光ハイブリッド回路及び光受信機
【課題】２：２光カプラを用い、導波路交差を避けた光ハイブリッド回路を提供する。
【解決手段】第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、第５、第６の出力チャネルに接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、第１の出力チャネルと第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、第８の出力チャネルと第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、を有する。
【解決手段】第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、第５、第６の出力チャネルに接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、第１の出力チャネルと第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、第８の出力チャネルと第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ハイブリッド回路及び光受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多量の光情報伝送を可能にするため、多値位相偏移変調方式が活発に研究開発されている。多値位相偏移変調信号を復調するためには、通常、９０度ハイブリッドを含む光受信機が用いられる。９０度ハイブリッドは、信号の位相変調状態により、異なる分岐比を有する出力形態を示す。９０度ハイブリッドを、小型に且つ広波長帯域を有する特性に製造することが望まれる。このような条件を満たすためには、９０度ハイブリッドを半導体基板上にモノリシックに集積化することが望まれる。
【０００３】
モノリシック集積化が可能な光導波路構造を有する９０度ハイブリッドとして、４：４多モード干渉（ＭＭＩ：multimode interference）カプラが挙げられる（例えば、IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, No. 6, pp. 701-703, １９９３年６月）。４：４ＭＭＩカプラの場合、入力側の４入力チャネルの内、中心軸非対称性を有する２つのチャネルを適切に選べば、ＭＭＩ領域内部のモード干渉作用により、９０度づつ異なる位相関係を得ることができる。
【０００４】
図７Ａは、４：４ＭＭＩカプラの構成を概略的に示す。ＭＭＩカプラ１０１の４入力チャネルの内の２つの入力チャネルに信号Ｓと局部発振光ＬＯが入射すると、４出力チャネルから２つの同相信号Ｉ，および２つの直交位相信号Ｑが出力し、９０度ハイブリッドとして機能する。出力側で外側の２チャネルを１対の同相信号Ｉとして取り出すため、２箇所の導波路交差を用いる必要がある。同一層内で導波路交差を形成すると、過剰損、クロストークの原因となる。過剰損、クロストークを最小限に抑えるため、交差する導波路は直交させることが望まれる。さらに、ペアとなる導波路の光学長は同一とする。このため、素子サイズの増大が避けにくい。動作波長帯域の面でも不利となる。
【０００５】
１対の入力チャネルと、同相関係にある１対の第１出力チャネルと、同相関係にある１対の第２出力チャネルとを備えるＭＭＩカプラと、その同相関係にある２つの出力チャネルに接続された２つの入力チャネルと、２つの出力チャネルを備え、同相関係にある信号を直交位相関係にある信号に変換する２：２光カプラとを有する光ハイブリッド回路も提案されている（例えば特開２０１０−１７１９２２号）。
【０００６】
図７Ｂは、２：４ＭＭＩカプラ１０２と２：２ＭＭＩカプラ１０３を用い、２：４ＭＭＩカプラ１０２から１対の同相関係Ｉにある信号（Ｓ−Ｌ）、（Ｓ＋Ｌ）を出力し、２：２ＭＭＩカプラ１０３から１対の直交位相関係Ｑにある信号（Ｓ＋ｊＬ）、（Ｓ−ｊＬ）を出力している。
【０００７】
入力側、出力側に、それぞれ２つの２：２光カプラを並列に配置し、中間で１つの導波路交差を形成し、位相シフタを組み合わせた方式も提案されている（例えば、Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, N0. 5, pp. 794-798, １９８９年５月）。２：２光カプラは、素子設計が比較的容易であり、作製トレランスにも優れている。これらを組み合わせて９０度ハイブリッドを実現することができる。
【０００８】
図８Ａは、４つの２：２光カプラと１つの位相シフタを組み合わせた方式を概略的に示す。入力側に２つの２：２光カプラ１１１，１１２を併設し、４つの出力チャネルの内、内側の２チャネルを交差させ、出力側の２つの２：２光カプラ１２１，１２２の入力チャネルに接続する。導波路交差を１箇所に低減できる。ここで、内側の２つのチャネルの導波路交差を９０度で行うとし、外側の２つのチャネルはペアとなるチャネルと同一光学長とする。さらに、位相シフタ１３１を一方の外側チャネル、図では下側のチャネル、に接続し、基本的に±（π／２）の位相差を得る。このようにして、出力側の２つの光カプラ１２１，１２２から、２つの直交信号Ｑ，２つの同相信号Ｉを得る。直交する２つの内側チャネルの曲率半径をＲ１，外側の２つのチャネルの曲率半径をＲ２＝Ｒ１／２とする。外側の２つのチャネルが規定する幅を、９０度ハイブリッドの幅Ｗ，入力側の光カプラ１１１，１１２の入力側端面から出力側光カプラ１２１，１２２の出力側端面までの長さを、９０度ハイブリッドの長さＬとすると、９０度ハイブリッドの占有面積（dimension）Ｄは、Ｄ＝Ｗ＊Ｌで近似できる。各光カプラの長さは、１０５μｍと設定した。交差するチャネルは、光カプラ出力端面を出てから交差するまでに角度θＡ曲げられるとする。交差角度は２θＡとなる。
【０００９】
図８Ｂは、９０度ハイブリッドの占有面積Ｄの曲率半径Ｒ１に対する関係を示すグラフである。交差角度は９０度とした。横軸は曲率半径Ｒ１をリニアスケールで示し、縦軸は占有面積Ｄをログスケールで示す。極率半径Ｒ１の増加と共に、占有面積は指数関数的に増加する。信号強度のロスを抑制するためには、曲率半径は大きいことが好ましく、例えば、２００μｍに設定する。この時、占有面積Ｄは、約０．４ｍｍ２弱である。
【００１０】
図８Ｃは、９０度ハイブリッドの占有面積Ｄの、交差するチャネルの交差角度（２θＡ）に対する関係を示すグラフである。曲率半径Ｒ１は２００μｍとした。横軸は、交差角度（２θＡ）をリニアスケールで示し、縦軸は占有面積Ｄをログスケールで示す。交差角度（２θＡ）の増加と共に、占有面積Ｄは指数関数的に増加する。交差角度２θＡを９０度とすると、占有面積Ｄは、約０．４ｍｍ２弱となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１７１９２２号公報、
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, No. 6, pp. 701-703, １９９３年６月、
【非特許文献２】Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, N0. 5, pp. 794-798, １９８９年５月。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、２：２光カプラを用い、導波路交差を避けた光ハイブリッド回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１観点によれば、
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、前記第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
第１の出力チャネルと第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
第８の出力チャネルと第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路
が提供される。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、
光受信領域と、処理領域とを含む半導体基板と、
光受信領域において第１の屈折率を有する導波層と第１の屈折率より低い第２の屈折率を有し、導波層を挟むクラッド層とをハイメサ構造に加工、パターニングした光ハイブリッド回路であって；
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
第１の出力チャネルと第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
第８の出力チャネルと第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有する、光ハイブリッド回路と、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路と、
を有する光受信機
が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１−１】および、
【図１−２】図１Ａ〜１Ｇは、第１の実施例による光ハイブリッド回路を説明するためのダイアグラム、グラフ、であり、図１Ａは構成を示すダイアグラム、図１Ｂは機能を示すダイアグラム、図１Ｃは、曲率半径に対する面内面積を従来の素子と比較して示すグラフ、図１Ｄは、位相差による４出力の変化を示すグラフ、図１Ｅは波長に対する４出力の変化を示すグラフ、図１Ｆは波長に対する相対位相ずれを示すグラフ、図１Ｇは、製造方法を説明するための基板断面図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｄは、第１の実施例の変形例を示すダイアグラムである。
【図３】図３は、第２の実施例による光受信機を示すダイアグラムである。
【図４】図４は、第３の実施例による光ハイブリッド回路を示すダイアグラムである。
【図５】図５は、第４の実施例による光受信機を示すダイアグラムである。
【図６】図６は実施例による光受信機を集積化した半導体基板の平面図である。
【図７】図７Ａ，７Ｂは、公知技術による光ハイブリッド回路の例を示すダイアグラムである。
【図８】図８Ａ，８Ｂ、８Ｃは、他の公知技術による光ハイブリッド回路の例を示すダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して実施例による光ハイブリッド回路を説明する。
【００１７】
図１Ａ，１Ｂは、第１の実施例による光ハイブリッド回路の構成、及び作用を示すダイアグラムである。図１Ａに示すように、光ハイブリッド回路は、第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラＰＣ１と、第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラＰＣ２と、第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに同じ光学長の光導波路ＷＧ２，ＷＧ３で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラＰＣ３と、第５、第６の出力チャネルに同じ光学長の光導波路ＷＧ５，ＷＧ６で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラＰＣ４と、第１の出力チャネルに光導波路ＷＧ１で接続された第９入力チャネルと、第７の出力チャネルに光導波路ＷＧ７で接続された第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラＰＣ５と、第８の出力チャネルに光導波路ＷＧ８で接続された第１１の入力チャネルと、第４の出力チャネルに光導波路ＷＧ４で接続された第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラＰＣ６と、光導波路ＷＧ４に接続された位相シフタＰＳを含む。
【００１８】
光導波路ＷＧ７とＷＧ８の光学長は等しく、光導波路ＷＧ１およびＷＧ４の光学長は、光導波路ＷＧ２（ＷＧ３），第３の光カプラＰＣ３，光導波路ＷＧ５（ＷＧ６），第４の光カプラＰＣ４，光導波路ＷＧ７（ＷＧ８）の総光学長に等しい。光導波路ＷＧ４は位相シフタＰＳを備える。第１の入力チャネルに信号Ｓが供給され、第４の入力チャネルに局所発振光（基準光）ＬＯ（簡単化のため、以下Ｌで表記する）が供給される。光カプラＰＣ５が同相信号Ｉを出力し、光カプラＰＣ６が直交位相信号Ｑを出力する。
【００１９】
図１Ｂを参照して、光ハイブリッド回路の機能を説明する。光カプラＰＣは、２つの入力チャネルに供給された入力信号をそれぞれ２分割し、一方は位相を９０度ずらして出力チャネルに供給する機能を有する。入力が一方のみの場合はその入力信号が２分割される。なお、ベクトル量であるので９０度位相のずれた２成分に分割されると、振幅は１／（２１／２）になる。第１の入力チャネルに信号Ｓが供給され、第４の入力チャネルに局所発振光（基準光）Ｌが供給される。光カプラＰＣ１は、第１、第２の出力チャネルに信号Ｓを２分割し、位相を９０度ずらした信号を発生させる。同様に、第２の光カプラＰＣ２は、第３、第４の出力チャネルに基準光Ｌを２分割し、位相を９０度ずらした信号を発生させる。第３、第４の光カプラＰＣ３、ＰＣ４は、結果としては、２入力を交換した出力を形成する。第５の光カプラには、信号Ｓ成分と−π／２位相のずれた基準光Ｌ成分が供給され、同相信号Ｓ−Ｌ、Ｓ＋Ｌを供給する。第６の光カプラＰＣ６には、−π／２位相のＳ成分とＬ成分が供給され、直交信号Ｓ−ｊＬ，Ｓ＋ｊＬを供給する。
【００２０】
この構成を、以下のように考えることもできるであろう。図中、光カプラＰＣ３，ＰＣ４を外すと、上部では、光カプラＰＣ１、ＰＣ５がマッハツェンダ干渉計を構成し、下部では光カプラＰＣ２、ＰＣ６がマッハツェンダ干渉計を構成する。ここで、上下のマッハツェンダ干渉計の内側のアームに、新たなマッハツェンダ干渉計を構成する光カプラＰＣ３，ＰＣ４を直列接続する。
【００２１】
なお、信号光Ｓ及び基準光Ｌは、
Ｓ ＝ ＰＳ１／２ｅｘｐ［−ｊ・ΨＳ］
Ｌ ＝ ＰＬ１／２ｅｘｐ［−ｊ・ΨＬ］
と表記できる。ここで、ＰＳおよびＰＬは、信号光及び基準光の強度であり、ΨＳおよびΨＬは信号光及び基準光の位相である。信号光、基準光は同じ周波数成分を有すると仮定している。なお、第３及び第４光カプラからなるマッハツェンダ干渉計により、位相関係が９０度回転する。４つの出力チャネルにおける相対位相関係は、Ｓ−Ｌ，Ｓ＋Ｌ，Ｓ−ｊＬ，Ｓ＋ｊＬとなり、直交位相関係を示すことがわかる。９０度ハイブリッドとして機能する。
【００２２】
図１Ｂの上下のマッハツェンダ干渉計において、一方のアームは２つの光カプラを経由している。他方のアームは単一モード導波路である。従って２つのアームの光路長は一般的には異なる。光路長差による位相ずれδφＥＸが生じる。位相ずれδφＥＸが生じると、直交位相関係はδφＥＸの−２倍に比例してずれることになる。
【００２３】
ＦＭ ＝ （ｐ＋π）／２ − ２・δφＥＸ （radian）
ここで、ｐは任意の整数、ＦＭは所望の直交位相関係からの変化量を示す指数である。理想の直交関係、
ＦＭ ＝ ±π／２ （radian）
とするためには、
φｋ ＝ （ｐ＋π）／２ ＋ ２・δφＥＸ （radian）
に設定すればよい。
【００２４】
本実施例においては、図１Ａに示すように導波路交差が不要である。従って、曲げ導波路の曲げ角度を容易に小さくすることができる。
【００２５】
図１Ｃは、曲げ導波路の曲率半径ＲＳに対する９０度ハイブリッド回路の占有面積を示すグラフである。曲げ半径に依存せず、占有面積をほぼ一定に保つことが出来る。なお、参考のため、図８Ａ、８Ｂに示す従来の素子面積を併せて示す。曲率半径２００μｍの場合、従来素子と較べて、ほぼ１／７０以下に小型化することができる。導波路の形状に対する要求も少なく、導波路の総長を短くすることができ、作製工程に由来する揺らぎを小さくすることもできる。
【００２６】
図１Ｄは、２つの光信号の相対的位相差Δρに対する透過特性を示す。横軸が相対的位相差Δρを示し、縦軸が４つのチャネル出力Ｃｈ１〜Ｃｈ４の透過率（任意メモリ）を示す。シミュレーションに用いた９０度ハイブリッドは、後述するＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ導波層を有するハイメサ導波路構造を有するとした。
【００２７】
図１Ｇは、９０度ハイブリッド回路を製造するプロセスを説明するための概略断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１１の上に、例えば有機金属気相成長エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）によりアンドープのＧａＩｎＡｓＰ層１２（発光波長１．３μｍ）を厚さ約０．３μｍ成長し、続いてｐ型ＩｎＰ層１３を厚さ約２．０μｍ成長する。ｐ型ＩｎＰ層１３の上にＳｉＯ２膜等をスパッタリング等で形成し、フォトレジストパターンを用いて所望形状にエッチングし、ハードマスク１４を形成する。ハードマスク１４をエッチングマスクとし、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応性イオンエッチング等のドライエッチングで高さ約３．０μｍのハイメサ構造を形成する。光カプラ、導波路等をパターニングすることにより、９０度ハイブリッド回路を形成することができる。
【００２８】
例えば、２：２光カプラは多モード干渉（ＭＭＩ）カプラとし、５０：５０の分岐比を得るように、導波路幅２．０μｍ、ＭＭＩカプラの導波路アレー間隔１．０μｍ、ＭＭＩカプラの幅５．０μｍ、ＭＭＩカプラの長さ１０５μｍ、に設定した。位相シフタφｋの適正化のため、φｋの値をビーム伝播法に基づく数値解析を用いて求めた。φＥＸは−０．８１６π（radian）と見積もられ、最適なφｋは、
φｋ ＝ （３π／２） ＋ ２・（−０．８１６π） ＝ −０．１３２π (radian)
となった。図１Ａに示す位相シフタＰＳのシフト量を−０．１３２πに設定した時、図１Ｄに示すような特性が得られる。過剰損失やクロストークも生じず、良好な９０度ハイブリッドとして機能することが判る。
【００２９】
図１Ｅ，１Ｆは、図１Ａに示す９０度ハイブリッド回路の透過振幅特性及び相対位相ずれ(Δφ）特性を示す。横軸はＣバンドの波長を示し、縦軸が透過振幅特性及び相対位相ずれ(Δφ）特性を示す。図１Ｅに示す分岐特性は、波長によらずチャネル間偏差が０．４ｄＢ以下に抑えられている。同等強度の４成分に分割されている。図１Ｆに示す相対位相ずれは、Ｃバンド帯域内、全チャネルで±５度以下である。経験上±５度以内の位相ずれであれば、エラーなく完全に復調することができる。
【００３０】
なお、ＩｎＰ基板上に９０度ハイブリッド回路を形成する場合を説明したが、同一基板上に局所発振光源、フォトダイオード、論理回路等を作製することも可能である。Ｓｉ基板上に、酸化シリコン等の誘電体層を介してＳｉ層を有するＳＯＩ基板を用いて９０度ハイブリッド回路を形成することもできる。ＧａＡｓ基板を用いることも可能である。なお、９０度光ハイブリッド回路の構成は図１Ａに示すものに限られない。
【００３１】
図２Ａは、位相シフタＰＳを、導波路ＷＧ４ではなく、導波路ＷＧ１に設ける場合を示す。このように、位相シフタは下部のマッハツェンダ干渉計のアームに配置しても、上部のマッハツェンダ干渉計のアームに配置してもよい。同相成分と直交成分が、図１Ａと較べて入れ替わる。素子の寸法、特性は変わらない。
【００３２】
図２Ｂは、光カプラＰＣ３の入力チャネルと光カプラＰＣ１，ＰＣ２の出力チャネルの間の光導波路を省略して、光カプラＰＣ３を光カプラＰＣ１，ＰＣ２に直結した構成をしめす。
【００３３】
図２Ｃは、さらに光カプラＰＣ３と光カプラＰＣ４との間の光導波路も省略し、直結した場合を示す。寸法の小さな９０度ハイブリッド回路を作製するのに有利な構成となろう。
【００３４】
図２Ｄは、直列に接続した光カプラＰＣ３，ＰＣ４の分岐比を５０：５０でなく、Ｘ：ＹとＹ：Ｘに設定する場合を示す。たとえば、Ｘ＝８５，Ｙ＝１５である。反対の比とすることにより、同じ結果を得ることができる。原理的には任意の比率が可能である。
【００３５】
図３は、第２の実施例による光受信機を示すダイアグラムである。図１Ａに示した９０度ハイブリッド回路２１の入力側に基準光発振器ＬＯを配置して、第２光カプラの入力チャネルに基準光を供給する。また、９０度ハイブリッド回路２１の２対の出力をそれぞれバランスドフォトダイオードＢＰＤで差動検出し、トランスインピーダンスアンプＴＩＡを介して、アナログデジタル変換機ＡＤＣでデジタル信号に変換し、論理回路３１で論理演算する。局所発振器ＬＯ，光カプラＰＣ，光導波路ＷＧの部分をまとめて光回路２０とし、バランスドフォトダイオードＢＰＤ以下の回路部分を電子回路３０とする。
【００３６】
図６に示すように、ＩｎＰ基板に光回路領域２０、電子回路領域３０を形成し、集積化した光受信機を形成することができる。
【００３７】
図４は、基準光源を特に用いない第３の実施例を示す。９０度ハイブリッド回路２１の前段に、片方のアームに光路長差を有する１：２光カプラＰＰＣが設けられている。差分４位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ differential quadrature phase shift keying）信号光のような、差分位相変調信号が１：２光カプラＰＰＣに供給される。一方のアームでＤＱＰＳＫ信号パルスの１ビット分の遅延が与えられ、次段の２入力が形成される。信号光パルスは、１：２ＭＭＩカプラを経由し、２つの経路に分かれた信号光同士は、前述の位相差δρを形成し、干渉する。結果的に１：２ＭＭＩカプラ以降の動作は、第１の実施例の９０度ハイブリッド同様である。
【００３８】
図５は、図４に示す光ハイブリッド回路を用いた光受信機を示す。図３の発振機ＬＯの代わりに、１：２ＭＭＩカプラＰＰＣを用いている。動作はほぼ同様である。
【００３９】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、修正、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ハイブリッド回路及び光受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多量の光情報伝送を可能にするため、多値位相偏移変調方式が活発に研究開発されている。多値位相偏移変調信号を復調するためには、通常、９０度ハイブリッドを含む光受信機が用いられる。９０度ハイブリッドは、信号の位相変調状態により、異なる分岐比を有する出力形態を示す。９０度ハイブリッドを、小型に且つ広波長帯域を有する特性に製造することが望まれる。このような条件を満たすためには、９０度ハイブリッドを半導体基板上にモノリシックに集積化することが望まれる。
【０００３】
モノリシック集積化が可能な光導波路構造を有する９０度ハイブリッドとして、４：４多モード干渉（ＭＭＩ：multimode interference）カプラが挙げられる（例えば、IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, No. 6, pp. 701-703, １９９３年６月）。４：４ＭＭＩカプラの場合、入力側の４入力チャネルの内、中心軸非対称性を有する２つのチャネルを適切に選べば、ＭＭＩ領域内部のモード干渉作用により、９０度づつ異なる位相関係を得ることができる。
【０００４】
図７Ａは、４：４ＭＭＩカプラの構成を概略的に示す。ＭＭＩカプラ１０１の４入力チャネルの内の２つの入力チャネルに信号Ｓと局部発振光ＬＯが入射すると、４出力チャネルから２つの同相信号Ｉ，および２つの直交位相信号Ｑが出力し、９０度ハイブリッドとして機能する。出力側で外側の２チャネルを１対の同相信号Ｉとして取り出すため、２箇所の導波路交差を用いる必要がある。同一層内で導波路交差を形成すると、過剰損、クロストークの原因となる。過剰損、クロストークを最小限に抑えるため、交差する導波路は直交させることが望まれる。さらに、ペアとなる導波路の光学長は同一とする。このため、素子サイズの増大が避けにくい。動作波長帯域の面でも不利となる。
【０００５】
１対の入力チャネルと、同相関係にある１対の第１出力チャネルと、同相関係にある１対の第２出力チャネルとを備えるＭＭＩカプラと、その同相関係にある２つの出力チャネルに接続された２つの入力チャネルと、２つの出力チャネルを備え、同相関係にある信号を直交位相関係にある信号に変換する２：２光カプラとを有する光ハイブリッド回路も提案されている（例えば特開２０１０−１７１９２２号）。
【０００６】
図７Ｂは、２：４ＭＭＩカプラ１０２と２：２ＭＭＩカプラ１０３を用い、２：４ＭＭＩカプラ１０２から１対の同相関係Ｉにある信号（Ｓ−Ｌ）、（Ｓ＋Ｌ）を出力し、２：２ＭＭＩカプラ１０３から１対の直交位相関係Ｑにある信号（Ｓ＋ｊＬ）、（Ｓ−ｊＬ）を出力している。
【０００７】
入力側、出力側に、それぞれ２つの２：２光カプラを並列に配置し、中間で１つの導波路交差を形成し、位相シフタを組み合わせた方式も提案されている（例えば、Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, N0. 5, pp. 794-798, １９８９年５月）。２：２光カプラは、素子設計が比較的容易であり、作製トレランスにも優れている。これらを組み合わせて９０度ハイブリッドを実現することができる。
【０００８】
図８Ａは、４つの２：２光カプラと１つの位相シフタを組み合わせた方式を概略的に示す。入力側に２つの２：２光カプラ１１１，１１２を併設し、４つの出力チャネルの内、内側の２チャネルを交差させ、出力側の２つの２：２光カプラ１２１，１２２の入力チャネルに接続する。導波路交差を１箇所に低減できる。ここで、内側の２つのチャネルの導波路交差を９０度で行うとし、外側の２つのチャネルはペアとなるチャネルと同一光学長とする。さらに、位相シフタ１３１を一方の外側チャネル、図では下側のチャネル、に接続し、基本的に±（π／２）の位相差を得る。このようにして、出力側の２つの光カプラ１２１，１２２から、２つの直交信号Ｑ，２つの同相信号Ｉを得る。直交する２つの内側チャネルの曲率半径をＲ１，外側の２つのチャネルの曲率半径をＲ２＝Ｒ１／２とする。外側の２つのチャネルが規定する幅を、９０度ハイブリッドの幅Ｗ，入力側の光カプラ１１１，１１２の入力側端面から出力側光カプラ１２１，１２２の出力側端面までの長さを、９０度ハイブリッドの長さＬとすると、９０度ハイブリッドの占有面積（dimension）Ｄは、Ｄ＝Ｗ＊Ｌで近似できる。各光カプラの長さは、１０５μｍと設定した。交差するチャネルは、光カプラ出力端面を出てから交差するまでに角度θＡ曲げられるとする。交差角度は２θＡとなる。
【０００９】
図８Ｂは、９０度ハイブリッドの占有面積Ｄの曲率半径Ｒ１に対する関係を示すグラフである。交差角度は９０度とした。横軸は曲率半径Ｒ１をリニアスケールで示し、縦軸は占有面積Ｄをログスケールで示す。極率半径Ｒ１の増加と共に、占有面積は指数関数的に増加する。信号強度のロスを抑制するためには、曲率半径は大きいことが好ましく、例えば、２００μｍに設定する。この時、占有面積Ｄは、約０．４ｍｍ２弱である。
【００１０】
図８Ｃは、９０度ハイブリッドの占有面積Ｄの、交差するチャネルの交差角度（２θＡ）に対する関係を示すグラフである。曲率半径Ｒ１は２００μｍとした。横軸は、交差角度（２θＡ）をリニアスケールで示し、縦軸は占有面積Ｄをログスケールで示す。交差角度（２θＡ）の増加と共に、占有面積Ｄは指数関数的に増加する。交差角度２θＡを９０度とすると、占有面積Ｄは、約０．４ｍｍ２弱となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１０−１７１９２２号公報、
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 5, No. 6, pp. 701-703, １９９３年６月、
【非特許文献２】Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, N0. 5, pp. 794-798, １９８９年５月。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、２：２光カプラを用い、導波路交差を避けた光ハイブリッド回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１観点によれば、
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、前記第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
第１の出力チャネルと第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
第８の出力チャネルと第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路
が提供される。
【００１４】
本発明の他の観点によれば、
光受信領域と、処理領域とを含む半導体基板と、
光受信領域において第１の屈折率を有する導波層と第１の屈折率より低い第２の屈折率を有し、導波層を挟むクラッド層とをハイメサ構造に加工、パターニングした光ハイブリッド回路であって；
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
第１の出力チャネルと第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
第８の出力チャネルと第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有する、光ハイブリッド回路と、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路と、
を有する光受信機
が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１−１】および、
【図１−２】図１Ａ〜１Ｇは、第１の実施例による光ハイブリッド回路を説明するためのダイアグラム、グラフ、であり、図１Ａは構成を示すダイアグラム、図１Ｂは機能を示すダイアグラム、図１Ｃは、曲率半径に対する面内面積を従来の素子と比較して示すグラフ、図１Ｄは、位相差による４出力の変化を示すグラフ、図１Ｅは波長に対する４出力の変化を示すグラフ、図１Ｆは波長に対する相対位相ずれを示すグラフ、図１Ｇは、製造方法を説明するための基板断面図である。
【図２】図２Ａ〜２Ｄは、第１の実施例の変形例を示すダイアグラムである。
【図３】図３は、第２の実施例による光受信機を示すダイアグラムである。
【図４】図４は、第３の実施例による光ハイブリッド回路を示すダイアグラムである。
【図５】図５は、第４の実施例による光受信機を示すダイアグラムである。
【図６】図６は実施例による光受信機を集積化した半導体基板の平面図である。
【図７】図７Ａ，７Ｂは、公知技術による光ハイブリッド回路の例を示すダイアグラムである。
【図８】図８Ａ，８Ｂ、８Ｃは、他の公知技術による光ハイブリッド回路の例を示すダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して実施例による光ハイブリッド回路を説明する。
【００１７】
図１Ａ，１Ｂは、第１の実施例による光ハイブリッド回路の構成、及び作用を示すダイアグラムである。図１Ａに示すように、光ハイブリッド回路は、第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラＰＣ１と、第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラＰＣ２と、第２の出力チャネルと第３の出力チャネルに同じ光学長の光導波路ＷＧ２，ＷＧ３で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラＰＣ３と、第５、第６の出力チャネルに同じ光学長の光導波路ＷＧ５，ＷＧ６で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラＰＣ４と、第１の出力チャネルに光導波路ＷＧ１で接続された第９入力チャネルと、第７の出力チャネルに光導波路ＷＧ７で接続された第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラＰＣ５と、第８の出力チャネルに光導波路ＷＧ８で接続された第１１の入力チャネルと、第４の出力チャネルに光導波路ＷＧ４で接続された第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラＰＣ６と、光導波路ＷＧ４に接続された位相シフタＰＳを含む。
【００１８】
光導波路ＷＧ７とＷＧ８の光学長は等しく、光導波路ＷＧ１およびＷＧ４の光学長は、光導波路ＷＧ２（ＷＧ３），第３の光カプラＰＣ３，光導波路ＷＧ５（ＷＧ６），第４の光カプラＰＣ４，光導波路ＷＧ７（ＷＧ８）の総光学長に等しい。光導波路ＷＧ４は位相シフタＰＳを備える。第１の入力チャネルに信号Ｓが供給され、第４の入力チャネルに局所発振光（基準光）ＬＯ（簡単化のため、以下Ｌで表記する）が供給される。光カプラＰＣ５が同相信号Ｉを出力し、光カプラＰＣ６が直交位相信号Ｑを出力する。
【００１９】
図１Ｂを参照して、光ハイブリッド回路の機能を説明する。光カプラＰＣは、２つの入力チャネルに供給された入力信号をそれぞれ２分割し、一方は位相を９０度ずらして出力チャネルに供給する機能を有する。入力が一方のみの場合はその入力信号が２分割される。なお、ベクトル量であるので９０度位相のずれた２成分に分割されると、振幅は１／（２１／２）になる。第１の入力チャネルに信号Ｓが供給され、第４の入力チャネルに局所発振光（基準光）Ｌが供給される。光カプラＰＣ１は、第１、第２の出力チャネルに信号Ｓを２分割し、位相を９０度ずらした信号を発生させる。同様に、第２の光カプラＰＣ２は、第３、第４の出力チャネルに基準光Ｌを２分割し、位相を９０度ずらした信号を発生させる。第３、第４の光カプラＰＣ３、ＰＣ４は、結果としては、２入力を交換した出力を形成する。第５の光カプラには、信号Ｓ成分と−π／２位相のずれた基準光Ｌ成分が供給され、同相信号Ｓ−Ｌ、Ｓ＋Ｌを供給する。第６の光カプラＰＣ６には、−π／２位相のＳ成分とＬ成分が供給され、直交信号Ｓ−ｊＬ，Ｓ＋ｊＬを供給する。
【００２０】
この構成を、以下のように考えることもできるであろう。図中、光カプラＰＣ３，ＰＣ４を外すと、上部では、光カプラＰＣ１、ＰＣ５がマッハツェンダ干渉計を構成し、下部では光カプラＰＣ２、ＰＣ６がマッハツェンダ干渉計を構成する。ここで、上下のマッハツェンダ干渉計の内側のアームに、新たなマッハツェンダ干渉計を構成する光カプラＰＣ３，ＰＣ４を直列接続する。
【００２１】
なお、信号光Ｓ及び基準光Ｌは、
Ｓ ＝ ＰＳ１／２ｅｘｐ［−ｊ・ΨＳ］
Ｌ ＝ ＰＬ１／２ｅｘｐ［−ｊ・ΨＬ］
と表記できる。ここで、ＰＳおよびＰＬは、信号光及び基準光の強度であり、ΨＳおよびΨＬは信号光及び基準光の位相である。信号光、基準光は同じ周波数成分を有すると仮定している。なお、第３及び第４光カプラからなるマッハツェンダ干渉計により、位相関係が９０度回転する。４つの出力チャネルにおける相対位相関係は、Ｓ−Ｌ，Ｓ＋Ｌ，Ｓ−ｊＬ，Ｓ＋ｊＬとなり、直交位相関係を示すことがわかる。９０度ハイブリッドとして機能する。
【００２２】
図１Ｂの上下のマッハツェンダ干渉計において、一方のアームは２つの光カプラを経由している。他方のアームは単一モード導波路である。従って２つのアームの光路長は一般的には異なる。光路長差による位相ずれδφＥＸが生じる。位相ずれδφＥＸが生じると、直交位相関係はδφＥＸの−２倍に比例してずれることになる。
【００２３】
ＦＭ ＝ （ｐ＋π）／２ − ２・δφＥＸ （radian）
ここで、ｐは任意の整数、ＦＭは所望の直交位相関係からの変化量を示す指数である。理想の直交関係、
ＦＭ ＝ ±π／２ （radian）
とするためには、
φｋ ＝ （ｐ＋π）／２ ＋ ２・δφＥＸ （radian）
に設定すればよい。
【００２４】
本実施例においては、図１Ａに示すように導波路交差が不要である。従って、曲げ導波路の曲げ角度を容易に小さくすることができる。
【００２５】
図１Ｃは、曲げ導波路の曲率半径ＲＳに対する９０度ハイブリッド回路の占有面積を示すグラフである。曲げ半径に依存せず、占有面積をほぼ一定に保つことが出来る。なお、参考のため、図８Ａ、８Ｂに示す従来の素子面積を併せて示す。曲率半径２００μｍの場合、従来素子と較べて、ほぼ１／７０以下に小型化することができる。導波路の形状に対する要求も少なく、導波路の総長を短くすることができ、作製工程に由来する揺らぎを小さくすることもできる。
【００２６】
図１Ｄは、２つの光信号の相対的位相差Δρに対する透過特性を示す。横軸が相対的位相差Δρを示し、縦軸が４つのチャネル出力Ｃｈ１〜Ｃｈ４の透過率（任意メモリ）を示す。シミュレーションに用いた９０度ハイブリッドは、後述するＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓＰ導波層を有するハイメサ導波路構造を有するとした。
【００２７】
図１Ｇは、９０度ハイブリッド回路を製造するプロセスを説明するための概略断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板１１の上に、例えば有機金属気相成長エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）によりアンドープのＧａＩｎＡｓＰ層１２（発光波長１．３μｍ）を厚さ約０．３μｍ成長し、続いてｐ型ＩｎＰ層１３を厚さ約２．０μｍ成長する。ｐ型ＩｎＰ層１３の上にＳｉＯ２膜等をスパッタリング等で形成し、フォトレジストパターンを用いて所望形状にエッチングし、ハードマスク１４を形成する。ハードマスク１４をエッチングマスクとし、例えば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応性イオンエッチング等のドライエッチングで高さ約３．０μｍのハイメサ構造を形成する。光カプラ、導波路等をパターニングすることにより、９０度ハイブリッド回路を形成することができる。
【００２８】
例えば、２：２光カプラは多モード干渉（ＭＭＩ）カプラとし、５０：５０の分岐比を得るように、導波路幅２．０μｍ、ＭＭＩカプラの導波路アレー間隔１．０μｍ、ＭＭＩカプラの幅５．０μｍ、ＭＭＩカプラの長さ１０５μｍ、に設定した。位相シフタφｋの適正化のため、φｋの値をビーム伝播法に基づく数値解析を用いて求めた。φＥＸは−０．８１６π（radian）と見積もられ、最適なφｋは、
φｋ ＝ （３π／２） ＋ ２・（−０．８１６π） ＝ −０．１３２π (radian)
となった。図１Ａに示す位相シフタＰＳのシフト量を−０．１３２πに設定した時、図１Ｄに示すような特性が得られる。過剰損失やクロストークも生じず、良好な９０度ハイブリッドとして機能することが判る。
【００２９】
図１Ｅ，１Ｆは、図１Ａに示す９０度ハイブリッド回路の透過振幅特性及び相対位相ずれ(Δφ）特性を示す。横軸はＣバンドの波長を示し、縦軸が透過振幅特性及び相対位相ずれ(Δφ）特性を示す。図１Ｅに示す分岐特性は、波長によらずチャネル間偏差が０．４ｄＢ以下に抑えられている。同等強度の４成分に分割されている。図１Ｆに示す相対位相ずれは、Ｃバンド帯域内、全チャネルで±５度以下である。経験上±５度以内の位相ずれであれば、エラーなく完全に復調することができる。
【００３０】
なお、ＩｎＰ基板上に９０度ハイブリッド回路を形成する場合を説明したが、同一基板上に局所発振光源、フォトダイオード、論理回路等を作製することも可能である。Ｓｉ基板上に、酸化シリコン等の誘電体層を介してＳｉ層を有するＳＯＩ基板を用いて９０度ハイブリッド回路を形成することもできる。ＧａＡｓ基板を用いることも可能である。なお、９０度光ハイブリッド回路の構成は図１Ａに示すものに限られない。
【００３１】
図２Ａは、位相シフタＰＳを、導波路ＷＧ４ではなく、導波路ＷＧ１に設ける場合を示す。このように、位相シフタは下部のマッハツェンダ干渉計のアームに配置しても、上部のマッハツェンダ干渉計のアームに配置してもよい。同相成分と直交成分が、図１Ａと較べて入れ替わる。素子の寸法、特性は変わらない。
【００３２】
図２Ｂは、光カプラＰＣ３の入力チャネルと光カプラＰＣ１，ＰＣ２の出力チャネルの間の光導波路を省略して、光カプラＰＣ３を光カプラＰＣ１，ＰＣ２に直結した構成をしめす。
【００３３】
図２Ｃは、さらに光カプラＰＣ３と光カプラＰＣ４との間の光導波路も省略し、直結した場合を示す。寸法の小さな９０度ハイブリッド回路を作製するのに有利な構成となろう。
【００３４】
図２Ｄは、直列に接続した光カプラＰＣ３，ＰＣ４の分岐比を５０：５０でなく、Ｘ：ＹとＹ：Ｘに設定する場合を示す。たとえば、Ｘ＝８５，Ｙ＝１５である。反対の比とすることにより、同じ結果を得ることができる。原理的には任意の比率が可能である。
【００３５】
図３は、第２の実施例による光受信機を示すダイアグラムである。図１Ａに示した９０度ハイブリッド回路２１の入力側に基準光発振器ＬＯを配置して、第２光カプラの入力チャネルに基準光を供給する。また、９０度ハイブリッド回路２１の２対の出力をそれぞれバランスドフォトダイオードＢＰＤで差動検出し、トランスインピーダンスアンプＴＩＡを介して、アナログデジタル変換機ＡＤＣでデジタル信号に変換し、論理回路３１で論理演算する。局所発振器ＬＯ，光カプラＰＣ，光導波路ＷＧの部分をまとめて光回路２０とし、バランスドフォトダイオードＢＰＤ以下の回路部分を電子回路３０とする。
【００３６】
図６に示すように、ＩｎＰ基板に光回路領域２０、電子回路領域３０を形成し、集積化した光受信機を形成することができる。
【００３７】
図４は、基準光源を特に用いない第３の実施例を示す。９０度ハイブリッド回路２１の前段に、片方のアームに光路長差を有する１：２光カプラＰＰＣが設けられている。差分４位相偏移変調（ＤＱＰＳＫ differential quadrature phase shift keying）信号光のような、差分位相変調信号が１：２光カプラＰＰＣに供給される。一方のアームでＤＱＰＳＫ信号パルスの１ビット分の遅延が与えられ、次段の２入力が形成される。信号光パルスは、１：２ＭＭＩカプラを経由し、２つの経路に分かれた信号光同士は、前述の位相差δρを形成し、干渉する。結果的に１：２ＭＭＩカプラ以降の動作は、第１の実施例の９０度ハイブリッド同様である。
【００３８】
図５は、図４に示す光ハイブリッド回路を用いた光受信機を示す。図３の発振機ＬＯの代わりに、１：２ＭＭＩカプラＰＰＣを用いている。動作はほぼ同様である。
【００３９】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、種々の変更、置換、改良、修正、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、前記第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
前記第２の出力チャネルと前記第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
前記第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
前記第１の出力チャネルと前記第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
前記第８の出力チャネルと前記第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路。
【請求項２】
前記第１〜第６の光カプラが、多モード干渉カプラである請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項３】
前記第１の出力チャネルと前記第９の入力チャネルを接続する第１の導波路と、
前記第４の出力チャネルと前記第１２の入力チャネルを接続する第４の導波路と、
をさらに有する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項４】
前記第２の出力チャネルと前記第５の入力チャネルを接続する第２の導波路と、
前記第３の出力チャネルと前記第６の入力チャネルを接続する第３の導波路と、
前記第５の出力チャネルと前記第７の入力チャネルを接続する第５の導波路と、
前記第６の出力チャネルと前記第８の入力チャネルを接続する第６の導波路と、
前記第７の出力チャネルと前記第１０の入力チャネルを接続する第７の導波路と、
前記第８の出力チャネルと前記第１１の入力チャネルを接続する第８の導波路と、
をさらに有する請求項３記載の光ハイブリッド回路。
【請求項５】
前記第５、第６の入力チャネルは、前記第２、第３の出力チャネルに直接接続され、前記第７、第８の出力チャネルは前記第１０、第１１の入力チャネルに直接接続されている請求項３記載の光ハイブリッド回路。
【請求項６】
前記第５の出力チャネルと前記第７の入力チャネルを接続する第５の導波路と、
前記第６の出力チャネルと前記第８の入力チャネルを接続する第６の導波路と、
をさらに有する請求項５記載の光ハイブリッド回路。
【請求項７】
前記第７、第８の入力チャネルは、前記第５、第６の出力チャネルに直接接続されている請求項５記載の光ハイブリッド回路。
【請求項８】
前記第１の導波路又は前記第４の導波路は位相制御器を備える請求項３記載の光ハイブリッド回路。
【請求項９】
前記位相制御器は、前記第５の光カプラに入力する２つの信号間の位相差と、前記第６の光カプラに入力する２つの信号間の位相差とがπ／２ずれるように位相を制御する請求項８記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１０】
前記第１〜第６の光カプラは、入力する信号を等分岐比で分配する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１１】
前記第１、第２、第５、第６の光カプラは、入力する信号を等分岐比で分配し、前記第３光カプラは入力する信号をＸ：Ｙで分配し、前記第４光カプラは入力する信号をＹ：Ｘで分配する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１２】
１つの入力チャネルと、前記第１の光カプラの一入力、及び前記第２の光カプラの一入力に接続された、位相差を有する２つの出力チャネルを有する入力用光カプラをさらに有する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１３】
光領域と、電子領域とを含む半導体基板と、
前記光領域において第１の屈折率を有する導波層と前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有し、前記導波層を挟むクラッド層とをハイメサ構造に加工、パターニングした光ハイブリッド回路であって；
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、前記第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
前記第２の出力チャネルと前記第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
前記第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
前記第１の出力チャネルと前記第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
前記第８の出力チャネルと前記第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路と、
を有する光受信機。
【請求項１４】
前記光領域に形成され、前記第１光カプラに入力信号を供給する入力部と、前記第２光カプラに局部発振光を供給する局部発振光発生部と、
前記電子領域に形成され、前記第９〜第１２の出力チャネルの出射光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電子領域に形成され、演算処理を行う演算部と、
をさらに有する請求項１３記載の光受信機。
【請求項１５】
前記光電変換部が２組のバランスドフォトダイオードを有する請求項１４記載の光受信機。
【請求項１６】
前記光領域が、１つの入力チャネルと、前記第１の光カプラの一入力、及び前記第２の光カプラの一入力に接続された、位相差を有する２つの出力チャネルを有する入力用光カプラをさらに有する請求項１３記載の光受信機。
【請求項１７】
前記第１〜第６の光カプラが、多モード干渉カプラである請求項１３記載の光受信機。
【請求項１８】
前記第１の出力チャネルと前記第９の入力チャネルを接続する第１の導波路と、
前記第２の出力チャネルと前記第５の入力チャネルを接続する第２の導波路と、
前記第３の出力チャネルと前記第６の入力チャネルを接続し、前記第２の導波路と同じ光学長を有する第３の導波路と、
前記第４の出力チャネルと前記第１２の入力チャネルを接続する第４の導波路と、
前記第５の出力チャネルと前記第７の入力チャネルを接続する第５の導波路と、
前記第６の出力チャネルと前記第８の入力チャネルを接続し、前記第５の導波路と同じ光学長を有する第６の導波路と、
前記第７の出力チャネルと前記第１０の入力チャネルを接続する第７の導波路と、
前記第８の出力チャネルと前記第１１の入力チャネルを接続し、前記第７の導波路と同じ光学長を有する第８の導波路と、
をさらに有する請求項１３記載の光受信機。
【請求項１】
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、前記第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
前記第２の出力チャネルと前記第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
前記第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
前記第１の出力チャネルと前記第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
前記第８の出力チャネルと前記第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路。
【請求項２】
前記第１〜第６の光カプラが、多モード干渉カプラである請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項３】
前記第１の出力チャネルと前記第９の入力チャネルを接続する第１の導波路と、
前記第４の出力チャネルと前記第１２の入力チャネルを接続する第４の導波路と、
をさらに有する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項４】
前記第２の出力チャネルと前記第５の入力チャネルを接続する第２の導波路と、
前記第３の出力チャネルと前記第６の入力チャネルを接続する第３の導波路と、
前記第５の出力チャネルと前記第７の入力チャネルを接続する第５の導波路と、
前記第６の出力チャネルと前記第８の入力チャネルを接続する第６の導波路と、
前記第７の出力チャネルと前記第１０の入力チャネルを接続する第７の導波路と、
前記第８の出力チャネルと前記第１１の入力チャネルを接続する第８の導波路と、
をさらに有する請求項３記載の光ハイブリッド回路。
【請求項５】
前記第５、第６の入力チャネルは、前記第２、第３の出力チャネルに直接接続され、前記第７、第８の出力チャネルは前記第１０、第１１の入力チャネルに直接接続されている請求項３記載の光ハイブリッド回路。
【請求項６】
前記第５の出力チャネルと前記第７の入力チャネルを接続する第５の導波路と、
前記第６の出力チャネルと前記第８の入力チャネルを接続する第６の導波路と、
をさらに有する請求項５記載の光ハイブリッド回路。
【請求項７】
前記第７、第８の入力チャネルは、前記第５、第６の出力チャネルに直接接続されている請求項５記載の光ハイブリッド回路。
【請求項８】
前記第１の導波路又は前記第４の導波路は位相制御器を備える請求項３記載の光ハイブリッド回路。
【請求項９】
前記位相制御器は、前記第５の光カプラに入力する２つの信号間の位相差と、前記第６の光カプラに入力する２つの信号間の位相差とがπ／２ずれるように位相を制御する請求項８記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１０】
前記第１〜第６の光カプラは、入力する信号を等分岐比で分配する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１１】
前記第１、第２、第５、第６の光カプラは、入力する信号を等分岐比で分配し、前記第３光カプラは入力する信号をＸ：Ｙで分配し、前記第４光カプラは入力する信号をＹ：Ｘで分配する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１２】
１つの入力チャネルと、前記第１の光カプラの一入力、及び前記第２の光カプラの一入力に接続された、位相差を有する２つの出力チャネルを有する入力用光カプラをさらに有する請求項１記載の光ハイブリッド回路。
【請求項１３】
光領域と、電子領域とを含む半導体基板と、
前記光領域において第１の屈折率を有する導波層と前記第１の屈折率より低い第２の屈折率を有し、前記導波層を挟むクラッド層とをハイメサ構造に加工、パターニングした光ハイブリッド回路であって；
第１、第２の入力チャネルと、第１、第２の出力チャネルを有する第１の光カプラと、
第３、第４の入力チャネルと、第３、第４の出力チャネルを有し、前記第１の光カプラと並列に配置された第２の光カプラと、
前記第２の出力チャネルと前記第３の出力チャネルに同じ光学長で接続された第５、第６の入力チャネルと、第５、第６の出力チャネルを有する第３の光カプラと、
前記第５、第６の出力チャネルに同じ光学長で接続された第７、第８の入力チャネルと、第７、第８の出力チャネルを有する第４の光カプラと、
前記第１の出力チャネルと前記第７の出力チャネルに接続された第９、第１０の入力チャネルと、第９、第１０の出力チャネルを有する第５の光カプラと、
前記第８の出力チャネルと前記第４の出力チャネルに接続された第１１、第１２の入力チャネルと、第１１、第１２の出力チャネルを有する第６の光カプラと、
を有し、前記第４の光カプラの前記第７、第８の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネル、及び前記第６の光カプラの前記第１１の入力チャネルまでの光学長は等しく、前記第１の光カプラの前記第１の出力チャネルから前記第５の光カプラの前記第９の入力チャネルまでの光学長、および前記第２の光カプラの前記第４の出力チャネルから前記第６の光カプラの前記第１２の入力チャネルまでの光学長は、等しく、且つ前記第１の光カプラの前記第２の出力チャネルから前記第３、第４の光カプラを介して前記第５の光カプラの前記第１０の入力チャネルまでの光学長と等しい、光ハイブリッド回路と、
を有する光受信機。
【請求項１４】
前記光領域に形成され、前記第１光カプラに入力信号を供給する入力部と、前記第２光カプラに局部発振光を供給する局部発振光発生部と、
前記電子領域に形成され、前記第９〜第１２の出力チャネルの出射光を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電子領域に形成され、演算処理を行う演算部と、
をさらに有する請求項１３記載の光受信機。
【請求項１５】
前記光電変換部が２組のバランスドフォトダイオードを有する請求項１４記載の光受信機。
【請求項１６】
前記光領域が、１つの入力チャネルと、前記第１の光カプラの一入力、及び前記第２の光カプラの一入力に接続された、位相差を有する２つの出力チャネルを有する入力用光カプラをさらに有する請求項１３記載の光受信機。
【請求項１７】
前記第１〜第６の光カプラが、多モード干渉カプラである請求項１３記載の光受信機。
【請求項１８】
前記第１の出力チャネルと前記第９の入力チャネルを接続する第１の導波路と、
前記第２の出力チャネルと前記第５の入力チャネルを接続する第２の導波路と、
前記第３の出力チャネルと前記第６の入力チャネルを接続し、前記第２の導波路と同じ光学長を有する第３の導波路と、
前記第４の出力チャネルと前記第１２の入力チャネルを接続する第４の導波路と、
前記第５の出力チャネルと前記第７の入力チャネルを接続する第５の導波路と、
前記第６の出力チャネルと前記第８の入力チャネルを接続し、前記第５の導波路と同じ光学長を有する第６の導波路と、
前記第７の出力チャネルと前記第１０の入力チャネルを接続する第７の導波路と、
前記第８の出力チャネルと前記第１１の入力チャネルを接続し、前記第７の導波路と同じ光学長を有する第８の導波路と、
をさらに有する請求項１３記載の光受信機。
【図１−１】
【図１−２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１−２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９８２９２（Ｐ２０１２−１９８２９２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６０８３０（Ｐ２０１１−６０８３０）
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１８日（２０１１．３．１８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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