JPH0618732A

JPH0618732A - 光学複合体

Info

Publication number: JPH0618732A
Application number: JP5112016A
Authority: JP
Inventors: Deventer Mattijs O Van; オスカーバンデベンターマティヤス; Der Tol Johannes J G M Van; ヤコブスゲラルドスマリアバンデルトールヨハネス
Original assignee: Koninklijke PTT Nederland NV
Current assignee: Koninklijke PTT Nederland NV
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1994-01-28
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: DE69306633T2; NL9200634A; ES2096190T3; EP0564043B1; EP0564043A1; ATE146604T1; DE69306633D1; JP2586985B2

Abstract

(57)【要約】【目的】２個の検出器と光学９０°複合体から成る既
知のコヒーレント光学受容器はスループットが２５％以
下である。理論的には約２９．３％の最大値までスルー
プットを高めることが可能である。より高いスループッ
トをもつ光学複合体を提供することが目的である。【構成】２個の入力（３１／３９、３２／４０）及び
２個の出力（３９／３４、４０／３５）間の最大スルー
プット率と、上述の２出力間の９０°位相差と、使用さ
れない第３入力及び第３出力とを有する無損失３×３方
向性連結器に基づく２×２ポートの助けで連結型のそう
いう９０°複合体（３０）を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はコヒーレント光学検出技
術の分野にある。光学複合体及び光学複合体を用いるコ
ヒーレント光学受容器に関する。

【０００２】

【従来の技術】位相ダイバーシチを利用するコヒーレン
ト光学検出は、ホモダイン検出の場合実際にあるような
定位相差回路（ＰＬＬ）を使用する必要なしに、ベース
バンド検出を可能にする。この方法で電気的、光学的バ
ンド幅の有効利用がなされるのチチャンネルのコヒーレント光通信に大変適している。
又熱雑音のような雑音の抑制について考えると、高ビッ
トレートに対する位相ダイバーシチの利用は魅力的であ
る。

【０００３】コヒーレント光学信号の振幅及び位相をと
りもどすために、位相ダイバーシチでは光学複合体を使
用する。光学複合体は、ｍ個の信号入力とｎ個の信号出
力（ｍ，ｎ≧２）を有するｍ×ｎマルチポートであり、
２かそれ以上の出力において、２かそれ以上の入力で与
えられた信号のコヒーレント生成物を提供し、該コヒー
レント生成物は相互に十分に決まった位相差をもつ。位
相ダイバーシチに利用される光学複合体には２つの型が
ある。第１の型の複合体は偏光型といわれ、一般的に異
なる偏光をもつ出力信号間に所望の位相差を生み出し、
このことが第２の型の複合体との違いであって、連結型
といわれる第２の型は同じ偏光をもつ出力信号間に位相
差を生み出す。連結型にいくつかの変種が知られてい
る。第１の変種は、いくつかの並列導波管の適当な相互
連結に基づき、９０°の所望の位相シフトを生み出す。
そのような光学複合体では４本の光ファイバーが正方形
の区画をもつ連結に配置され、例えば参照文献〔１〕に
開示されている。参照文献〔２〕に開示されている第２
の変種は、２個の入力と４個の出力をもつ平面の片様導
波管から成る類似のポートで、４本の平らに配置され連
結された光ファイバと同等である。参照文献〔３〕な開
示されている第３の変種は３×３ポートで、連結の意味
では第１の変種と関連するが、１２０°の位相差を生み
出す。参照文献〔４〕に、無損失と非無損失両面の３×
３ファイバ連結器に関して一般的Ｓ−マトリックス理論
が展開されている。この理論は、上で述べた第３の変種
と同等である３×３練結器から成る光電子９０°複合体
に適用され、該複合体は３個のフォトダイオードとコス
タス回路（Ｃｏｓｔａｓｌｏｏｐ）から成るホモダイ
ン受容器の一部分を形成している。

【０００４】連結型マルチポートのこれら既知の変種す
べての感度は、もしそのようなマルチポートの出力側で
全信号が検出に用いられ熱雑音が工程中で可能な限り抑
制されるなら、同じである。しかしこの場合に２以上の
検出器の使用は受容器を複雑にその上高価にする。更に
もしバランス検出が用いられると、受容器のバンド幅を
減少し熱雑音を増すことになる。それ故検出に２個以上
の検出器を使用しなくてよいことが望ましい。しかし２
検出器の受容器用に、既知の光学複合体は理想的でな
い。９０°位相差を有する既知の連結型ｍ×ｎポートで
は、スループットはいつも２５％以下であり、すなわち
入力での信号力の２５％以下が用いられる出力の各々で
連結する。位相ダイバーシチに用いられうる光学複合体
は、参照文献〔４〕に開示されているようなイメージ妨
害へテロダイン受容器にも用いられるので、スループッ
トに関する同様の制約はそのような受容器にも適用され
る。

【０００５】

【発明の目的】本発明の目的は、より高いスループット
を有する光学複合体を提供することであり、該スループ
ットはコヒーレント光学検出用の２検出器受容器で使用
するのにより便利である。受動的で、必ずしも無損失で
ない２×２ポートを理論的に解析すると、９０°の位相
差に対して、約２９％以下の連結率Ｒが可能である。連
結型の光学複合体で、本発明はこれを達成する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的のため本発明に
より、第１及び第２光信号を送り出すための各々第１及
び第２入力ポート、第１及び第２出力信号を連結するた
めの各々第１及び第２出力ポートを有し、該出力信号が
相互位相差約９０°で入力信号の各々の第１及び第２コ
ヒーレント生成物を含む光学複合体は、３個の入力及び
３個の出力を有する３個の連結導波管の３×３連結装
置、入力ポートを形成する入力２個、出力ポートを形成
する出力２個、入力ポートの各々から出力ポートの各々
への２５％以上であるパワースループットから成るとい
う特徴をもつ。更に２入力と２出力間に修正されたスル
ープット率と位相差を有する無損失３×３ポートは常に
非無損失２×２ポートに相応し、上述の２出力と２入力
間のスループットの損失が他のスループット率中に占め
るものと洞察される。この目的のため本発明は、連結装
置が本質的に無損失３×３連結装置であり、３×３連結
装置のｉ番目入力ポートからｊ番目出力ポートへのパワ
ースループットに対するスループット係数がスループッ
トマトリックスにより本質的に与えられる特徴をもつの
が望ましい。

【０００７】

【数２】

【０００８】更に本発明の目的は、本発明による光学複
合体が用いられるコヒーレント光学受容器を提供するこ
とである。

【０００９】本欄で用いた参照文献は次の通りである。参照文献〔１〕エイアールエルトラビス及びジ
ェイイーキャロル、「ポシブルフューズドファ
イバーインフェイズ／クォドレイチャメジャリング
マルチポート」エレクトロニクスレターズ」、１９８
５年１０月１０日、２１巻、２１号、９５４、９５５頁
（Ａ．Ｒ．Ｌ．ＴｒａｖｉｓａｎｄＪ．Ｅ．Ｃａｒ
ｒｏｌｌ：“Ｐｏｓｓｉｂｌｅｆｕｓｅｄｆｉｂｒ
ｅｉｎｐｈａｓｅ／ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｅａｓ
ｕｒｉｎｇｍｕｌｔｉｐｏｒｔ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，１０ｔｈＯｃｔｏｂｅｒ
１９８５，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．２１，ｐｐ９５４，９
５５）。参照文献〔２〕ティーエッチニーメイヤ及
びアールウルリッヒ、「クォドレイチャアウトプッツ
フロムファイバーインターフェロメーターウイ
ズ４×４カップラー」オプティクスレターズ、１
９８６年１０月、１１巻、１０号、６７７−６７９頁
（Ｔｈ．ＮｉｅｍｅｉｅｒａｎｄＲ．Ｕｌｒｉｃ
ｈ：“Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｏｕｔｐｕｔｓｆｒｏ
ｍｆｉｂｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｗｉ
ｔｈ４×４ｃｏｕｐｌｅｒ”．ＯｐｔｉｃｓＬｅ
ｔｔｅｒｓ，Ｏｃｔｏｂｅｒ１９８６，Ｖｏｌ．１
１，Ｎｏ．１０，ｐｐ６７７−６７９）。参照文献
〔３〕エイダブリューデビィス他「コヒーレン
トオプティカルレシーバーフォー６８０Ｍ
ｂｉｔ／ｓユージングフェイズダイバーシチ」エレ
クトロニクスレターズ、１９８６年１月２日、２２
巻、１号、９−１１頁（Ａ．Ｗ．Ｄａｖｉｓｅｔａ
ｌ．：“Ｃｏｈｅｒｅｎｔｏｐｔｉｃａｌｒｅｃｅ
ｉｖｅｒｆｏｒ６８０Ｍｂｉｔ／ｓｕｓｉｎｇ
ｐｈａｓｅｄｉｖｅｒｓｉｔｙ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２ｎｄＪａｎｕａｒｙ１
９８６，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１，ｐｐ９−１１）。参
照文献〔４〕ジェイピーツェッシュ、「スキャッタ
リングマトリックスアナリシスオブ３×３フ
ァイバーカップラーズ」ジャーンライトウェイブ
テクノロジー、７巻、２号、１９８９年２月、３０３−
３０７頁（Ｊ．Ｐｉｅｔｚｓｃｈ：“Ｓｃａｔｔｅｒｉ
ｎｇｍａｔｒｉｘａｎａｌｙｓｉｓｏｆ３×３
ｆｉｂｅｒＣｏｕｐｌｅｒｓ．”Ｊｏｕｒｎ．Ｌｉ
ｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．７，
Ｎｏ．２，Ｆｅｂｒｕａｒｙ１９８９，ｐｐ３０３−
３０７）。参照文献〔５〕シージェイマホン「エ
クスペリメンタルベリフィケイションオブノブル
オプティカルヘテロダインイメージリジェクシ
ョンレシーバーウイズポラリゼーションコント
ロール」イーシーオーシー’９０アムステルダム、１
巻、３８９−３９２頁（Ｃ．Ｊ．Ｍａｈｏｎ：“Ｅｘｐ
ｅｒｉｍｅｎｔａｌＶｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆ
ｎｏｖｅｌｏｐｔｉｃａｌｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ
ｉｍａｇｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｒｅｃｅｉｖｅｒ
ｗｉｔｈｐｏｌｏｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏ
ｌ”，ＥＣＯＣ’９０Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，Ｖｏｌ．
ｌ，ｐｐ３８９−３９２）。参照文献〔６〕エスソ
メコフ、「イントロダクショントゥーインテグレイ
テッドオプティクス」エムケイバーノスキー編、
１１章、プレヌムプレス、１９７４年（Ｓ．Ｓｏｍｅ
ｋｈ，ｉｎ：“Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｉｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｃｓ”，ｅｄｉｔｏｒ
Ｍ．Ｋ．Ｂａｒｎｏｓｋｉ，Ｃｐｔ．１１，Ｐｌｅｎｕ
ｍＰｒｅｓｓ，１９７４）。

【００１０】図１は光学複合体として知られる一般的２
×２ポートのブロック図を示す。そのようなポートは２
個の入力１及び２、２個の出力３及び４、スループット
Ｒと信号Ｅ_１及びＥ_２が、上述のポートの入力１及び２に各
々与えられるならば、すなわち、

【００１１】

【数３】

【００１２】出力３及び４での信号は次のように書け
る。

【００１３】

【数４】

【００１４】ある。

【００１５】

【数５】

【００１６】式（２ａ）、（２ｂ）、（３）を組み合わ
せて、次のようになる。

【００１７】

【数６】

【００１８】式（４）は、光学複合体の位相角φの関数
として、スループットＲに上限を決めている。この上限
の変化を図２に示す。この図中で、Ａ点（φ＝０゜、Ｒ
＝２５％）は、４個のＹ字接続からできた光学複合体の
既知の偏光型に対応する。Ｂ点（φ＝１２０°、Ｒ＝３
３．３％）は、既知の対称３×３連結器に対応する。Ｃ
点（φ＝１８０°、Ｒ＝５０％）は、既知の対称２×２
連結器に対応する。Ｄ点（φ＝９０゜、Ｒ＝２９．３
％）は、少なくとも理論的に以下９０°複合体という９
０°の位相シフト及び２５％以上のスループットを有す
る光学複合体に対応する。

【００１９】２９．３％のスループットを有する光学複
合体は、無損失で特に対称な３×３連結器とみなされ、
その入力ポートと出力ポートは、対称の意味で確かに位
置するが、用いられない。そのような無損失３×３連結
器の３入力ポートの各々と３出力ポートの各々との間の
パワースループットに対するスループット係数は、スル
ープットマトリックスにより与えられる。

【００２０】

【数７】

【００２１】このスループットマトリックスの特徴と
して、対角線の各々に関し対称であり、各列及び各行で
スループット係数の和が等しいことが言える。もしその
ようなスループットマトリックスをもつ３×３連結器
の入力ｉ＝１と３及び出力ｊ＝１と３のみを使用する
と、参照文献〔４〕と特にその中の式（９）に展開され
ているＳ−マトリックス理論により、正確に所望の位相
角φ＝９０°であり、その通りになっている。

【００２２】〔実施例〕以下に２個の光検知器から成る
コヒーレント検出システムで使用できるような上述のス
ループットマトリックスに基づく連結型光学９０°複
合体の例を述べよう。出発点は、任意の入口及び出口部
分間の連結領域内である連結長さＸにわたり並行して走
る３個の導波管から成る、対称３×３方向性連結器であ
る。連結領域内で導波管の１つが、他の２つの本質的に
同一の導波管に対して中央に位置することを意味するも
のとして、対称が理解される。その同じ導波管は伝搬定
数βをもち、その中央の導波管はそれとは違う伝搬定数
β＋δをもち、δは正でも負でもありうる。更に同じ導
波管間の直接連結が連結領域内で、同じ導波管と中央の
導波管との間の連結に比べて無視しうるものと仮定され
る。例えば参照文献〔６〕に開示されているようないわ
ゆる“ＷｅａｋＣｏｕｐｌｅｄＭｏｄｅＴｈｅｏ
ｒｙ”（ＷＣＭＴ）に基づき、そのような方向性連結器
の導波管中の光波の導入モードの行動は、連立した異な
る式のシステムにより書かれる。

【００２３】

【数８】

【００２４】このシステムで、Ｘ_１は導波管ｊ（ｊ＝
１，２，３）中の導入モードの振幅である。ｊ＝１，３
が同じ導波管に、ｊ＝２が中央に位置する導波管に対応
するように組み立てられる。Ｋは連結定数であり、２個
の同じ導波管の各々及び中央の導波管中の信号間の連結
の程度を示す。限界値として方向連結器の入力での各振
幅Ｘ_ｊの値で、システムを解析的に解くことができる。
スループットマトリックス（ｑ_ｉｊ）の要素は、入力
での異なる限界値に対する解を掛けて得られる。次の条
件でスループットマトリックス（Ｐ_ｉｊ）及び（ｑ
_ｉｊ）は、ある精度で同一である。

【００２５】

【数９】

【００２６】この結果は伝搬定数βに依存しない。連結
長さＸ、伝搬定数の差δ及び連結定数Ｋが関係式（６）
を満たす３×３方向性連結器は、所望のスループット
マトリックスをもち、そのスループット係数は５×１０
^−４以上の精度をもつ。

【００２７】理論上はファイバー連結器の基礎からも集
積形からも例は可能だが、模範的具体例は、既知の集積
工程を用いて製造でき、標準的な導波管材料や構造を使
用する集積型に限られるだろう。同時に更にＩｎＰを使
用しリッジ型の導波管をもつ集積型に限られるだろう。

【００２８】図３は、複合体の導波管構造が平面図に見
える連結型９０°複合体３０から成る、位相ダイバーシ
チ用のコヒーレント光学受容器の図を示す。上述の複合
体３０は受容した信号用の第１信号入力３１と、ローカ
ル発振器３３から発される発振器信号用の第２信号入力
３２とを有する。更に複合体は、第１信号出力３４と第
２信号出力３５とを有し、各々第１光検出器３６と第２
光検出器３７に光学的に連結する。複合体３０は中央の
導波管３８と、中央の導波管に関して互いの鏡像である
２つの本質的に同じ導波管３９及び４０とを有する。中
央の導波管３８は、導波管３９及び４０の伝搬定数
（β）とは異なる伝搬定数（β＋δ）を有し、図中では
幅の差によって表されている。連結領域４１において、
導波管３８、３９、４０はある長さＸにわたり平行に走
っている。図４は複合体３０のＩｎＰを使用する集積型
の連結領域４１の断面図を示す。導波管はリッジ型であ
る。共にＩｎＰでつくられた基層４２と表層４３との間
に位置するのが、ＩｎＧａＡｓＰでつくられ厚さｔの光
導入層４４である。表層４３には、導波管３８、３９、
４０の全長にわたって、固定した高さｈと全高Ｈのリッ
ジ型プラットホーム４３．１、４３．２、４３．３が
ある。導波管３９及び４０に対応するリッジ型プラット
ホーム４３．２及び４３．３は幅Ｗであり、導波管３８
に対応するものは幅Ｗ’である。連結領域４１内でリッ
ジ型プラットホームは相互空間ｄをもつ。次の値は、光
信号に用いられる１．５μｍの波長に対するスループッ
トマトリックス（Ｐ_ｉｊ）の良い近似であるスループ
ットマトリックスをもつ複合体のそのような集積型の
典型である、・ＩｎＰの屈折率、ｎ_１＝３．１７５４．ＩｎＧａＡｓＰの屈折率、ｎ_２＝３．４１６・Ｘ＝４．８ｍｍ、ｔ＝０．４７３μｍ、Ｈ＝０．３９
０μｍ、ｈ＝０．２００μｍ、ｄ＝５．００μｍ、Ｗ＝
３．００μｍ、Ｗ’＝３．０６９μｍ与えられた値により定義される３×３方向性連結器の連
結領域４１の片側で導波管３９を経由して送り出される
ＴＥ−偏光信号の信号伝搬のシュミレーションは、送り
出された信号パワーの約２８．４％が導波管３９を経て
あらわれ、約２９．２％が連結領域４１の他方の側で導
波管４０を経てあらわれ、２つのあらわれた信号間の位
相差は約４５°であったと報じた。導波管４０への同じ
信号の送り出しは鏡像結果を起こし、すなわち位相差は
約−４５°であった。導波管構造を更に良くすると、ス
ループットに対して出された上限にもっと接近すること
は可能だろうと予想される。この点について、連結領域
の外側の導波管３８、３９、４０の入口と出口部分の影
響も、いくらかの連結がそこでも起こるのだから、設計
に含めるべきだ。これは、連結定数Ｋに対して変数値を
用いる微分方程式を解くことによりなされうる。しか
し、導波管の間の空間が連結領域４１の外側で増すと、
Ｋの値が指数的に減少するので、Ｘとδに対する関係式
（６）にはわずかの変化しか生じないだろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学複合体として使用されうる一般的２×２ポ
ートのブロック図である。

【図２】図１による光学複合体の位相角φの関数とし
て、スループットＲの上限の変化を示したものである。

【図３】本発明による連結型複合体から成るコヒーレン
ト光学受容器を図式的に示したものである。

【図４】図３に示された複合体の集積型の導波管構造の
断面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヨハネスヤコブスゲラルドスマリアバンデルトールオランダ国 2728 エムピーゼーターメールルイムテバーン 313

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学複合体が、３個の入力及び３個の出
力を有する３個の連結導波管の３×３連結装置、入力ポ
ートを形成する入力２個、出力ポートを形成する出力２
個、入力ポートの各々から出力ポートの各々への２５％
以上であるパワースループットから成ることを特徴とす
る、第１及び第２光信号を送り出すための各々第１及び
第２入力ポート、第１及び第２出力信号を連結するため
の各々第１及び第２出力ポートを有し、該出力信号が相
互位相差約９０°で入力信号の各々の第１及び第２コヒ
ーレント生成物を含む光学複合体。
【請求項２】該連結装置が、３×３連結装置のｉ番目
入力ポートからｊ番目出力ポートへのパワースループッ
トに対するスループット係数がスループットマトリック
スにより本質的に与えられる、本質的に無損失３×３連
結装置であることを特徴とする請求項１記載の光学複合
体。【数１】
【請求項３】該連結装置が、３個の導波管が長さＸに
わたり本質的に平行に走り、導波管の２個は本質的に同
一で第３の導波管を通じて対称の平面を有し、少なくと
も連結領域においては、第３の導波管は２個の本質的に
同一の導波管の伝搬定数から差δを示し、２個の同一の
導波管は連結領域内で第３の導波管に連結定数Ｋで本質
的に等しく連結している連結領域から成ることを特徴と
する請求項２記載の光学複合体。
【請求項４】連結長さＸ、伝搬定数の差δ、連結定数
Ｋが、少なくとも近似的に、Ｘ・Ｋ＝１．２０５６５及
びδ／Ｋ＝１．０４３の関係を満たすことを特徴とする
請求項３記載の光学複合体。
【請求項５】該連結装置がファイバ連結器であること
を特徴とする請求項４記載の光学複合体。
【請求項６】該連結装置が集積光学連結器であること
を特徴とする請求項４記載の光学複合体。
【請求項７】検出装置が２個だけの光検出器から成
り、その各々は光学複合体の出力ポートの１つに連結し
ていて、光学複合体の入力ポートの各々から光検出器に
連結した出力ポートの各々へのパワースループットが２
５％以上であることを特徴とする、光学ローカル発振
器、つりあう信号を送り出すための２個の入力ポート及
び２つの送り出された信号の位相の異なるコヒーレント
生成物を連結するための出力ポート２個以上を有する光
学複合体、及びコヒーレント生成物を検出し相互に位相
が９０°異なる２つの出力信号を伝達するための検出装
置とから成るコヒーレント光学受容器。
【請求項８】該光学複合体が請求項１〜６のいずれか
１つに記載の複合体であることを特徴とする請求項７記
載の受容器。