線偏波成分と第４直線偏波成分との光合波、第６直線偏波成分の偏波回転（第６直線偏波成分の第７直線偏波成分への変換）、及び、第５直線偏波成分と第６直線偏波成分の偏波合波というＤＰ−ＱＳＰＫ信号光を得るための４つの光学操作を、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器における場合よりも少ない２つの光学素子（光合波部及びマルチモード干渉カプラ）によって行うことができる。これにより、光損失が発生し得る光学素子の数を減らすことができる。
その結果、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器によれば、ＤＰ−ＱＳＰＫ信号光を生成する際の光損失を低減させることが可能となる。
さらに、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器においては、出力ポートに入射した第６直線偏波成分が、その偏波面が所定の角度だけ回転すると共に基本モードに変換されるように当該出力ポート内を導波する際、当該第６直線偏波成分の光導波モードの縮退が起こらないように当該出力ポートは形成されていることが好ましい。これにより、第６直線偏波成分が出力ポート内を導波する際の、基本モードへの変換効率を向上させることができる。
さらに、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器においては、第１方向から見て、マルチモード干渉光導波路は、第１〜第３入力ポートと接する直線状の第１外縁と、当該第１外縁と対向し、出力ポートと接する第２外縁と、当該第１外縁と当該第２外縁とに接する第３外縁及び第４外縁とを含み、第１方向から見て、第１入力ポートは、当該第１入力ポートの外縁がマルチモード干渉光導波路の第３外縁と段差無く接続されるように、第１外縁の一端部に接しており、第１方向から見て、第３入力ポートは、当該第３入力ポートの外縁がマルチモード干渉光導波路の第４外縁と段差無く接続されるように、第１外縁の他端部に接していることが好ましい。
これにより、第１入力ポート及び第３入力ポートと、マルチモード干渉光導波路とは直接接触することになるため、これらの界面における光損失は小さくなると共に、第１直線偏波成分及び第４直線偏波成分がマルチモード干渉光導波路内で１次モードに変換されて第６直線偏波成分として合波される際に、当該マルチモード干渉光導波路内において当該１次モードの第６直線偏波成分が結像される点の数が減少するため、第１直線偏波成分及び第４直線偏波成分の合波効率及び１次モードへの変換効率を高くすることができる。その結果、ＤＰ−ＱＳＰＫ信号光を生成する際の光損失をさらに低減させることが可能となる。
さらに、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器においては、第１入力ポートは、１次モードの第１直線偏波成分をカットオフし、第３入力ポートは、１次モードの第４直線偏波成分をカットオフすることが好ましい。これにより、基本モードのみの第１直線偏波成分が第１入力ポート内を導波可能であり、基本モードのみの第４直線偏波成分が第３入力ポート内を導波となるため、マルチモード干渉光導波路内における第１直線偏波成分及び第４直線偏波成分の合波効率及び１次モードへの変換効率を高くすることができる。その結果、ＤＰ−ＱＳＰＫ信号光を生成する際の光損失をさらに低減させることが可能となる。
さらに、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器においては、第１位相変化部は、第３直線偏波成分の位相を略π／２変化させ、第２位相変化部は、第４直線偏波成分の位相を略π／２変化させることが好ましい。これにより、光合波部に入射する直前の第２直線偏波成分の位相と、光合波部に入射する直前の第３直線偏波成分の位相とを略直交させることができ、また、第１入力ポートに入射する直前の第１直線偏波成分の位相と、第３入力ポートに入射する直前の第４直線偏波成分の位相とを略直交させることができる。これにより、より雑音に強いＤＰ−ＱＰＳＫ信号光を生成することが可能となる。
さらに、本発明に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器は、送信すべき電気信号に応じて第１〜第４マッハツェンダ干渉計を駆動させるための制御部をさらに備えることが好ましい。
本発明によれば、ＤＰ−ＱＳＰＫ信号光を生成する際の光損失を低減させることが可能なＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器が提供される。
従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器の構成を示す模式的な平面図である。 実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器の構成を示す模式的な平面図である。 光分岐手段の構成を示す模式的な平面図である。 光分岐手段の断面の例を示す図である。 光変調部及び制御部の構成を示す模式的な平面図である。 光変調部の断面の例を示す図である。 光学操作部の構成を示す模式的な平面図である。 光学操作部のマルチモード干渉カプラ近傍の構成を示す模式的な平面図である。 マルチモード干渉カプラの断面の一例を示す図である。 マルチモード干渉カプラの断面の他の例を示す図である。 マルチモード干渉カプラ内での光強度をシミュレーションによって計算した結果を示す図である。 出力ポート内を光導波する各固有モードの光についての当該出力ポートの幅と実効屈折率の関係の計算結果を示す図である。 出力ポート内を光導波する各固有モードの光についての当該出力ポートの幅と実効屈折率の関係の計算結果を示す図である。
以下、実施の形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
図２は、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器の構成を示す模式的な平面図である。図２に示すように、本実施形態のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭは、光分岐手段１０と、光変調部３０と、光学操作部５０と、制御部７０と、基板８１と、を備えている。光分岐手段１０、光変調部３０、光学操作部５０は、基板８１の主面上に形成されている。図２等においては、直交座標系２を示しており、基板８１の主面と平行な方向にＸ軸とＹ軸を設定し、当該主面と直交する方向にＺ軸を設定している。
光分岐手段１０は、変調対象の直線偏波を受光する。本実施形態では当該変調対象の直線偏波は、ＴＥ（Transverse Electric）偏波ＴＥである。光分岐手段１０は、本実施形態では、光導波路１１、１３、１４、１７、１８、１９、２０、及び、光分岐手段１２、１５、１６を有する。光変調部３０は、第１〜第４マッハツェンダ干渉計３１、３２、３３、３４を有する。光学操作部５０は、本実施形態では、光導波路５１、５２、５３、５４、５８と、第１位相変化部５５と、第２位相変化部５６と、光合波部５７と、マルチモード干渉カプラ６０と、を有する。光学操作部５０は、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを外部に出射する。以下、光分岐手段１０、光変調部３０、光学操作部５０、及び、制御部７０の詳細な構成について説明しながら、ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭの機能について説明する。
（光分岐手段）
図３は、光分岐手段の構成を示す模式的な平面図である。図３に示すように、ＴＥ偏波ＴＥは、光分岐手段１０の光導波路１１に入射する。光分岐手段１０は、受光した変調対象の直線偏波を、同一の偏波状態を有する４つの直線偏波成分に分岐させる機能を有する。
具体的には、光導波路１１は、光分岐手段１２によって光導波路１３と光導波路１４に分岐する。光導波路１３は、光分岐手段１５によって光導波路１７と光導波路１８に分岐し、光導波路１４は、光分岐手段１６によって光導波路１９と光導波路２０とに分岐する。光導波路１１、１３、１４、１７、１８、１９、２０は、それぞれ、光をＸＹ平面に沿った方向に導波させる機能を有し、本実施形態では、Ｚ軸方向に沿った方向を厚さ方向とする平面光導波路である。光分岐手段１２、光分岐手段１５、及び、光分岐手段１６は、例えば、Ｙ分岐型平面光導波路等のＹ分岐型光導波路である。なお、図３に示す平面図においては、光導波路及び光導波路としての機能を有する要素（例えば光分岐手段）については、それらの光導波領域及び光導波方向を規定する部材（詳細は後述する）の形状を実線で示しており、他の部材の図示を省略している。特に断りが無い限り、他の平面図においても、同様である。
図４（Ａ）は、光分岐手段の断面の一例を示す図である。図４（Ａ）は、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）と交差し、かつ、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）の光導波方向と直交する平面で切断した光分岐手段１０の断面を示している。
図４（Ａ）に示すように、本例の光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）は、いわゆる埋め込み型光導波路である。基板８１はシリコン（Ｓｉ）等の単元素半導体材料からなり、光分岐手段１０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されている。主面８１Ｓは、ＸＹ平面に沿って広がる略平坦な基板８１の面である。光分岐手段１０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成された下部クラッド部８２Ａと、下部クラッド部８２Ａ上に形成されたコア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）と、このコア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）を埋め込むように下部クラッド部８２Ａ及びコア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）上に形成された上部クラッド部８３Ａと、を有する。コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）は、シリコン（Ｓｉ）等の単元素半導体材料からなり、その断面は、矩形状である。
下部クラッド部８２Ａ及び上部クラッド部８３Ａは、基板８１を構成する材料と同一の材料を含む化合物（例えばシリコン化合物）からなる。例えば、下部クラッド部８２Ａは、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、上部クラッド部８３Ａは、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる。
本例の埋め込み型光導波路においては、コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）は、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）の形状が、図３の平面図において光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）として実線で示した形状に対応する。
下部クラッド部８２ＡのＺ軸に沿った方向の厚さは、例えば２μｍである。コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）の、その光導波方向と直交する方向（図４（Ａ）の左右方向）の幅は、例えば、５００ｎｍであり、コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）のＺ軸方向に沿った方向の厚さは、例えば、２２０ｎｍである。下部クラッド部８２Ａと直接接触している領域における上部クラッド部８３ＡのＺ軸に沿った方向の厚さは、例えば２μｍである。
図４（Ｂ）は、光分岐手段の断面の他の例を示す図である。図４（Ｂ）は、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）と交差し、かつ、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）の光導波方向と直交する平面で切断した光分岐手段１０の断面を示している。
図４（Ｂ）に示すように、本例の光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）は、いわゆるリッジ型光導波路である。基板８１はＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、光分岐手段１０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されている。光分岐手段１０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されたコア部８２Ｂと、コア部８２Ｂ上に形成された上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）と、コア部８２Ｂ及び上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）を覆うように、これらの上にコンフォーマル形状に形成された保護膜８３Ｂと、を有する。本例においては、基板８１はコア部８２Ｂに対する下部クラッド部として機能する。コア部８２Ｂ上に形成された上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）は、リッジ構造を構成している。上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）は、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、その断面は、矩形状である。
コア部８２Ｂは、ＧａＩｎＡｓＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、保護膜８３Ｂは、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の誘電体材料からなる。
本例のリッジ型光導波路においては、上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）は、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）の形状が、図３の平面図において光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）として実線で示した形状に対応する。
コア部８２ＢのＺ軸に沿った方向の厚さは、例えば５００ｎｍである。上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）の、その光導波方向と直交する方向（図４（Ｂ）の左右方向）の幅は、例えば、２．５μｍであり、上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）のＺ軸方向に沿った方向の厚さは、例えば、９５０ｎｍである。保護膜８３Ｂの厚さは、例えば５００ｎｍである。
また、図３に示すように、光分岐手段１０の光導波路１１に入射したＴＥ偏波ＴＥは、光分岐手段１２によって光導波路１３及び光導波路１４内を導波する２つのＴＥ偏波成分に分岐する。さらに、光導波路１３内を導波するＴＥ偏波成分は、光分岐手段１５によって光導波路１７内を導波する第１直線偏波成分としての第１ＴＥ偏波成分Ｉｙと、光導波路１８内を導波する第２直線偏波成分としての第２ＴＥ偏波成分Ｉｘと、に分岐する。光導波路１４内を導波するＴＥ偏波成分は、光分岐手段１６によって光導波路１９内を導波する第３直線偏波成分としての第３ＴＥ偏波成分Ｑｘと、光導波路２０内を導波する第４直線偏波成分としての第４ＴＥ偏波成分Ｑｙと、に分岐する。
（光変調部及び制御部）
図５は、光変調部及び制御部の構成を示す模式的な平面図である。図５に示すように、光変調部３０は、第１マッハツェンダ干渉計３１、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、及び、第４マッハツェンダ干渉計３４を有する。
第１マッハツェンダ干渉計３１は、光分岐手段１０の光導波路１７（図２、３参照）と光接続されたマッハツェンダ型光導波路３１ｇを有する。同様に、第２マッハツェンダ干渉計３２は、光分岐手段１０の光導波路１８（図２、３参照）と光接続されたマッハツェンダ型光導波路３２ｇを有し、第３マッハツェンダ干渉計３３は、光分岐手段１０の光導波路１９（図２、３参照）と光接続されたマッハツェンダ型光導波路３３ｇを有し、第４マッハツェンダ干渉計３４は、光分岐手段１０の光導波路２０（図２、３参照）と光接続されたマッハツェンダ型光導波路３４ｇを有する。
マッハツェンダ型光導波路３１ｇ、３２ｇ、３３ｇ、３４ｇは、それぞれ、光をＸＹ平面に沿った方向に導波させるための光導波路であり、本実施形態では、Ｚ軸方向に沿った方向を厚さ方向とする平面光導波路である。
また、マッハツェンダ型光導波路３１ｇ、３２ｇ、３３ｇ、３４ｇのそれぞれの中央部は、第１アーム光導波路３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａと、第２アーム光導波路３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３４ｂと、に分岐してから合流している。
第１マッハツェンダ干渉計３１のマッハツェンダ型光導波路３１ｇには、光分岐手段１０の光導波路１７（図４参照）から第１ＴＥ偏波成分Ｉｙが入射する。同様に、第２マッハツェンダ干渉計３２のマッハツェンダ型光導波路３２ｇには、光分岐手段１０の光導波路１８（図４参照）から第２ＴＥ偏波成分Ｉｘが入射し、第３マッハツェンダ干渉計３３のマッハツェンダ型光導波路３３ｇには、光分岐手段１０の光導波路１９（図４参照）から第３ＴＥ偏波成分Ｑｘが入射し、第４マッハツェンダ干渉計３４のマッハツェンダ型光導波路３４ｇには、光分岐手段１０の光導波路２０（図４参照）から第４ＴＥ偏波成分Ｑｙが入射する。
図６（Ａ）は、光変調部の断面の一例を示す図である。図６（Ａ）は、第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）の第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）及び第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）と交差し、かつ、これらの光導波路の光導波方向と直交する平面で切断した光変調部３０の断面を示している。
図６（Ａ）に示すように、本例の第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）及び第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）は、いわゆる埋め込み型光導波路である。基板８１はシリコン（Ｓｉ）等の単元素半導体材料からなり、第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されている。
第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成された下部クラッド部８２Ａと、下部クラッド部８２Ａ上に形成され、Ｚ軸に沿った方向を厚さ方向とするスラブ導波路のコア８５Ａと、スラブ導波路のコア８５Ａの表面の一部上に形成され、Ｘ軸方向に沿った方向に延びる第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）及び第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）と、第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）及び第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）を埋め込むように下部クラッド部８２Ａ、スラブ導波路のコア８５Ａ、及び、第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）及び第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）上に形成された上部クラッド部８３Ａと、電極８７Ａ、８８Ａ、８９Ａと、を有する。
電極８７Ａは、上部クラッド部８３Ａに形成された開口を介して、上部クラッド部８３Ａの上面からスラブ導波路のコア８５Ａのうち平面視で（Ｚ軸方向から見て）第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）と第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）との間にある領域まで延びている。電極８８Ａは、上部クラッド部８３Ａに形成された開口を介して、上部クラッド部８３Ａの上面からスラブ導波路のコア８５Ａのうち平面視で第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）よりもＹ軸方向正側の領域まで延びている。電極８９Ａは、上部クラッド部８３Ａに形成された開口を介して、上部クラッド部８３Ａの上面からスラブ導波路のコア８５Ａのうち平面視で第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）よりもＹ軸方向負側の領域まで延びている。
本例の埋め込み型光導波路においては、第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）は、第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、第１アーム光導波路のコア部３１ａ１（３２ａ１、３３ａ１、３４ａ１）の形状が、図５の平面図において第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）として実線で示した形状に対応する。
同様に、本例の埋め込み型光導波路においては、第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）は、第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、第２アーム光導波路のコア部３１ｂ１（３２ｂ１、３３ｂ１、３４ｂ１）の形状が、図５の平面図において第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）として実線で示した形状に対応する。
マッハツェンダ型光導波路３１ｇ（３２ｇ、３３ｇ、３４ｇ）及びスラブ導波路のコア８５Ａは、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）のコア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）（図４（Ａ）参照）と同様の材料からなる。スラブ導波路のコア８５ＡのＺ軸方向に沿った方向の厚さは、例えば５０ｎｍであり、第１アーム光導波路３１ａ（３２ａ、３３ａ、３４ａ）及び第２アーム光導波路３１ｂ（３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ）のＺ軸方向に沿った方向の厚さは、例えば、１７０ｎｍであり、第１アーム光導波路３１ａ（３２ａ、３３ａ、３４ａ）及び第２アーム光導波路３１ｂ（３２ｂ、３３ｂ、３４ｂ）の、その光導波方向と直交する方向（図６（Ａ）の左右方向）の幅は、例えば５００ｎｍである。
図６（Ｂ）は、光変調部の断面の他の例を示す図である。図６（Ｂ）は、第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）の第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）及び第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）と交差し、かつ、これらの光導波路の光導波方向と直交する平面で切断した光変調部３０の断面を示している。
図６（Ｂ）に示すように、本例の第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）及び第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）は、いわゆるメサ型光導波路である。基板８１はＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されている。
第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）は、それぞれ、基板８１の主面８１Ｓ上にリッジ形状に形成された一対のコア部８２Ｂと、一対のコア部８２Ｂ上にリッジ形状に形成され、Ｘ軸方向に沿った方向に延びる第１アーム光導波路の上部クラッド部３１ａ２（３２ａ２、３３ａ２、３４ａ２）及び第２アーム光導波路の上部クラッド部３１ｂ２（３２ｂ２、３３ｂ２、３４ｂ２）と、基板８１、一対のコア部８２Ｂ、第１アーム光導波路の上部クラッド部３１ａ２（３２ａ２、３３ａ２、３４ａ２）及び第２アーム光導波路の上部クラッド部３１ｂ２（３２ｂ２、３３ｂ２、３４ｂ２）を覆うように、これらの上にコンフォーマル形状に形成された保護膜８３Ｂと、電極８７Ｂ、８８Ｂ、８９Ｂと、を有する。本例においては、基板８１はコア部８２Ｂに対する下部クラッド部として機能する。
電極８７Ｂは、保護膜８３Ｂのうち平面視で（Ｚ軸方向から見て）一対のコア部８２Ｂの間の領域に形成された開口を介して、基板８１上に形成されている。電極８８Ｂは、保護膜８３Ｂのうち平面視で第１アーム光導波路の上部クラッド部３１ａ２（３２ａ２、３３ａ２、３４ａ２）上の領域に形成された開口を介して、当該第１アーム光導波路の上部クラッド部３１ａ２（３２ａ２、３３ａ２、３４ａ２）上に形成されている。電極８９Ｂは、保護膜８３Ｂのうち平面視で第２アーム光導波路の上部クラッド部３１ｂ２（３２ｂ２、３３ｂ２、３４ｂ２）上の領域に形成された開口を介して、当該第２アーム光導波路の上部クラッド部３１ｂ２（３２ｂ２、３３ｂ２、３４ｂ２）上に形成されている。
本例のメサ型光導波路においては、第１アーム光導波路の上部クラッド部３１ａ２（３２ａ２、３３ａ２、３４ａ２）は、第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、第１アーム光導波路の上部クラッド部３１ａ２（３２ａ２、３３ａ２、３４ａ２）の形状が、図５の平面図において第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）として実線で示した形状に対応する。
同様に、本例のメサ型光導波路においては、第２アーム光導波路の上部クラッド部３１ｂ２（３２ｂ２、３３ｂ２、３４ｂ２）は、第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、第２アーム光導波路の上部クラッド部３１ｂ２（３２ｂ２、３３ｂ２、３４ｂ２）の形状が、図５の平面図において第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）として実線で示した形状に対応する。
また、図５に示すように、制御部７０は、第１マッハツェンダ干渉計３１、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、及び、第４マッハツェンダ干渉計３４をそれぞれ駆動させるための第１ドライバ７１、第２ドライバ７２、第３ドライバ７３、及び、第４ドライバ７４と符号化処理部７７と、を有している。符号化処理部７７には、送信すべきデータ信号である電気信号ＥＳが入力される。
符号化処理部７７は、入力された電気信号ＥＳに基づき、ＤＰ−ＱＰＳＫ方式に基づいてプリコーディングがなされた第１チャネル電気信号ＣＳ１、第２チャネル電気信号ＣＳ２、第３チャネル電気信号ＣＳ３、及び、第４チャネル電気信号ＣＳ４を生成し、それぞれ第１ドライバ７１、第２ドライバ７２、第３ドライバ７３、第４ドライバ７４に出力する。
第１ドライバ７１は、第１マッハツェンダ干渉計３１が第１チャネル電気信号ＣＳ１に基づいて第１ＴＥ偏波成分Ｉｙの位相を変調するように、第１マッハツェンダ干渉計３１を制御する。同様に、第２ドライバ７２は、第２マッハツェンダ干渉計３２が第２チャネル電気信号ＣＳ２に基づいて第２ＴＥ偏波成分Ｉｘの位相を変調するように、第２マッハツェンダ干渉計３２を制御し、第３ドライバ７３は、第３マッハツェンダ干渉計３３が第３チャネル電気信号ＣＳ３に基づいて第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相を変調するように、第３マッハツェンダ干渉計３３を制御し、第４ドライバ７４は、第４マッハツェンダ干渉計３４が第４チャネル電気信号ＣＳ４に基づいて第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相を変調するように、第４マッハツェンダ干渉計３４を制御する。
本実施形態では、第１ドライバ７１（又は、第２ドライバ７２、第３ドライバ７３、第４ドライバ７４）によって、第１チャネル電気信号ＣＳ１（又は、第２チャネル電気信号ＣＳ２、第３チャネル電気信号ＣＳ３、第４チャネル電気信号ＣＳ４）に基づき、第１マッハツェンダ干渉計３１（又は、第２マッハツェンダ干渉計３２、第３マッハツェンダ干渉計３３、第４マッハツェンダ干渉計３４）の第１アーム光導波路の第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）に電圧信号Ｖｓを印加すると共に、第２アーム光導波路の第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）に電圧信号−Ｖｓを印加する（即ち、第１アーム光導波路３１ａ（又は、第１アーム光導波路３２ａ、第１アーム光導波路３３ａ、第１アーム光導波路３４ａ）と第２アーム光導波路３１ｂ（又は、第２アーム光導波路３２ｂ、第２アーム光導波路３３ｂ、第２アーム光導波路３４ｂ）とに、互いに絶対値が同じで極性が反対の電圧信号をそれぞれ印加する）。
このような電圧の印加は、例えば、電極８７Ａ（又は電極８７Ｂ）をグラウンド電極として、電極８８Ａ（又は電極８８Ｂ）に電圧信号Ｖｓを印加し、電極８９Ａ（又は電極８９Ｂ）に電圧信号−Ｖｓを印加することにより行うことができる（図６（Ａ）（Ｂ）参照）。これにより、本実施形態では、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ（又は、第２ＴＥ偏波成分Ｉｘ、第３ＴＥ偏波成分Ｑｘ、第４ＴＥ偏波成分Ｑｙ）の位相は、０及びπのいずれかの値となるように変調される。
なお、制御部７０は、光分岐手段１０及び光変調部３０と同様に、基板８１上に形成されていてもよいし（図４、６参照）、基板８１とは別体の基板上に形成されていてもよい。
（光学操作部）
図７は、光学操作部の構成を示す模式的な平面図である。図７に示すように、光学操作部５０は、光導波路５１、５２、５３、５４、５８と、第１位相変化部５５と、第２位相変化部５６と、光合波部５７と、マルチモード干渉カプラ６０と、を有する。また、マルチモード干渉カプラ６０は、マルチモード干渉光導波路６５と、第１入力ポート６１と、第２入力ポート６２と、第３入力ポート６３と、出力ポート６７と、を有する。
光導波路５１、５２、５３、５４、５８、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、及び、出力ポート６７は、それぞれ、光をＸＹ平面に沿った方向に導波させるための光導波路であり、本実施形態では、Ｚ軸方向に沿った方向を厚さ方向とする平面光導波路である。マルチモード干渉光導波路６５は、詳細は後述するように、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３から入射した複数の光を互いに干渉させながらＸ軸方向に導波させ、干渉後の光を出力ポート６７から出射する機能等を有し、本実施形態では平面光導波路である。
光導波路５１の一方の端部は、第１マッハツェンダ干渉計３１のマッハツェンダ型光導波路３１ｇ（図５参照）と光学的に接続されており、光導波路５１の他方の端部は、マルチモード干渉カプラ６０の第１入力ポート６１に光学的に接続されている。そのため、第１マッハツェンダ干渉計３１によって変調した第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ（図５参照）は、光導波路５１内を導波してマルチモード干渉カプラ６０の第１入力ポート６１に入射する。
光導波路５２の一方の端部は、第２マッハツェンダ干渉計３２のマッハツェンダ型光導波路３２ｇ（図５参照）と光学的に接続されており、光導波路５２の他方の端部は、光合波部５７と光学的に接続されている。そのため、第２マッハツェンダ干渉計３２によって変調した第２ＴＥ偏波成分Ｉｘ（図５参照）は、光導波路５２内を導波して光合波部５７に入射する。
光導波路５３の一方の端部は、第３マッハツェンダ干渉計３３のマッハツェンダ型光導波路３３ｇ（図５参照）と光学的に接続されており、第３マッハツェンダ干渉計３３の他方の端部は、光合波部５７と光学的に接続されている。また、光導波路５３には、第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相を所定の角度だけ変化させる第１位相変化部５５が設けられている。そのため、第３マッハツェンダ干渉計３３によって変調した第３ＴＥ偏波成分Ｑｘ（図５参照）は、光導波路５３内を導波し、第１位相変化部５５によって所定の角度だけ位相が変化した後に、光合波部５７に入射する。
本実施形態では、第１位相変化部５５はπ／２シフタであり、第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相は第１位相変化部５５によってπ／２変化する。そのため、本実施形態では、第１位相変化部５５によって位相が変化した後の第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相は、π／２及び３π／２のいずれかの値となる。即ち、本実施形態では、光合波部５７に入射する直前の第２ＴＥ偏波成分Ｉｘの位相と、光合波部５７に入射する直前の第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相は、直交する。
光合波部５７は、光導波路５２から入射した第２ＴＥ偏波成分Ｉｘと光導波路５３から入射した第３ＴＥ偏波成分Ｑｘとを光合波して第５直線偏波成分としての第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘを生成し、当該第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘを出力する。本実施形態では、光合波部５７は、Ｙ分岐型平面光導波路等のＹ分岐型光導波路である。光合波部５７から出力された第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘは、光導波路５８内を導波してマルチモード干渉カプラ６０の第２入力ポート６２に入射する。
光導波路５４の一方の端部は、第４マッハツェンダ干渉計３４のマッハツェンダ型光導波路３４ｇ（図５参照）と光学的に接続されており、光導波路５４の他方の端部は、マルチモード干渉カプラ６０の第３入力ポート６３に光学的に接続されている。また、光導波路５４には、第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相を所定の角度だけ変化させる第２位相変化部５６が設けられている。そのため、第４マッハツェンダ干渉計３４によって変調した第４ＴＥ偏波成分Ｑｙ（図５参照）は、光導波路５４内を導波し、第２位相変化部５６によって所定の角度だけ位相が変化した後に、マルチモード干渉カプラ６０の第３入力ポート６３に入射する。
本実施形態では、第２位相変化部５６はπ／２シフタであり、第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相は第２位相変化部５６によってπ／２変化する。そのため、本実施形態では、第２位相変化部５６によって位相が変化した後の第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相は、π／２及び３π／２のいずれかの値となる。即ち、本実施形態では、第１入力ポート６１に入射する直前の第１ＴＥ偏波成分Ｉｙの位相と、第３入力ポート６３に入射する直前の第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相は、直交する。
光導波路５１、５２、５３、５４、５８は、光導波路１１、１３、１４、１７、１８、１９、２０（図４（Ａ）（Ｂ）参照）と同様の構成を有する。また、光導波路５１（５２、５３、５４、５８）と交差し、かつ、光導波路５１（５２、５３、５４、５８）の光導波方向と直交する平面で切断した光学操作部５０の断面の構成は、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）と交差し、かつ、光導波路１１（１３、１４、１７、１８、１９、２０）の光導波方向と直交する平面で切断した光分岐手段１０の断面の構成（図４（Ａ）（Ｂ）参照）と同様である。
そのため、光導波路５１（５２、５３、５４、５８）が埋め込み型光導波路である場合、コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）は、光導波路５１（５２、５３、５４、５８）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、コア部１１ａ（１３ａ、１４ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ、２０ａ）の形状が、図７の平面図において光導波路５１（５２、５３、５４、５８）として実線で示した形状に対応する（図４（Ａ）参照）。また、光導波路５１（５２、５３、５４、５８）がリッジ型光導波路である場合、上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）は、光導波路５１（５２、５３、５４、５８）の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、上部クラッド部１１ｂ（１３ｂ、１４ｂ、１７ｂ、１８ｂ、１９ｂ、２０ｂ）の形状が、図７の平面図において光導波路５１（５２、５３、５４、５８）として実線で示した形状に対応する。
次に、マルチモード干渉カプラ６０の構成について、詳細に説明する。図８は、光学操作部のマルチモード干渉カプラ近傍の構成を示す模式的な平面図である。図８に示すように、マルチモード干渉カプラ６０のマルチモード干渉光導波路６５は、本実施形態では、平面視で（第１方向としてのＺ軸方向から見て）略矩形状である。即ち、マルチモード干渉カプラ６０は、平面視で、Ｙ軸方向に沿って延びる直線状の第１外縁６５Ｓ１、Ｙ軸方向に沿って延びる直線状の第２外縁６５Ｓ２、Ｘ軸方向に沿って延びる直線状の第３外縁６５Ｓ３、及び、Ｘ軸方向に沿って延びる直線状の第４外縁６５Ｓ４を有する。第２外縁６５Ｓ２は、第１外縁６５Ｓ１と対向する。第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、及び、第３入力ポート６３は、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って延びると共に、第１外縁６５Ｓ１に接する。第３外縁６５Ｓ３と第４外縁６５Ｓ４は、第１外縁６５Ｓ１及び第２外縁６５Ｓ２に接する。
出力ポート６７は、Ｘ軸方向に沿って延びると共に、第２外縁６５Ｓ２に接する。また、出力ポート６７は、マルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って（Ｘ軸の正方向に向かって）、出力ポート６７の導波方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）の幅が漸次減少するテーパーコア部６７Ａと、出力ポート６７の導波方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）の幅が一定の定幅コア部６７Ｂと、と有する。テーパーコア部６７ＡのＸ軸方向の一方の端部は、マルチモード干渉光導波路６５の第２外縁６５Ｓ２と接し、テーパーコア部６７ＡのＸ軸方向の他方の端部は、定幅コア部６７Ｂの端部に接する。
また、図８に示すように、第２入力ポート６２は、平面視で、第１入力ポート６１と第３入力ポート６３との間に設けられている。また、第２入力ポート６２は、第１外縁６５Ｓ１の略中心に設けられていることが好ましい。
また、第１入力ポート６１は、平面視で、マルチモード干渉光導波路６５の第１外縁６５Ｓ１の一端部に接している。具体的には、第１入力ポート６１は、平面視で第１入力ポート６１の外縁６１Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第３外縁６５Ｓ３と段差無く接続されるように、第１外縁６５Ｓ１の一端部に接している。より具体的には、平面視で第１入力ポート６１の光導波領域及び光導波方向を規定する部材（例えば、第１入力ポートのコア部６１ａ（図９（Ａ）参照）や、第１入力ポートの上部クラッド部６１ｂ（図１０（Ａ）参照））の外縁６１Ｓが、マルチモード干渉光導波路６５の光導波領域及び光導波方向を規定する部材（例えば、第２入力ポートのコア部６２ａ（図９（Ａ）参照）や第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂ（図１０（Ａ）参照））の第３外縁６５Ｓ３と段差無く接続されるように、第１入力ポート６１は第１外縁６５Ｓ１の一端部に接している。
また、第３入力ポート６３は、平面視で、マルチモード干渉光導波路６５の第１外縁６５Ｓ１の他端部に接している。より具体的には、第３入力ポート６３は、平面視で第３入力ポート６３の外縁６３Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第４外縁６５Ｓ４と段差無く接続されるように、第１外縁６５Ｓ１の他端部に接している。より具体的には、平面視で第３入力ポート６３の光導波領域及び光導波方向を規定する部材（例えば、第３入力ポートのコア部６３ａ（図９（Ａ）参照）や、第３入力ポートの上部クラッド部６３ｂ（図１０（Ａ）参照））の外縁６１Ｓが、マルチモード干渉光導波路６５の光導波領域及び光導波方向を規定する部材（例えば、第２入力ポートのコア部６２ａ（図９（Ａ）参照）や第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂ（図１０（Ａ）参照））の第３外縁６５Ｓ３と段差無く接続されるように、第３入力ポート６３は第１外縁６５Ｓ１の他端部に接している。
第１外縁６５Ｓ１及び第２外縁６５Ｓ２の長さは、例えば、６μｍとすることができ、第３外縁６５Ｓ３及び第４外縁６５Ｓ４の長さは、例えば、７０μｍとすることができる。
図９は、マルチモード干渉カプラの断面の一例を示す図である。図９（Ａ）は、図８のＩＸＡ−ＩＸＡ線に沿ったマルチモード干渉カプラの断面図であり、図９（Ｂ）は、図８のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿ったマルチモード干渉カプラの断面図であり、図９（Ｃ）は、図８のＩＸＣ−ＩＸＣ線に沿ったマルチモード干渉カプラの断面図である。
図９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、本例の第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、マルチモード干渉光導波路６５、及び、出力ポート６７は、それぞれ、いわゆる埋め込み型光導波路である。基板８１はシリコン（Ｓｉ）等の単元素半導体材料からなり、マルチモード干渉カプラ６０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されている。マルチモード干渉カプラ６０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成された下部クラッド部８２Ａと、下部クラッド部８２Ａ上に形成された第１入力ポートのコア部６１ａ、第２入力ポートのコア部６２ａ、第３入力ポートのコア部６３ａ（図９（Ａ））、マルチモード干渉光導波路のコア６５ａ（図９（Ｂ））、及び、出力ポートのコア部６７ａ（図９（Ｃ））と、これらのコアを埋め込むようにこれらのコア及び下部クラッド部８２Ａ上に形成された上部クラッド部８３Ａと、を有する。第１入力ポートのコア部６１ａ、第２入力ポートのコア部６２ａ、第３入力ポートのコア部６３ａ、マルチモード干渉光導波路のコア６５ａ、及び、出力ポートのコア部６７ａは、シリコン（Ｓｉ）等の単元素半導体材料からなり、その断面は、矩形状である。
図９に示す例において、第１入力ポートのコア部６１ａ及び第３入力ポートのコア部６３ａのＹ軸方向の幅は、それぞれ、例えば５００ｎｍとすることができる。第２入力ポートのコア部６２ａのＹ軸方向の幅は、例えば１０００ｎｍとすることができる。また、テーパーコア部６７Ａの最も幅広の部分のＹ軸方向の幅は、例えば１０００ｎｍとすることができ、テーパーコア部６７Ａの最も幅狭のＹ軸方向の幅は、例えば５００ｎｍとすることができる。また、テーパーコア部６７ＡのＸ軸方向の長さは、例えば８０μｍとすることができる。
本例の埋め込み型光導波路においては、第１入力ポートのコア部６１ａ、第２入力ポートのコア部６２ａ、第３入力ポートのコア部６３ａ、マルチモード干渉光導波路のコア６５ａ、及び、出力ポートのコア部６７ａは、それぞれこの順に、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、マルチモード干渉光導波路６５、及び、出力ポート６７の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、第１入力ポートのコア部６１ａ、第２入力ポートのコア部６２ａ、第３入力ポートのコア部６３ａ、マルチモード干渉光導波路のコア６５ａ、及び、出力ポートのコア部６７ａの形状が、図８の平面図において第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、マルチモード干渉光導波路６５、及び、出力ポート６７として実線で示した形状に対応する。
また、図１０は、マルチモード干渉カプラの断面の他の例を示す図である。図１０（Ａ）は、図８のＩＸＡ−ＩＸＡ線に沿ったマルチモード干渉カプラの断面図であり、図１０（Ｂ）は、図８のＩＸＢ−ＩＸＢ線に沿ったマルチモード干渉カプラの断面図であり、図１０（Ｃ）は、図８のＩＸＣ−ＩＸＣ線に沿ったマルチモード干渉カプラの断面図である。
図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、本例の第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、マルチモード干渉光導波路６５、及び、出力ポート６７は、それぞれ、いわゆるリッジ型光導波路である。基板８１はＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、マルチモード干渉カプラ６０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されている。マルチモード干渉カプラ６０は、基板８１の主面８１Ｓ上に形成されたコア部８２Ｂと、コア部８２Ｂ上に形成された第１入力ポートの上部クラッド部６１ｂ、第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂ、第３入力ポートの上部クラッド部６３ｂ（図１０（Ａ））、マルチモード干渉光導波路の上部クラッド部６５ｂ（図１０（Ｂ））、及び、出力ポートの上部クラッド部６７ｂ（図１０（Ｃ））と、これらの上部クラッド部及びコア部８２Ｂを覆うように、これらの上部クラッド部及びコア部８２Ｂ上にコンフォーマル形状に形成された保護膜８３Ｂと、を有する。本例においては、基板８１はコア部８２Ｂに対する下部クラッド部として機能する。第１入力ポートの上部クラッド部６１ｂ、第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂ、第３入力ポートの上部クラッド部６３ｂ、マルチモード干渉光導波路の上部クラッド部６５ｂ、及び、出力ポートの上部クラッド部６７ｂは、ＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料からなり、その断面は、矩形状である。
図１０に示す例において、第１入力ポートの上部クラッド部６１ｂ及び第３入力ポートの上部クラッド部６３ｂのＹ軸方向の幅は、それぞれ、例えば３μｍとすることができる。第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂのＹ軸方向の幅は、例えば５μｍとすることができる。また、テーパーコア部６７Ａの最も幅広の部分のＹ軸方向の幅は、例えば５μｍとすることができ、テーパーコア部６７Ａの最も幅狭のＹ軸方向の幅は、例えば３μｍとすることができる。また、テーパーコア部６７ＡのＸ軸方向の長さは、例えば３００μｍとすることができる。
本例のリッジ型光導波路においては、第１入力ポートの上部クラッド部６１ｂ、第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂ、第３入力ポートの上部クラッド部６３ｂ、マルチモード干渉光導波路の上部クラッド部６５ｂ、及び、出力ポートの上部クラッド部６７ｂは、それぞれこの順に、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、マルチモード干渉光導波路６５、及び、出力ポート６７の光導波領域及び光導波方向を規定する。そのため、本例においては、第１入力ポートの上部クラッド部６１ｂ、第２入力ポートの上部クラッド部６２ｂ、第３入力ポートの上部クラッド部６３ｂ、マルチモード干渉光導波路の上部クラッド部６５ｂ、及び、出力ポートの上部クラッド部６７ｂの形状が、図８の平面図において第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、マルチモード干渉光導波路６５、及び、出力ポート６７として実線で示した形状に対応する。
また、図８に示すように、第１入力ポート６１に入射した第１ＴＥ偏波成分Ｉｙは、基本モードで第１入力ポート６１内を導波して、マルチモード干渉光導波路６５に入射する。
第２入力ポート６２に入射した第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘは、基本モードで第２入力ポート６２内を導波して、マルチモード干渉光導波路６５に入射する。第３入力ポート６３に入射した第４ＴＥ偏波成分Ｑｙは、基本モードで第３入力ポート６３内を導波して、マルチモード干渉光導波路６５に入射する。
マルチモード干渉光導波路６５内に入射した上述の第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ、第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘ、及び、第４ＴＥ偏波成分Ｑｙは、互いに干渉してマルチモード干渉光導波路６５内で光合波され、合波直線偏波としての合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙとなって、出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａに入射する。そして、このように第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ、第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘ、及び、第４ＴＥ偏波成分Ｑｙが光合波されて合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙとしてテーパーコア部６７Ａに入射する際、以下の条件１及び条件２が満たされるように、マルチモード干渉カプラ６０は構成されている。
（条件１）
第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘが、マルチモード干渉光導波路６５内を偏波状態を保ちながら（即ち、ＴＥ偏波という状態を保ちながら）基本モードで導波し、合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙの一部として出力ポート６７に入射する。
（条件２）
第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ及び第４ＴＥ偏波成分Ｑｙが、光合波されると共に１次モードに変換されるようにマルチモード干渉光導波路６５内を偏波状態を保ちながら（即ち、ＴＥ偏波という状態を保ちながら）導波し、合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙの他の一部である第６直線偏波成分としての第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙとして、出力ポート６７に入射する。
上記条件１及び条件２が満たされるため、テーパーコア部６７Ａに入射する直前の合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙは、基本モードの第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘと１次モードの第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙとが光合成されたものとなる。
上述の条件１及び条件２は、マルチモード干渉光導波路６５の大きさ（第１外縁６５Ｓ１、第２外縁６５Ｓ２の大きさ、及び、第３外縁６５Ｓ３、第４外縁６５Ｓ４の大きさ）厚さ、及び形状、マルチモード干渉光導波路６５のコア及びクラッドを構成する材料の屈折率、第１外縁６５Ｓ１における第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、及び、第３入力ポート６３の接続位置、第２外縁６５Ｓ２における出力ポート６７の接続位置、及び、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、第３入力ポート６３、及び、出力ポート６７の幅を適切に選択することにより満たすことができる。
また、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ及び第４ＴＥ偏波成分Ｑｙに対するマルチモード干渉光導波路６５コアの実効屈折率をｎ、第１外縁６５Ｓ１の長さをＷ、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ及び第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの波長をλとしたとき、マルチモード干渉光導波路６５の第３外縁６５Ｓ３及び第４外縁６５Ｓ４の長さＬは、Ｌ＝（ｎ×Ｗ）／λを満たす、又は、略満たすことが好ましい。長さＬがこの条件を満たす又は略満たす場合、マルチモード干渉光導波路６５内において、第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙが結像される点が、マルチモード干渉光導波路６５と出力ポート６７との界面に略一致するため、第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙとテーパーコア部６７Ａとの結合効率を高くすることができるためである。
また、出願人らは、上記条件１及び条件２を満たすマルチモード干渉カプラ６０の機能について、シミュレーションによる計算を行った。
図１１は、上記条件１及び条件２を満たすマルチモード干渉カプラ６０の各入力ポートに波長１５５０ｎｍの連続光のＴＥ偏波を入射させた場合のマルチモード干渉カプラ６０内での光強度を、ビーム伝播法によるシミュレーションによって計算した結果を示す図である。
図１１の左の図は、第２入力ポート６２に基本モードのＴＥ偏波を入射させた場合の計算結果を示し、図１１の中心の図は、第１入力ポート６１及び第３入力ポート６３のそれぞれに基本モードのＴＥ偏波を入射させた場合の計算結果を示し、図１１の右の図は、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、及び、第３入力ポート６３のそれぞれに基本モードのＴＥ偏波を入射させた場合の計算結果を示している。
図１１の左の図に示すように、第２入力ポート６２に基本モードのＴＥ偏波を入射させた場合、出力ポート６７には、基本モードのＴＥ偏波が入射することが確認された。また、図１１の中心の図に示すように、第１入力ポート６１及び第３入力ポート６３のそれぞれに基本モードのＴＥ偏波を入射させた場合、出力ポート６７には、１次モードのＴＥ偏波が入射することが確認された。また、図１１の右の図に示すように、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２、及び、第３入力ポート６３のそれぞれに基本モードのＴＥ偏波を入射させた場合、出力ポート６７には、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波とが光合成された偏波が入射することが確認された。
上述のようにして生成された第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘは、出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａ内を導波して、定幅コア部６７Ｂに入射する。この際、以下の条件３及び条件４が満たされるように、平面視での出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａの導波方向と垂直方向（Ｙ軸方向）の幅（平面視でのテーパーコア部６７Ａの出力ポートのコア部６７ａの光導波領域及び光導波方向を規定する部材（例えば、出力ポートのコア部６７ａ（図９（Ｃ）参照）や出力ポートの上部クラッド部６７ｂ（図１０（Ｃ）参照））のＹ軸方向の幅）は、マルチモード干渉光導波路から離れるに従って漸次減少するように構成されている。
（条件３）
出力ポート６７に入射した第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘ内の第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘが、偏波状態を保ちながら（ＴＥ偏波状態を保ちながら）基本モードで出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａ内を導波する。
（条件４）
出力ポート６７に入射した合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙ内の第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙが、その偏波面が所定の角度だけ回転すると共に基本モードに変換された第７直線偏波成分に変換されるように出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａ内を導波する。
上記条件４における所定の角度は、本実施形態では９０度であり、そのため、第７直線偏波成分は、ＴＭ（Transverse Magnetic）偏波である第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙとなる。そのため、本実施形態では、第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘの偏波面と第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙの偏波面とは直交する。
上記条件３及び条件４が満たされることにより、合波ＴＥ偏波ＴＥｘｙは、テーパーコア部６７Ａに入射してから定幅コア部６７Ｂに入射する直前までの間に、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳに変換される。ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳは、本実施形態では互いに偏波面が直交する２つの直線偏波成分（第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘ及び第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙ）からなる２重偏波信号光である。ＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭは、このようにして生成されたＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを外部に出射する（図２参照）。
上述の条件３及び条件４は、テーパーコア部６７Ａの大きさ、テーパーコア部６７Ａの最も幅広の部分（本実施形態では、マルチモード干渉光導波路６５の第２外縁６５Ｓ２と接する部分）のＹ軸方向の幅、テーパーコア部６７Ａの最も幅狭の部分（本実施形態では、定幅コア部６７Ｂと接する部分）のＹ軸方向の幅、テーパーコア部６７ＡのＸ軸方向の長さ、テーパーコア部６７Ａのコア部及ぶクラッド部を構成する材料の屈折率、厚さを適切に選択することにより満たすことができる。
次に、テーパーコア部６７Ａを有する出力ポート６７Ｐが上記条件３及び条件４で規定されるような機能を発揮する原理について説明する。
図１２は、図９（Ｃ）に示されるような断面構造を有する出力ポート６７内を光導波する各固有モードの光についての当該出力ポート６７の幅と実効屈折率の関係の計算結果を示す図である。横軸は、出力ポート６７のＹ軸方向の幅（出力ポート６７の光導波領域及び光導波方向を規定する部材のＹ軸方向の幅）を示しており、縦軸は、各固有モード（基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）、１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）についての実効屈折率を示している。また、基板８１はシリコンからなり、下部クラッド部８２ＡはＺ軸方向の厚さが２μｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、出力ポート６７はＺ軸方向の厚さが２２０ｎｍのシリコンからなり、上部クラッド部８３ＡはＺ軸方向の厚さが２μｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる場合について、計算を行った。
図１２に示すように、例えば、出力ポート６７に基本モードのＴＥ偏波の光（ＴＥ０）を入射させると、出力ポート６７の幅はマルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って漸次減少するため、当該基本モードのＴＥ偏波の実効屈折率は、曲線Ｃ３上の右側の値から左側の値に漸次変化する。また、出力ポート６７に基本モードのＴＭ偏波の光（ＴＭ０）を入射させると、出力ポート６７の幅はマルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って漸次減少するため、当該基本モードのＴＭ偏波の実効屈折率は、曲線Ｃ２上の右側の値から左側の値に漸次変化すると共に、曲線Ｃ２上の右側での固有モードである基本モードのＴＭ偏波から、曲線Ｃ２上の左側での固有モードである１次モードのＴＥ偏波に伝搬モードが変化する。
また、出力ポート６７に１次モードのＴＥ偏波の光（ＴＥ１）を入射させると、出力ポート６７の幅はマルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って漸次減少するため、当該１次モードのＴＥ偏波の実効屈折率は、曲線Ｃ１上の右側の値から左側の値に漸次変化すると共に、曲線Ｃ１上の右側での固有モードである１次モードのＴＥ偏波から、曲線Ｃ１上の左側での固有モードである基本モードのＴＭ偏波に伝搬モードが変化する。
そのため、上述のように、出力ポート６７に１次モードである第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙ（図８参照）を入射させると、例えば図１２の曲線Ｃ１で示されるように、偏波面が所定の角度（本実施形態では９０度）だけ回転すると共に基本モードに変換される（即ち、第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙに変換される）。また、上述のように、出力ポート６７に基本モードである第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘ（図８参照）を入射させると、例えば図１２の曲線Ｃ３で示されるように、偏波状態を保ちながら（ＴＥ偏波状態を保ちながら）基本モードで出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａ内を導波する。
図１３（Ａ）は、図１０（Ｃ）に示されるような断面構造を有する出力ポート６７内を光導波する各固有モードの光についての当該出力ポート６７の幅と実効屈折率の関係の計算結果を示す図である、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）の一部分の拡大図である。これらの計算結果を示す図の横軸は、出力ポート６７のＹ軸方向の幅（出力ポート６７の光導波領域及び光導波方向を規定する部材のＹ軸方向の幅）を示しており、縦軸は、各固有モード（基本モードのＴＥ偏波（ＴＥ０）、基本モードのＴＭ偏波（ＴＭ０）、１次モードのＴＥ偏波（ＴＥ１）についての実効屈折率を示している。また、基板８１はＩｎＰからなり、コア部８２ＢはＺ軸方向の厚さが５００ｎｍのＧａＩｎＡｓＰからなり、出力ポート６７はＺ軸方向の厚さが９５０ｎｍのＩｎＰからなり、保護膜８３Ｂは厚さが５０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる場合について、計算を行った。
図１３（Ａ）（Ｂ）に示すように、例えば、出力ポート６７に基本モードのＴＥ偏波の光（ＴＥ０）を入射させると、出力ポート６７の幅はマルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って漸次減少するため、当該基本モードのＴＥ偏波の実効屈折率は、曲線Ｃ６上の右側の値から左側の値に漸次変化する。また、出力ポート６７に基本モードのＴＭ偏波の光（ＴＭ０）を入射させると、出力ポート６７の幅はマルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って漸次減少するため、当該基本モードのＴＭ偏波の実効屈折率は、曲線Ｃ５上の右側の値から左側の値に漸次変化すると共に、曲線Ｃ５上の右側での固有モードである基本モードのＴＭ偏波から、曲線Ｃ５上の左側での固有モードである１次モードのＴＥ偏波に伝搬モードが変化する。
また、出力ポート６７に１次モードのＴＥ偏波の光（ＴＥ１）を入射させると、出力ポート６７の幅はマルチモード干渉光導波路６５から離れるに従って漸次減少するため、当該１次モードのＴＥ偏波の実効屈折率は、曲線Ｃ４上の右側の値から左側の値に漸次変化すると共に、曲線Ｃ４上の右側での固有モードである１次モードのＴＥ偏波から、曲線Ｃ４上の左側での固有モードである基本モードのＴＭ偏波に伝搬モードが変化する。
そのため、上述のように、出力ポート６７に１次モードである第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙ（図８参照）を入射させると、例えば図１３の曲線Ｃ４で示されるように、偏波面が所定の角度（本実施形態では９０度）だけ回転すると共に基本モードに変換される（即ち、第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙに変換される）。また、上述のように、出力ポート６７に基本モードである第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘ（図８参照）を入射させると、例えば図１２の曲線Ｃ６で示されるように、偏波状態を保ちながら（ＴＥ偏波状態を保ちながら）基本モードで出力ポート６７のテーパーコア部６７Ａ内を導波する。
また、出力ポート６７に入射した第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙが、その偏波面が所定の角度（本実施形態では９０度）だけ回転すると共に基本モードに変換されるように（即ち、第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙに変換されるように）当該出力ポート６７内を導波する際、第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙの光導波モードの縮退が起こらないように（即ち、出力ポート６７の幅の変化範囲内において図１２の曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とが交差しないように（又は、図１３の曲線Ｃ４と曲線Ｃ５とが交差しないように））出力ポート６７は形成されていることが好ましい。
これにより、第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙが出力ポート６７内を導波する際の、基本モードへの変換効率（即ち、第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙへの変換効率）を向上させることができる。なお、出力ポート６７の幅の変化範囲内において図１２の曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とが交差しないように（又は図１３の曲線Ｃ４と曲線Ｃ５とが交差しないように）するには、下部クラッド部８２Ａと上部クラッド部８３Ａとを互いに屈折率の異なる材料で構成する（又は、コア部８２Ｂと保護膜８３Ｂとを互いに屈折率の異なる材料で構成する）等の方法により、出力ポート６７の厚さ方向（Ｚ軸方向）の屈折率分布が非対称となるように出力ポート６７を構成すればよい。
上述のような本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭによれば、マルチモード干渉カプラ６０によって、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙと第４ＴＥ偏波成分Ｑｙとの光合波、第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘと第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙの偏波合波、及び、第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙの偏波回転という３つの光学操作を行うことができる（図８参照）。
これにより、第２ＴＥ偏波成分Ｉｘと第３ＴＥ偏波成分Ｑｘとの光合波、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙと第４ＴＥ偏波成分Ｑｙとの光合波、第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙの偏波回転（第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙの第７ＴＭ偏波成分ＴＭｙへの変換）、及び、第５ＴＥ偏波成分ＴＥｘと第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙの偏波合波というＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを得るための４つの光学操作を、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器における場合よりも少ない２つの光学素子（光合波部５７及びマルチモード干渉カプラ６０）によって行うことができる（図７及び図８参照）。これにより、光損失が発生し得る光学素子の数を減らすことができる。
その結果、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭによれば、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを生成する際の光損失を低減させることが可能となる。
さらに、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭによれば、上述の４つの光学操作を、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器における場合よりも少ない２つの光学素子（光合波部５７及びマルチモード干渉カプラ６０）によって行うことができる。そのため、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭｐ（図１参照）においては、素子の小型化を図ることが困難であったのに対して、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭによれば、従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器と同等の機能を有しながら素子の小型化を図ることが容易となる（例えば、Ｘ軸方向の素子長が２．３ｍｍ程度であった従来のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭｐと同等の機能を有するように本実施形態のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭを構成すると、Ｘ軸方向の素子長を１．９５ｍｍ程度にすることが可能である）。
さらに、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭにおいては、第１方向としてのＺ軸方向から見て、マルチモード干渉光導波路６５は、第１入力ポート６１、第２入力ポート６２及び第３入力ポート６３と接する直線状の第１外縁６５Ｓ１と、当該第１外縁６５Ｓ１と対向し、出力ポート６７と接する第２外縁６５Ｓ２と、当該第１外縁６５Ｓ１と当該第２外縁６５Ｓ２とに接する第３外縁６５Ｓ３及び第４外縁６５Ｓ４とを含み、第１方向から見て、第１入力ポート６１は、当該第１入力ポート６１の外縁６１Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第３外縁６５Ｓ３と段差無く接続されるように、第１外縁６５Ｓ１の一端部に接しており、第１方向から見て、第３入力ポート６３は、当該第３入力ポート６３の外縁６３Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第４外縁６５Ｓ４と段差無く接続されるように、第１外縁６５Ｓ１の他端部に接している（図８参照）。
これにより、第１入力ポート６１及び第３入力ポート６３と、マルチモード干渉光導波路６５とは直接接触することになるため、これらの界面における光損失は小さくなると共に、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ及び第４ＴＥ偏波成分Ｑｙがマルチモード干渉光導波路６５内で１次モードに変換されて第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙとして合波される際に、当該マルチモード干渉光導波路６５内において当該１次モードの第６ＴＥ偏波成分ＴＥｙが結像される点の数が減少するため、第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ及び第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの合波効率及び１次モードへの変換効率を高くすることができる（図８参照）。その結果、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを生成する際の光損失をさらに低減させることが可能となる。
さらに、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭにおいては、第１入力ポート６１は、１次モードの第１ＴＥ偏波成分Ｉｙをカットオフし、第３入力ポート６３は、１次モードの第４ＴＥ偏波成分Ｑｙをカットオフすることが好ましい（図８参照）。これにより、基本モードのみの第１ＴＥ偏波成分Ｉｙが第１入力ポート６１内を導波可能であり、基本モードのみの第４ＴＥ偏波成分Ｑｙが第３入力ポート６３内を導波となるため、マルチモード干渉光導波路６５内における第１ＴＥ偏波成分Ｉｙ及び第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの合波効率及び１次モードへの変換効率を高くすることができる。その結果、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを生成する際の光損失をさらに低減させることが可能となる。このような条件を満たす第１入力ポート６１及び第３入力ポート６３を得るには、例えば、第１方向から見た場合における第１入力ポート６１及び第３入力ポート６３のＹ軸方向の幅を、所定の大きさ以下にすればよい（図８参照）。
さらに、本実施形態に係るＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器ＬＭにおいては、第１位相変化部５５は、第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相を略π／２変化させ、第２位相変化部５６は、第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相を略π／２変化させる（図７参照）。これにより、光合波部５７に入射する直前の第２ＴＥ偏波成分Ｉｘの位相と、光合波部５７に入射する直前の第３ＴＥ偏波成分Ｑｘの位相とを略直交させることができ、また、第１入力ポート６１に入射する直前の第１ＴＥ偏波成分Ｉｙの位相と、第３入力ポート６３に入射する直前の第４ＴＥ偏波成分Ｑｙの位相とを略直交させることができる。これにより、より雑音に強いＤＰ−ＱＰＳＫ信号光ＭＳを生成することが可能となる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。
例えば、上述の本実施形態においては、第１方向から見て、第１入力ポート６１は、当該第１入力ポート６１の外縁６１Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第３外縁６５Ｓ３と段差無く接続されるように、第１外縁６５Ｓ１の一端部に接しているが（図８参照）、第１方向から見て、第１入力ポート６１は、当該第１入力ポート６１の外縁６１Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第３外縁６５Ｓ３と段差を有して接続されるように、第１外縁６５Ｓ１に接していてもよい。同様に、上述のように本実施形態においては、第１方向から見て、第３入力ポート６３は、当該第３入力ポート６３の外縁６３Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第４外縁６５Ｓ４と段差無く接続されるように、第１外縁６５Ｓ１の他端部に接しているが（図８参照）、第１方向から見て、第３入力ポート６３は、当該第３入力ポート６３の外縁６３Ｓがマルチモード干渉光導波路６５の第４外縁６５Ｓ４と段差を有して接続されるように、第１外縁６５Ｓ１に接していてもよい。
また、上述の実施形態においては、マルチモード干渉カプラ６０のマルチモード干渉光導波路６５は、第１方向から見て略矩形状であるが（図８参照）、このような態様に限られず、例えば、台形状、鼓形状や樽形状であってもよい。
１０・・・光分岐手段、３０・・・光変調部、５０・・・光学操作部、５５・・・第１位相変化部、５６・・・第２位相変化部、６０・・・マルチモード干渉カプラ、６５・・・マルチモード干渉光導波路６５、６７・・・出力ポート、６７Ａ・・・テーパーコア部、７０・・・制御部、Ｉｙ・・・第１ＴＥ偏波成分、Ｉｘ・・・第２ＴＥ偏波成分、Ｑｘ・・・第３ＴＥ偏波成分、Ｑｙ・・・第４ＴＥ偏波成分、ＴＥｘ・・・第５ＴＥ偏波成分、ＴＥｘｙ・・・合波ＴＥ偏波、ＴＥｙ・・・第６ＴＥ偏波成分、ＴＭｙ・・・第７ＴＭ偏波成分、ＭＳ・・・ＤＰ−ＱＰＳＫ信号光。

Claims (6)

  1. 受光した直線偏波を第１〜第４直線偏波成分に分岐させる光分岐手段と、
    第１〜第４マッハツェンダ干渉計を有する光変調部と、
    前記第３直線偏波成分の位相を所定の角度だけ変化させる第１位相変化部と、
    前記第４直線偏波成分の位相を所定の角度だけ変化させる第２位相変化部と、
    前記第２直線偏波成分と前記第３直線偏波成分とを光合波する光合波部と、
    マルチモード干渉光導波路と、当該マルチモード干渉光導波路に接続された第１〜第３入力ポート及び出力ポートと、を有するマルチモード干渉カプラと、
    を備え、
    前記マルチモード干渉光導波路の光導波方向と直交する第１方向から見て、前記マルチモード干渉カプラの前記第２入力ポートは、前記第１入力ポートと前記第３入力ポートとの間に設けられており、
    前記第１直線偏波成分は、前記第１マッハツェンダ干渉計によって変調した後に、前記マルチモード干渉カプラの前記第１入力ポートに入射して基本モードで当該第１入力ポート内を導波し、
    前記光合波部は、前記第２マッハツェンダ干渉計によって変調した前記第２直線偏波成分と、前記第３マッハツェンダ干渉計によって変調し、かつ、前記第１位相変化部によって位相が変化した前記第３直線偏波成分と、を光合波して第５直線偏波成分として出力し、
    前記光合波部から出力された前記第５直線偏波成分は、前記マルチモード干渉カプラの前記第２入力ポートに入射して基本モードで当該第２入力ポート内を導波し、
    前記第４直線偏波成分は、前記第４マッハツェンダ干渉計によって変調した後、かつ、前記第２位相変化部によって位相が変化した後に、前記マルチモード干渉カプラの前記第３入力ポートに入射して基本モードで当該第３入力ポート内を導波し、
    前記第２入力ポートから前記マルチモード干渉光導波路内に入射した前記第５直線偏波成分と、前記第１入力ポートから前記マルチモード干渉光導波路内に入射した前記第１直線偏波成分と、前記第３入力ポートから前記マルチモード干渉光導波路内に入射した前記第４直線偏波成分が、前記マルチモード干渉光導波路内で光合波され、合波直線偏波として前記出力ポートに入射するように、かつ、
    前記第５直線偏波成分が、前記マルチモード干渉光導波路内を偏波状態を保ちながら基本モードで導波し、前記合波直線偏波の一部として前記出力ポートに入射するように、かつ、
    前記第１直線偏波成分及び前記第４直線偏波成分が、光合波されると共に１次モードに変換されるように前記マルチモード干渉光導波路内を偏波状態を保ちながら導波し、前記合波直線偏波の他の一部である第６直線偏波成分として前記出力ポートに入射するように、前記マルチモード干渉カプラは構成されており、
    当該出力ポートに入射した前記合波直線偏波内の前記第５直線偏波成分が、偏波状態を保ちながら基本モードで当該出力ポート内を導波することにより、かつ、当該出力ポートに入射した前記合波直線偏波内の前記第６直線偏波成分が、その偏波面が所定の角度だけ回転すると共に基本モードに変換された第７直線偏波成分に変換されるように当該出力ポート内を導波することにより、前記合波直線偏波が当該出力ポート内で前記第５直線偏波成分と前記第７直線偏波成分からなるＤＰ−ＱＰＳＫ信号光に変換されるように、前記出力ポートの導波方向と垂直方向の幅は、前記マルチモード干渉光導波路から離れるに従って漸次減少する、ことを特徴とするＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器。
  2. 前記出力ポートに入射した前記第６直線偏波成分が、その偏波面が所定の角度だけ回転すると共に基本モードに変換されるように当該出力ポート内を導波する際、当該第６直線偏波成分の光導波モードの縮退が起こらないように前記出力ポートは形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器。
  3. 前記第１方向から見て、前記マルチモード干渉光導波路は、前記第１〜第３入力ポートと接する直線状の第１外縁と、当該第１外縁と対向し、前記出力ポートと接する第２外縁と、当該第１外縁と当該第２外縁とに接する第３外縁及び第４外縁とを含み、
    前記第１方向から見て、前記第１入力ポートは、当該第１入力ポートの外縁が前記マルチモード干渉光導波路の前記第３外縁と段差無く接続されるように、前記第１外縁の一端部に接しており、
    前記第１方向から見て、前記第３入力ポートは、当該第３入力ポートの外縁が前記マルチモード干渉光導波路の前記第４外縁と段差無く接続されるように、前記第１外縁の他端部に接していることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器。
  4. 前記第１入力ポートは、１次モードの前記第１直線偏波成分をカットオフし、
    前記第３入力ポートは、１次モードの前記第４直線偏波成分をカットオフすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器。
  5. 前記第１位相変化部は、前記第３直線偏波成分の位相を略π／２変化させ、
    前記第２位相変化部は、前記第４直線偏波成分の位相を略π／２変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器。
  6. 送信すべき電気信号に応じて前記第１〜第４マッハツェンダ干渉計を駆動させるための制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のＤＰ−ＱＰＳＫ光変調器。
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