光導波路素子及び光ハイブリッド回路
【課題】光通信システムに用いられる光導波路素子に関し、製造誤差による導波路幅のずれやモード揺らぎによる特性劣化の小さい光導波路素子を提供する。
【解決手段】入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、互いに光路長が異なる第１及び第２の光導波路を有し、第１の信号光と第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、第１の光導波路から出力される第１の信号光と第２の光導波路から出力される第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有する。第１の光導波路及び第２の光導波路は、実質的に等しい曲率半径で屈曲する曲げ光導波路を有している。
【解決手段】入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、互いに光路長が異なる第１及び第２の光導波路を有し、第１の信号光と第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、第１の光導波路から出力される第１の信号光と第２の光導波路から出力される第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有する。第１の光導波路及び第２の光導波路は、実質的に等しい曲率半径で屈曲する曲げ光導波路を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムに用いる光導波路素子及び光ハイブリッド回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、様々な光信号処理を行うために、種々の光導波路素子が用いられている。例えば、光信号を任意の比率で分岐させる光分岐・結合素子等が挙げられる。任意の光分岐比を得るための光分岐・結合素子としては、２つの２：２光カプラの間に位相差を与える２本の光導波路を有する光位相シフタを設けた光導波路素子が知られている。
【０００３】
光位相シフタの２本の光導波路に位相差を与える手法としては、例えば、相対的に幅の狭い直線導波路領域を設けてこの領域の長さを制御する方法、２本の導波路をテーパ角度の異なるテーパ状導波路にする方法、一方の導波路に曲げ光導波路の遅延干渉計を形成する方法等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４４９６３号公報
【特許文献２】特開２００５−２４９９７３号公報
【特許文献３】特開２００６−２９３３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の方法は、製造トレランスに対する対策について十分に考慮されていなかった。このため、導波路を製造する際の製造ばらつき等によって所定の位相変化量から大幅にずれてしまい、所望の特性を実現できないことがあった。
【０００６】
本発明の目的は、製造トレランスが大きく製造誤差による特性劣化の少ない光導波路素子及び光ハイブリッド回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一観点によれば、入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、前記第１の光カプラに接続され、前記第１の信号光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路とは光路長が異なる前記第２の信号光を伝搬する第２の光導波路とを有し、前記第１の信号光と前記第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、前記光位相シフタの前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に接続され、前記第１の光導波路から出力される前記第１の信号光と前記第２の光導波路から出力される前記第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有し、前記第１の光導波路は、第１の導波路幅を有し、第１の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、前記第２の光導波路は、第２の導波路幅を有し、第２の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、前記第１の導波路幅と前記第２の導波路幅とが等しく、前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径との差は±２０％の範囲内である光導波路素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
開示の光導波路素子及び光ハイブリッド回路によれば、製造誤差による導波路幅のずれやモード揺らぎによる特性劣化を抑制することができる。これにより、製造トレランスを大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図（その１）である。
【図２】図２は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図（その２）である。
【図３】図３は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図（その３）である。
【図４】図４は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す概略断面図である。
【図５】図５は、光導波路の曲げ角度θ１の下限値と曲率半径Ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図６】図６は、光導波路のオフセットを説明する図である。
【図７】図７は、製造ばらつきによる光導波路の幅の変動を説明する図である。
【図８】図８は、光カプラと曲げ光導波路との間のオフセットと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図９】図９は、参考例による光導波路素子の構造を示す平面図（その１）である。
【図１０】図１０は、導波路幅の設計値からのずれと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、参考例による光導波路素子の構造を示す平面図（その２）である。
【図１２】図１２は、第２実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態による光導波路素子の動作を説明する平面図である。
【図１４】図１４は、入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフ（その１）である。
【図１５】図１４は、入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフ（その２）である。
【図１６】図１６は、光位相シフタ領域のオフセットとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフ（その１）である。
【図１７】図１７は、光位相シフタ領域のオフセットとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフ（その２）である。
【図１８】図１８は、導波路幅のずれ量とＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、第２実施形態の変形例による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【図２０】図２０は、第３実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【図２１】図２１は、第４実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【図２２】図２２は、第５実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１実施形態］
第１実施形態による光導波路素子及びその製造方法について図１乃至図１１を用いて説明する。
【００１１】
図１乃至図３は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。図４は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す概略断面図である。図５は、光導波路の曲げ角度θ１の下限値と曲率半径Ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図６は、光導波路のオフセットを説明する図である。図７は、製造ばらつきによる光導波路の幅の変動を説明する図である。図８は、光カプラと曲げ光導波路との間のオフセットと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図９及び図１１は、参考例による光導波路素子の構造を示す平面図である。図１０は、導波路幅の設計値からのずれと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【００１２】
はじめに、本実施形態による光導波路素子の構造について図１乃至図５を用いて説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態による光導波路素子１０は、ＭＭＩ型の光カプラ２０，３０と、光カプラ２０に信号光を入力する光導波路１２，１４と、光カプラ２０，３０間を接続する光導波路２２，２４と、光カプラ３０から信号光を出力する光導波路３２，３４とを有している。
【００１４】
光カプラ２０は、２つの入力ポートＡ，Ｂと、２つの出力ポートＣ，Ｄとを有するＭＭＩ型の３ｄＢ光カプラであり、入力ポートＡに接続された光導波路１２又は入力ポートＢに接続された光導波路１４から入力された光信号を、出力ポートＣ，Ｄに均等に分岐する。
【００１５】
光導波路２２及び光導波路２４は、一端部が光カプラ２０の出力ポートＣ及び出力ポートＤにそれぞれ接続されており、他端部が光カプラ３０の入力ポートＥ及び入力ポートＦにそれぞれ接続されている。光導波路２２及び光導波路２４は、等しい導波路幅と異なる光路長を有している。
【００１６】
また、光導波路２２及び光導波路２４は、図２に示すように、曲率半径Ｒが実質的に等しい曲げ光導波路を有している。本実施形態による光導波路素子の光導波路２２及び光導波路２４のように、光導波路が複数の屈曲部を有する場合には、これら屈曲部の曲率半径Ｒを実質的に等しくする。
【００１７】
また、光導波路２２と光導波路２４との間の光路長差は、例えば、それぞれの曲げ角度（θ１及びθ２）を変えることにより、設けることができる。例えば、光導波路２２の曲げ角度θ１よりも光導波路２４の曲げ角度θ２を大きくすることにより、光導波路２４の光路長を光導波路２２の光路長よりも長くすることができる。光導波路２２と光導波路２４との間には、曲げ角度（θ１及びθ２）を適宜調整することにより、光路長差に応じた所定の位相差を与えることができる。なお、本明細書において曲げ角度とは、曲げ光導波路の曲率中心と曲げ光導波路の端部とを結ぶことにより形成される扇形の中心角に相当する（図２参照）。
【００１８】
光導波路２２及び光導波路２４には、例えば図３に示すように、導波路の形状が変化する部分にオフセットを設けるようにしてもよい。また、曲げ光導波路は、光カプラ２０，３０に直に接続してもよいし、例えば図３に示すように、直線導波路を介して光カプラ２０，３０接続するようにしてもよい。
【００１９】
光カプラ３０は、２つの入力ポートＥ，Ｆと、２つの出力ポートＧ，Ｈとを有するＭＭＩ型の３ｄＢ光カプラである。入力ポートＥ及び入力ポートＦには、光導波路２２及び光導波路２４の他端部がそれぞれ接続されており、出力ポートＧ及び出力ポートＨには、光導波路３２及び光導波路３４がそれぞれ接続されている。光カプラ３０は、光導波路２２，２４から入力された光信号を、これら光信号間の位相差に応じた分岐比により、光導波路３２，３４から出力する。
【００２０】
図１に示す光導波路素子１０は、例えば図４に示すように、下部クラッド層としてのＩｎＰ基板１００と、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０２と、上部クラッド層としてのＩｎＰ層１０４との積層体をメサ型にパターニングしたハイメサ導波路により形成されている。
【００２１】
このように、本実施形態による光導波路素子１０は、光カプラ２０からの２つの出力信号光に位相差を与える光導波路２２及び光導波路２４として、導波路幅が互いに等しいとともに、曲率半径が実質的に等しく曲げ角度が互いに異なる曲げ光導波路を用いている。
【００２２】
例えば、曲率半径Ｒを５００μｍ、曲げ角度θ１を４．０度、曲げ角度θ２を４．６２度とすると、光導波路２２と光導波路２４との間には、およそ６１．３ｎｍ程度の光路長差が生じる。このとき得られる位相差は、およそ０．２５３π［ｒａｄ］となる。すなわち、光導波路２２から出力される信号光に対して、光導波路２４から出力される信号光は、位相が０．２５３π［ｒａｄ］遅れることとなる。
【００２３】
光導波路２２及び光導波路２４を形成する導波路として実質的に曲率半径が等しい曲げ光導波路を用いているのは、曲げ光導波路において高次モードや高次漏洩モードが励振した際に、両光導波路２２，２４において同じモードが励振して打ち消し合うようにするためである。こうすることにより、光導波路２２と光導波路２４との間の位相変化量を維持することができる。
【００２４】
かかる観点から、光導波路２２を形成する曲げ光導波路と光導波路２４を形成する曲げ光導波路とは、曲率半径が同じであることが望ましいが、光導波路２２に励振したモードと光導波路２４に励振したモードとが効果的に打ち消し合う範囲であれば、必ずしも曲率半径が同じである必要はない。「実質的に曲率半径が等しい」とは、光導波路２２に励振したモードと光導波路２４に励振したモードとが効果的に打ち消し合い、所望の特性を得ることのできる範囲であることを意味するものである。
【００２５】
例えば、本実施形態の光導波路素子を後述する第２又は第４実施形態に記載のような９０度ハイブリッド回路に適用することを考慮すると、Ｑチャネル間偏差は±０．３ｄＢ以下に抑えることが望ましい。Ｑチャネル間偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることを基準にして光導波路２２の曲げ光導波路の曲率半径と光導波路２４の曲げ光導波路の曲率半径との違いの許容範囲を算出したところ、許容範囲は±２０％程度以下であった。すなわち、光導波路２２の曲げ光導波路の曲率半径と光導波路２４の曲げ光導波路の曲率半径との違いを±２０％以内とすることにより、Ｑチャネル間偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることができる。このことは、光導波路２２の曲げ光導波路の曲率半径と光導波路２４の曲げ光導波路の曲率半径との違いを±２０％以内とすることにより、光導波路２２に励振したモードと光導波路２４に励振したモードとが効果的に打ち消すことができることを意味するものである。
【００２６】
曲率半径Ｒの値は、用いる導波路パラメータに依存するため一概に規定することはできないが、本実施形態に示すようなハイメサ導波路構造を有する光導波路素子の場合、下限値を１００μｍ程度とすることが望ましい。曲率半径Ｒが小さくなるにつれ過剰損が増大するため、例えば９０度ハイブリッド回路に適用する場合にあっては、Ｑチャネル間バランスをとることが困難になる。前述の下限値は、Ｑチャネル間偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることができることを前提として算出したものである。
【００２７】
なお、光導波路２２の曲率が小さくなり直線導波路に限りなく近づくと、光導波路２２に高次モードや高次漏洩モードが励振しにくくなり、光導波路２４に励振したモードを相殺する効果が損なわれる。かかる観点から、光導波路２２の曲げ角度θ１は、曲率半径Ｒの値に応じて下限値を規定することが望ましい。
【００２８】
図５は、光導波路２２の曲げ角度θ１の下限値と曲率半径Ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【００２９】
図５に示すように、曲げ角度θ１の下限値は、曲率半径Ｒの増加とともに減少する。例えば、曲率半径が１００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は１８度となる。曲率半径が２００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は１８度となる。曲率半径が３００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は６度となる。曲率半径が５００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は４度となる。曲率半径が１０００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は２度となる。
【００３０】
光導波路２４の曲げ角度θ２は、光導波路２２との光路長差によって所望の位相差が得られるように、光導波路２２の曲げ角度θ１より大きい値を適宜選択する。
【００３１】
次に、本実施形態による光導波路素子の製造トレランスについて図６乃至図１１を用いて説明する。
【００３２】
光導波路素子の導波路パラメータは、製造時のばらつき等により設計値からずれることがある。
【００３３】
例えば、光カプラの入出力ポートにおけるオフセットが製造誤差により所定値からずれる場合、理論的に見積もったオフセットの値が実験値とずれる場合などのケースが考えられる。オフセットとは、例えば図６（ａ）に示すように、光カプラ８０と曲げ光導波路８４との間に直線導波路８２が位置する場合において、直線導波路８２と曲げ光導波路８４との間に設けられるオフセットΔである。或いは、例えば図６（ｂ）に示すように、光カプラ８０に対して曲げ光導波路８４が直に接続される場合において、直線導波路の仮想的な位置に対する曲げ光導波路８４のオフセットΔである。
【００３４】
または、例えば光導波路の幅そのものが所定値からずれるケースが考えられる。例えば、図７（ａ）に示すように、完成した光導波路８６の幅が設計値Ｗよりも広いＷ＋δＷになった場合が挙げられる。或いは、図７（ｂ）に示すように、完成した光導波路４６の幅が設計値Ｗよりも狭いＷ−δＷになった場合が挙げられる。
【００３５】
これらの原因によって導波路パラメータが設計値からずれると、位相変化量が設計値からずれることになり、分岐比を一定に保つことができなくなる。
【００３６】
図８は、光カプラと曲げ光導波路との間のオフセットと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図中、実線は図３に示す本実施形態の光導波路素子の特性（図中、「本発明」と表す）であり、点線は図９に示す参考例の光導波路素子の特性（図中、「参考例」と表す）である。
【００３７】
参考例の光導波路素子は、図９に示すように、位相差を与える２つの光導波路２６，２８が異なるほかは、図３に示す本実施形態の光導波路素子と同様である。参考例の光導波路素子は、位相差を与える２つの光導波路２６，２８のうち、一方の光導波路２６が直線導波路により形成され、他方の光導波路２８が曲げ光導波路により形成されたものである。片方の光導波路２８を曲げ光導波路とすることにより、光導波路２６と光導波路２８との光路長を変えることができ、光導波路２６から出力される信号光と光導波路２８から出力される信号光との間に位相差を与えることができる。
【００３８】
図８の計算例では、光導波路２２を通過する信号光と光導波路２４を通過する信号光との間の位相変化量及び光導波路２６を通過する信号光と光導波路２８を通過する信号光との間の位相変化量を−π／４［ｒａｄ］に設定した。また、光カプラ２０と光導波路２２，２４，２８の曲げ光導波路との間及び光カプラ３０と光導波路２２，２４，２８の曲げ光導波路との間に直線導波路が形成されているものとし、直線導波路と曲げ光導波路との間のオフセットΔを定義した（図６（ａ）参照）。
【００３９】
また、光導波路素子の構造としては、図４に示すようなハイメサ導波路構造を想定し、ＧａＩｎＡｓＰコア層のバンドギャップ波長λｇを１．０５μｍ、入出力導波路幅を２．５μｍとした。それぞれの光導波路素子は、単一モード条件を満足し、光信号を８５：１５の割合で非対称分岐させるものとして機能するように最適化した。
【００４０】
図３に示す本実施形態の光導波路素子及び図９に示す参考例の光導波路素子では、遅延干渉計に曲げ光導波路を用いているため、モード揺らぎが発生する虞がある。通常、限られた範囲内でオフセットΔを適正化することにより、モード揺らぎによる特性劣化を低減することができる。この場合、いずれの光導波路素子の場合にも、最適なオフセットΔは、０．０４μｍ程度と見積もられた。ただし、製造時の誤差によっては、最適なオフセットΔは必ずしも固定値にならない可能性がある。
【００４１】
参考例の光導波路素子では、図８に示すように、オフセットΔが最適値の０．０４μｍからずれるにつれ、クロスポートへ結合する比率（８５％、〜０．７ｄＢ損失）及びバーポートへ結合する比率（１５％、〜８．３ｄＢ損失）が大幅に変化する。その変化量は、オフセットΔが±０．０４μｍ変化する範囲において、±５％及び±２３％にも及ぶ。オフセットΔに対して特性が大きく変化した原因は、最適なオフセットΔからずれるにつれ、曲げ光導波路において高次モード或いは高次漏洩モードが励振し、光導波路２６，２８間の光路長差ΔＬＰＳに起因する所望の位相変化量が変わったためである。
【００４２】
これに対し、本実施形態の光導波路素子では、図８に示すように、オフセットΔが最適値（０．０４μｍ）から±０．０４μｍほど変化しても、クロスポート及びバーポートへ結合する比率はほとんど変化していない。最適値の場合に対する変化量は、何れの出力チャネルでも±１％程度に収まっている。これは、本実施形態の光導波路素子においても、最適なオフセットΔからずれるにつれて曲げ光導波路において高次モード或いは高次漏洩モードが励振するものの、両アームの曲げ光導波路で同じモードが励振するため、所望の位相変化量が保たれるためである。
【００４３】
なお、図８の計算例では、光カプラ２０，３０間の曲げ光導波路の前後に直線導波路が存在する場合を想定したが、例えば図６（ｂ）に示すように、光カプラ２０，３０に曲げ光導波路が直に接続されている場合も同様である。カプラ設計（例えば、ＭＭＩ幅やＭＭＩ長）が適正であれば、図８と同様の特性を得ることができる。
【００４４】
ただし、カプラ設計が適正でない場合、光カプラ２０，３０間の曲げ光導波路の前後に直線導波路を設けた方が所望の特性を得やすい傾向になる。例えば、入力光波長依存性や製造誤差などにより、ＭＭＩカプラ設計が適正でなくなった場合、ＭＭＩカプラの入出力チャネルにおけるモード分布は所望の自己結像によるモード分布からずれることになる。その伝搬モードがそのまま曲げ光導波路へ入力されると、たとえオフセットΔを適正化してもモードミスマッチに起因する損失を得てしまうため、所望の特性改善を得にくくなる。
【００４５】
本実施形態の光導波路素子は、図７に示すような導波路幅Ｗのばらつきに対する製造トレランスの面でも有利である。
【００４６】
図１０は、導波路幅の設計値からのずれと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図中、実線は図３に示す本実施形態の光導波路素子の特性（図中、「本発明」と表す）であり、点線は図１１に示す参考例の光導波路素子の特性（図中、「第１参考例」と表す）であり、点線は図９に示す参考例の光導波路素子の特性（図中、「第２参考例」と表す）である。シミュレーションに用いた計算条件は、図８のシミュレーションに用いた計算条件と同様である。
【００４７】
第１参考例の光導波路素子は、図１１に示すように、位相差を与える２つの光導波路２６，２８が異なるほかは、図３に示す本実施形態の光導波路素子と同様である。参考例の光導波路素子は、位相差を与える２つの光導波路２６，２８のうち、一方の光導波路２６が直線導波路により形成され、他方の光導波路２８が一部にテーパ領域を有するテーパ導波路により形成されたものである。
【００４８】
図１０に示すように、導波路幅が設計値通りの場合、すなわち導波路幅の設計値からのずれ量δＷが０μｍの場合、両アームの形状によらず、光導波路素子の分岐比は設計値（８５：１５）に近い値になっている。これに対し、ずれ量δＷが−０．０５μｍ〜０．０５μｍの範囲内で変化すると、光導波路素子の分岐比は両アームの導波路形状に依存して大きく変化する。
【００４９】
光位相シフタをテーパ導波路により形成した第１参考例の光導波路素子の場合、ずれ量δＷの変化に対し、クロスポートへ結合する比率（８５％：〜０．７ｄＢ）は、さほど影響しない。これに対し、バーポートへ結合する比率（１５％：〜８．３ｄＢ）は、ずれ量δＷに対して線形的に変化し、その変化率は±１１％程にもなる。
【００５０】
このように、光位相シフタをテーパ導波路により形成した光導波路素子では、導波路幅が設計値からずれると、テーパ領域における位相変化が所定値からずれることになり、分岐比を一定に保つことができない。
【００５１】
光位相シフタをテーパ導波路により形成した場合、特性劣化の度合い（ＦＭ１）は、下記の式（１）によって表すことができる。ここで、ｋ０は真空中の波数を表し、ＬＰＳは位相変化領域長を表し、δｎ１及びδｎ２は両アームにおける導波路幅のずれに対する屈折率変化を表す。ブラケット＜＞は、両アームの導波路幅が一定ではないため、局所的に屈折率変化が異なることを表す。
【００５２】
ＦＭ１∝ｋ０（＜δｎ１＞−＜δｎ２＞）・ＬＰＳ …（１）
式（１）に示すように、導波路幅のずれに対する特性劣化を緩和するためには、（＜δｎ１＞−＜δｎ２＞）又はＬＰＳを低減することが重要である。しかしながら、これら２つのパラメータは、所望の位相変化を得るために一方を低減すると他方を増加せざるを得ない関係にある。したがって、光位相シフタをテーパ導波路により形成した光導波路素子では、製造トレランスの増大には限界がある。この限界を克服するためには、両アームに対する伝搬定数を等しくすることが最も有効である。
【００５３】
一方、遅延干渉計の両アームの導波路幅が等しい第２参考例の光導波路素子及び本実施形態の光導波路素子の場合、ずれ量δＷの変化に対し、何れの出力ポートへ結合する比率も、その変化率は±２．５％程度以下に抑えられている。このように、遅延干渉計の両アームの導波路幅を等しくすることにより、光位相シフタをテーパ導波路により形成する場合と比較して、導波路幅のずれに対する特性劣化を緩和することができる。
【００５４】
両アームの導波路幅を等しくして曲げ光導波路の遅延干渉計を形成した場合、特性劣化の度合い（ＦＭ２）は、下記の式（２）によって表すことができる。ここで、ｎｅｑは導波路の実効屈折率であり、ΔＬＰＳは両アーム間の光路長差を表す。
【００５５】
ＦＭ２∝ｋ０・ｎｅｑ・ΔＬＰＳ …（２）
式（１）と式（２）とを比較すると、実効屈折率ｎｅｑは（＜δｎ１＞−＜δｎ２＞）よりも２桁ほど大きいものの、光路長差ΔＬＰＳはＬＰＳより２桁以上小さい。その結果、特性劣化の度合いＦＭ２は、特性劣化の度合いＦＭ１よりも小さくすることができ、導波路幅のずれに対する特性劣化を緩和することができる。
【００５６】
図８及び図１０に示す特性は、位相変化量Δθが−π／４［ｒａｄ］の場合の計算結果であるが、本実施形態による光導波路素子における特性改善効果は、任意の位相変化量Δθについても常に成立する。したがって、本実施形態による光導波路素子によれば、伝搬モードの揺らぎ及び導波路幅のずれに対する製造トレランスを飛躍的に向上することができる。
【００５７】
なお、図１及び図３に示す例では、ＭＭＩカプラへ結合する直線導波路或いは曲げ光導波路の幅が一定であるが、これに限定されるものではない。例えば、ＭＭＩカプラ領域へ接続する導波路の幅がテーパ形状に変化するような場合にも、図１及び図３に示す光導波路素子と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
次に、本実施形態による光導波路素子の製造方法について説明する。
【００５９】
まず、ｎ型又はアンドープのＩｎＰ基板１００上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、膜厚０．５μｍのアンドープのＧａＩｎＡｓＰコア層１０２と、膜厚２μｍのｐ型或いはアンドープのＩｎＰ層１０４とをエピタキシャル成長する（図４参照）。ＧａＩｎＡｓＰコア層１０２の発光波長は、例えば１．０５μｍとする。
【００６０】
次いで、ＩｎＰ層１０４上に、例えば蒸着法により、マスクとなるシリコン酸化膜（図示せず）を堆積する。
【００６１】
次いで、フォトリソグラフィにより、シリコン酸化膜上に、光導波路素子の導波路パターンを有するフォトレジスト膜（図示せず）を形成する。
【００６２】
次いで、フォトレジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜をエッチング後、パターニングしたシリコン酸化膜をマスクとして、ＩｎＰ層１０４、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０２及びＩｎＰ基板１００を、例えばＩＣＰ反応性イオンエッチングにより異方性エッチングする。これにより、高さ３．０μｍ程度のハイメサ導波路構造を形成し、本実施形態による光導波路素子を完成する。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、光位相シフタを形成する２つの光導波路を、導波路幅及び曲率半径が実質的に同じである曲げ光導波路を有する光導波路により形成するので、導波路幅のずれ及びモード揺らぎによる特性劣化を防ぐことができる。これにより、製造トレランスを大幅に向上することができる。
【００６４】
[第２実施形態]
第２実施形態による光導波路素子について図１２乃至図１９を用いて説明する。第１実施形態による光導波路素子と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００６５】
図１２は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。図１３は、本実施形態による光導波路素子の動作を説明する平面図である。図１４及び図１５は、入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフである。図１６及び図１７は、光位相シフタ領域のオフセットとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。図１８は、導波路幅のずれ量とＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。図１９は、本実施形態の変形例による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【００６６】
はじめに、本実施形態による光導波路素子について図１２を用いて説明する。本実施形態による光導波路素子は、第１実施形態による光導波路素子の光位相シフタを、多値変調信号を復調する９０度ハイブリッド回路に適用したものである。
【００６７】
図１２に示すように、２つの入力ポートと４つの出力ポートとを有するＭＭＩ型の光カプラ４０と、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有するＭＭＩ型の光カプラ３０とを有している。光カプラ４０は、対モード干渉（ＰＩ：paired interference）に基づく２：４ＭＭＩカプラである。光カプラ４０の入力ポートには、光導波路４２，４４が接続されている。光カプラ４０の２対の出力チャネルのうち、一方の出力チャネルには、光導波路４６，４８が接続されている。光カプラ４０他方の出力チャネルと光カプラ３０との間には、光導波路２２，２４が接続されている。光導波路２２，２４は、第１実施形態による光導波路素子の光導波路２２，２４と同様であり、光位相シフタを形成するものである。光カプラ３０の出力ポートには、光導波路３２，３４が接続されている。
【００６８】
次に、本実施形態による光導波路素子の動作について図１３を用いて説明する。
【００６９】
図１３に示すように、光カプラ４０の入力ポートに、光導波路４２を介して四位相変位変調（ＱＰＳＫ：quadrature phase shift keying）信号を入射し、光導波路４４を介して局発（ＬＯ：local oscillator）光を入射する。すると、光カプラ４０の２対の出力チャネルには、入力信号が同相信号（in-phase）に変換されて出力される。２対の出力チャネルに出力された信号光のうち、光導波路２２，２４に出力される一対の出力チャネル成分は、光位相シフタである光導波路２２，２４及び光カプラ３０によって直交位相信号（quadrature）に変換される。これにより、本実施形態による光導波路素子は、９０度ハイブリッド回路として機能する。
【００７０】
次に、本実施形態による光導波路素子の製造トレランスについて図１４乃至図１８を用いて説明する。
【００７１】
直交位相信号におけるクロストークを解消するためには、光位相シフタ領域における位相変化量の総和（θ１−θ２）を−π／４［ｒａｄ］に適正化することが重要である。製造工程などにより光位相シフタにおけるΔθが設計値からずれると、直交位相信号成分のみが特性劣化を受けることになる。
【００７２】
通常、エラーを伴わない光信号処理を行うためには、光受信時、同相信号雑音比（ＣＭＲＲ：common-mode constant ratio）と呼ばれるパラメータを２０ｄＢ以下に抑えることが求められる。２０ｄＢ以下のＣＭＲＲを得るためには、９０度ハイブリッドにおけるＩ及びＱチャネル間偏差を〜０．９ｄＢ以内に抑えることが望ましい。ただし、バランスド光受信機（balanced photodiode）における受信感度のばらつきを考慮すると、９０度ハイブリッドにおけるチャネル間偏差はより厳しい。
【００７３】
図１４及び図１５は、いずれかの入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフである。図１４は、図１１に示す本実施形態の光導波路素子の場合である。図１５は、光位相シフタとして図１１の光導波路２２，２４の代わりに図９の光導波路素子の光導波路２６，２８を用いた光導波路素子の場合である。光導波路素子の構造は、図４に示すようなハイメサ導波路構造を有し、ＧａＩｎＡｓＰコア層のバンドギャップ波長λｇは１．０５μｍである。光導波路２２，２４，２６，２８のオフセットΔは、０．０４μｍに最適化されている。
【００７４】
図１４及び図１５に示すように、いずれの光導波路素子の場合にも、良好な分岐特性を示しており、Ｉチャネル及びＱチャネルともにチャネル間偏差が小さいことが判る。
【００７５】
しかしながら、チャネル間偏差の製造ばらつきによる影響は、光位相シフタ領域の導波路構造に依存して顕著に相違する。
【００７６】
図１６及び図１７は、光位相シフタ領域のオフセットΔとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。図１６は、図１２に示す本実施形態の光導波路素子の場合である。図１７は、光位相シフタとして図１２の光導波路２２，２４の代わりに図９の光導波路２６，２８を用いた光導波路素子の場合である。
【００７７】
図１６に示すように、本実施形態の光導波路素子では、オフセットΔの最適化と関係なく、Ｑチャネル間偏差は±０．３ｄＢ以内に収まっている。本実施形態の光導波路素子では、第１実施形態において述べたように、光位相シフタ領域でモード揺らぎが発生してもその影響を抑制することができるため、Ｑチャネル間偏差を常に一定に保つことができる。
【００７８】
これに対し、光位相シフタとして図９の光導波路２６，２８を用いた光導波路素子では、オフセットΔが設計値（０．０４μｍ）からずれるにつれ、Ｑチャネル間偏差が顕著に現れていることが判る。
【００７９】
本実施形態による光導波路素子は、導波路幅のずれ量δＷに対する特性劣化をも防ぐことができる。
【００８０】
図１８は、本実施形態の光導波路素子における導波路幅のずれ量とＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。なお、Ｉチャネル間偏差は導波路幅のずれ量δＷにほとんど影響されないため、図１８では省略している。
【００８１】
図１８に示すように、本実施形態の光導波路素子では、導波路幅のずれ量δＷが−０．０５μｍ〜０．０５μｍの範囲で変動しても、チャネル間偏差はＣバンド帯域内で±０．２ｄＢ以内に収まっている。このことは、製造トレランスが飛躍的に改善されていることを示すものである。
【００８２】
なお、図１６乃至図１８に示す特性改善効果は、図１２に示す構造の光導波路素子に限定されるものではない。例えば、図１９に示すように、光カプラ４０の２対の出力チャネルについて、光位相シフタ及び光カプラ３０に接続するポートを入れ替えても、同様の特性を得ることができる。図１９に示す構造を用いた場合、同相信号と直交位相信号が出力するチャネルが入れ替わる関係になる。この場合、光カプラ４０及び光カプラ３０間の位相整合に求められる光位相シフタ領域における位相変化量の総和（θ１−θ２）は、＋π／４［ｒａｄ］となる。
【００８３】
また、図１２及び図１９に示す光導波路素子に適切な位相変化量の総和（θ１−θ２）は、−π／４又は＋π／４に限定されるものではない。基本的に、位相変化量の総和（θ１−θ２）は、−π／４−（ｓ×π）／２（ｓは任意の自然数）又は＋π／４＋（ｔ×π）／２（ｔは任意の自然数）にすれば、同様の特性を得ることができる。
【００８４】
本実施形態による光導波路素子の製造方法は、加工するパターン形状が異なるほかは、第１実施形態による光導波路素子の製造方法と同様である。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態による光導波路素子を用いて９０度ハイブリッド回路を形成するので、製造トレランスの大きい９０度ハイブリッド回路を実現することができる。これにより、直交位相成分における過剰損失及びクロストークを抑制することができる。
【００８６】
[第３実施形態]
第３実施形態による光ハイブリッド回路について図２０を用いて説明する。第１及び第２実施形態による光導波路素子と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００８７】
図２０は、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【００８８】
はじめに、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造について図２０を用いて説明する。本実施形態による光ハイブリッド回路は、第２実施形態による光導波路素子を用いたコヒーレント光受信機である。
【００８９】
すなわち、図２０に示すように、第２実施形態による光導波路素子の光導波路４６，４８の出力側に、バランスド光検出器（ＢＰＤ：balanced photodiode）５０を介してトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：trans-impedance amplifier）５２が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５２には、ＡＤ変換部５４が接続されている。また、光導波路３２，３４の出力側には、バランスド光検出器５６を介してトランスインピーダンスアンプ５８が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５８には、ＡＤ変換部６０が接続されている。ＡＤ変換部５４及びＡＤ変換部６０には、デジタル演算回路６２が接続されている。
【００９０】
次に、本実施形態による光ハイブリッド回路の動作について図２０を用いて説明する。
【００９１】
ＱＰＳＫ信号パルスと、ＱＰＳＫ信号パルスに時間的に同期したＬＯ光とを、９０度ハイブリッド回路の入力ポートである光導波路４２，４４に入射する。これにより、９０度ハイブリッド回路の出力ポートである光導波路３２，３４，４６，４８からは、ＱＰＳＫ信号光の位相状態に応じた信号光が出力される。
【００９２】
９０度ハイブリッド回路から出力された信号光は、同相及び直交位相関係を有するチャネル同士が、それぞれ、バランスド光検出器５０，５６に入射され、バランスド光検出器５０，５６により光電変換される。
【００９３】
バランスド光検出器５０，５６から出力される電流信号は、トランスインピーダンスアンプ５２，５８により電圧信号に変換される。
【００９４】
電圧信号に変換されたアナログ電気信号は、ＡＤ変換部５４，６０によりデジタル信号に変換され、デジタル演算回路６２に送られる。
【００９５】
バランスド光検出器５０，５６は、上部及び下部のみへのフォトダイオードへの入力に対してそれぞれ１及び−１に相当する電流が流れ、両方のフォトダイオードへの同時入力に対して電流が流れない特徴を有する。
【００９６】
したがって、デジタル演算回路６２に送られたデジタル信号を信号処理することにより、ＱＰＳＫ信号光における位相情報を識別することができ、コヒーレント光受信機として機能させることができる。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、第２実施形態による光導波路素子を用いてコヒーレント光受信機を形成するので、製造トレランスの大きいコヒーレント光受信機を実現することができる。
【００９８】
[第４実施形態]
第４実施形態による光導波路素子について図２１を用いて説明する。第１乃至第３実施形態による光導波路素子と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００９９】
図２１は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【０１００】
はじめに、本実施形態による光導波路素子の構造について図２１を用いて説明する。本実施形態による光導波路素子は、差分四位相変位変調（ＤＱＰＳＫ：differential quadrature phase shift keying）信号光に対応した９０度光ハイブリッド回路である。
【０１０１】
図２１に示すように、本実施形態による光導波路素子は、光カプラ４０の前段の構造が異なるほかは、図１２に示す第２実施形態による光導波路素子と基本的に同じである。光カプラ４０の前段には、光導波路７４，７６を介して１入力２出力のＭＭＩ型の光カプラ７０が設けられている。光カプラ４０と光カプラ７０とを接続する光導波路７４，７６は、互いに光路長が異なっている。入力信号光は、光導波路７２を介して光カプラ７０の入力ポートに入力される。本実施形態による光導波路素子には、ＬＯ光発生部は設けられていない。
【０１０２】
次に、本実施形態による光導波路素子の動作について図２１を用いて説明する。
【０１０３】
光導波路７２を介して光カプラ７０にＤＱＰＳＫ信号光を入射すると、入射したＤＱＰＳＫ信号光は、光カプラ７０によって光導波路７４と光導波路７６との２つの経路に分けられる。光導波路７４と光導波路７６との間には、ＤＱＰＳＫ信号パルスの１ビットの遅延に相当する光路長差が設けられている。これにより、２つの経路に分けられた信号光同士は、−９０度、９０度、０度及び１８０度の４種類のうちのいずれかの位相差を有する。
【０１０４】
光カプラ７０以降の動作は、第２実施形態による光導波路素子と同様である。これにより、本実施形態による光導波路素子は、９０度光ハイブリッド回路として機能する。
【０１０５】
なお、光カプラ７０の代わりに、Ｙ分岐カプラ、２：２ＭＭＩ又は２：２方向性結合器を用いることによっても、同様の９０度光ハイブリッド動作を実現することができる。
【０１０６】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態による光導波路素子を用いて９０度ハイブリッド回路を形成するので、製造トレランスの大きい９０度ハイブリッド回路を実現することができる。これにより、直交位相成分における過剰損失及びクロストークを抑制することができる。また、ＬＯ光源が不要となり、装置構成を簡略化することができる。
【０１０７】
[第５実施形態]
第５実施形態による光ハイブリッド回路について図２２を用いて説明する。第１、第２及び第４実施形態による光導波路素子及び第３実施形態による光ハイブリッド回路と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し又は簡潔にする。
【０１０８】
図２２は、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【０１０９】
はじめに、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造について図２２を用いて説明する。
【０１１０】
本実施形態による光ハイブリッド回路は、第４実施形態による光導波路素子を用いたコヒーレント光受信機である。
【０１１１】
すなわち、図２２に示すように、第４実施形態による光導波路素子の光導波路４６，４８の出力側に、バランスド光検出器５０を介してトランスインピーダンスアンプ５２が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５２には、ＡＤ変換部５４が接続されている。また、光導波路３２，３４の出力側には、バランスド光検出器５６を介してトランスインピーダンスアンプ５８が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５８には、ＡＤ変換部６０が接続されている。ＡＤ変換部５４及びＡＤ変換部６０には、デジタル演算回路６２が接続されている。
【０１１２】
次に、本実施形態による光ハイブリッド回路の動作について図２０を用いて説明する。
【０１１３】
光導波路７２を介して光カプラ７０にＤＱＰＳＫ信号光を入射すると、入射したＤＱＰＳＫ信号光は、光カプラ７０によって光導波路７４と光導波路７６との２つの経路に分けられる。光導波路７４と光導波路７６との間には、ＤＱＰＳＫ信号パルスの１ビットの遅延に相当する光路長差が設けられている。２つの経路に分けられた信号光同士は、第４実施形態に示したように、信号光同士の相対位相差によって異なる出力形態となる。
【０１１４】
光導波路７４及び光導波路７６からの出力光は、９０度ハイブリッド回路の入力ポートである光導波路４２，４４に入射する。これにより、９０度ハイブリッド回路の出力ポートである光導波路３２，３４，４６，４８からは、ＤＱＰＳＫ信号光の位相状態に応じた信号光が出力される。
【０１１５】
９０度ハイブリッド回路から出力された信号光は、同相及び直交位相関係を有するチャネル同士が、それぞれ、バランスド光検出器５０，５６に入射され、バランスド光検出器５０，５６により光電変換される。
【０１１６】
バランスド光検出器５０，５６から出力される電流信号は、トランスインピーダンスアンプ５２，５８により電圧信号に変換される。
【０１１７】
電圧信号に変換されたアナログ電気信号は、ＡＤ変換部５４，６０によりデジタル信号に変換され、デジタル演算回路６２に送られる。
【０１１８】
ここで、バランスド光検出器５０，５６は、上部及び下部のみへのフォトダイオードへの入力に対してそれぞれ１及び−１に相当する電流が流れ、両方のフォトダイオードへの同時入力に対して電流が流れない特徴を有する。
【０１１９】
したがって、デジタル演算回路６２に送られたデジタル信号を信号処理することにより、ＤＱＰＳＫ信号光における位相情報を識別することができ、コヒーレント光受信機として機能させることができる。
【０１２０】
このように、本実施形態によれば、第４実施形態による光導波路素子を用いてコヒーレント光受信機を形成するので、製造トレランスの大きいコヒーレント光受信機を実現することができる。また、ＬＯ光源が不要となり、装置構成を簡略化することができる。
【０１２１】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１２２】
例えば、上記実施形態に記載した光導波路素子の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。
【０１２３】
例えば、上記実施形態では、ＩｎＰ系化合物半導体材料を用いて光導波路素子を形成する場合を示したが、光導波路素子を形成する材料はこれに限定されるものではない。例えば、ＧａＡｓ系化合物半導体材料、Ｓｉ系半導体材料、誘電体材料、高分子材料などを用いて光導波路素子を形成することによっても、上記実施形態の光導波路素子と同様の効果を得ることができる。
【０１２４】
また、上記実施形態では、ハイメサ導波路構造を有する光導波路素子を示したが、導波路の構造はこれに限定されるものではない。例えば、ＢＨ（Buried Hetero）構造、リッジ導波路構造などの他の導波路構造を有する光導波路素子に適用することもできる。
【０１２５】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１２６】
（付記１） 入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続され、前記第１の信号光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路とは光路長が異なる前記第２の信号光を伝搬する第２の光導波路とを有し、前記第１の信号光と前記第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、
前記光位相シフタの前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に接続され、前記第１の光導波路から出力される前記第１の信号光と前記第２の光導波路から出力される前記第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有し、
前記第１の光導波路は、第１の導波路幅を有し、第１の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第２の光導波路は、第２の導波路幅を有し、第２の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第１の導波路幅と前記第２の導波路幅とが等しく、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径との差は±２０％の範囲内である
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１２７】
（付記２） 付記１記載の光導波路素子において、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径とが同じである
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１２８】
（付記３） 付記１又は２記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の曲げ角度と前記第２の光導波路の曲げ角度とが異なっている
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１２９】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第１の直線導波路及び第２の直線導波路をそれぞれ有し、
前記第２の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第３の直線導波路及び第４の直線導波路をそれぞれ有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３０】
（付記５） 付記４記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の前記屈曲部と前記第１の直線導波路及び前記第２の直線導波路との間及び前記第２の光導波路の前記屈曲部と前記第３の直線導波路及び前記第４の直線導波路との間にオフセットが設けられている
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３１】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラ、前記第２の光カプラ、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、ハイメサ導波路構造を有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３２】
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラは、２つの入力ポートと、２対の出力チャネルを形成する４つの出力ポートとを有し、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記２対の出力チャネルのうちの一方に接続されている
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３３】
（付記８） 付記１乃至７のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第２の光カプラは、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する光カプラである
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３４】
（付記９） 付記７又は８記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方に四位相変位変調信号が入力され、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方に局発光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３５】
（付記１０） 付記７又は８記載の光導波路素子において、
１つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する第３の光カプラと、
前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの一方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方とを接続する第３の光導波路と、
前記第３の光導波路とは光路長が異なり、前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの他方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方とを接続する第４の光導波路とを更に有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３６】
（付記１１） 付記１０記載の光導波路素子において、
前記第３の光カプラの前記１つの入力ポートに差分四位相変換変調信号光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３７】
（付記１２） 付記７乃至１１のいずれか１項に記載の光導波路素子と、
前記第１の光カプラの他方の一対の出力ポート及び前記第２の光カプラの出力ポートから出力される光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に基づいて前記入力光の識別処理を実行する演算部と
を有することを特徴とする光ハイブリッド回路。
【符号の説明】
【０１３８】
１０…光導波路素子
１２，１４，２２，２４，２６，２８，３２，３４，４２，４４，４６，４８，７２，７４，７６，８６…光導波路
２０，３０，４０，７０，８０…光カプラ
５０，５６…バランスド光検出器
５２，５８…トランスインピーダンスアンプ
５４，６０…ＡＤ変換部
６２…デジタル演算回路
８２…直線導波路
８４…曲げ光導波路
１００…ＩｎＰ基板
１０２…ＧａＩｎＡｓＰコア層
１０４…ＩｎＰ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムに用いる光導波路素子及び光ハイブリッド回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムにおいては、様々な光信号処理を行うために、種々の光導波路素子が用いられている。例えば、光信号を任意の比率で分岐させる光分岐・結合素子等が挙げられる。任意の光分岐比を得るための光分岐・結合素子としては、２つの２：２光カプラの間に位相差を与える２本の光導波路を有する光位相シフタを設けた光導波路素子が知られている。
【０００３】
光位相シフタの２本の光導波路に位相差を与える手法としては、例えば、相対的に幅の狭い直線導波路領域を設けてこの領域の長さを制御する方法、２本の導波路をテーパ角度の異なるテーパ状導波路にする方法、一方の導波路に曲げ光導波路の遅延干渉計を形成する方法等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４４９６３号公報
【特許文献２】特開２００５−２４９９７３号公報
【特許文献３】特開２００６−２９３３４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の方法は、製造トレランスに対する対策について十分に考慮されていなかった。このため、導波路を製造する際の製造ばらつき等によって所定の位相変化量から大幅にずれてしまい、所望の特性を実現できないことがあった。
【０００６】
本発明の目的は、製造トレランスが大きく製造誤差による特性劣化の少ない光導波路素子及び光ハイブリッド回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一観点によれば、入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、前記第１の光カプラに接続され、前記第１の信号光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路とは光路長が異なる前記第２の信号光を伝搬する第２の光導波路とを有し、前記第１の信号光と前記第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、前記光位相シフタの前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に接続され、前記第１の光導波路から出力される前記第１の信号光と前記第２の光導波路から出力される前記第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有し、前記第１の光導波路は、第１の導波路幅を有し、第１の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、前記第２の光導波路は、第２の導波路幅を有し、第２の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、前記第１の導波路幅と前記第２の導波路幅とが等しく、前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径との差は±２０％の範囲内である光導波路素子が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
開示の光導波路素子及び光ハイブリッド回路によれば、製造誤差による導波路幅のずれやモード揺らぎによる特性劣化を抑制することができる。これにより、製造トレランスを大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図（その１）である。
【図２】図２は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図（その２）である。
【図３】図３は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図（その３）である。
【図４】図４は、第１実施形態による光導波路素子の構造を示す概略断面図である。
【図５】図５は、光導波路の曲げ角度θ１の下限値と曲率半径Ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図６】図６は、光導波路のオフセットを説明する図である。
【図７】図７は、製造ばらつきによる光導波路の幅の変動を説明する図である。
【図８】図８は、光カプラと曲げ光導波路との間のオフセットと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図９】図９は、参考例による光導波路素子の構造を示す平面図（その１）である。
【図１０】図１０は、導波路幅の設計値からのずれと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、参考例による光導波路素子の構造を示す平面図（その２）である。
【図１２】図１２は、第２実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第２実施形態による光導波路素子の動作を説明する平面図である。
【図１４】図１４は、入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフ（その１）である。
【図１５】図１４は、入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフ（その２）である。
【図１６】図１６は、光位相シフタ領域のオフセットとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフ（その１）である。
【図１７】図１７は、光位相シフタ領域のオフセットとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフ（その２）である。
【図１８】図１８は、導波路幅のずれ量とＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、第２実施形態の変形例による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【図２０】図２０は、第３実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【図２１】図２１は、第４実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【図２２】図２２は、第５実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１実施形態］
第１実施形態による光導波路素子及びその製造方法について図１乃至図１１を用いて説明する。
【００１１】
図１乃至図３は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。図４は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す概略断面図である。図５は、光導波路の曲げ角度θ１の下限値と曲率半径Ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図６は、光導波路のオフセットを説明する図である。図７は、製造ばらつきによる光導波路の幅の変動を説明する図である。図８は、光カプラと曲げ光導波路との間のオフセットと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図９及び図１１は、参考例による光導波路素子の構造を示す平面図である。図１０は、導波路幅の設計値からのずれと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【００１２】
はじめに、本実施形態による光導波路素子の構造について図１乃至図５を用いて説明する。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態による光導波路素子１０は、ＭＭＩ型の光カプラ２０，３０と、光カプラ２０に信号光を入力する光導波路１２，１４と、光カプラ２０，３０間を接続する光導波路２２，２４と、光カプラ３０から信号光を出力する光導波路３２，３４とを有している。
【００１４】
光カプラ２０は、２つの入力ポートＡ，Ｂと、２つの出力ポートＣ，Ｄとを有するＭＭＩ型の３ｄＢ光カプラであり、入力ポートＡに接続された光導波路１２又は入力ポートＢに接続された光導波路１４から入力された光信号を、出力ポートＣ，Ｄに均等に分岐する。
【００１５】
光導波路２２及び光導波路２４は、一端部が光カプラ２０の出力ポートＣ及び出力ポートＤにそれぞれ接続されており、他端部が光カプラ３０の入力ポートＥ及び入力ポートＦにそれぞれ接続されている。光導波路２２及び光導波路２４は、等しい導波路幅と異なる光路長を有している。
【００１６】
また、光導波路２２及び光導波路２４は、図２に示すように、曲率半径Ｒが実質的に等しい曲げ光導波路を有している。本実施形態による光導波路素子の光導波路２２及び光導波路２４のように、光導波路が複数の屈曲部を有する場合には、これら屈曲部の曲率半径Ｒを実質的に等しくする。
【００１７】
また、光導波路２２と光導波路２４との間の光路長差は、例えば、それぞれの曲げ角度（θ１及びθ２）を変えることにより、設けることができる。例えば、光導波路２２の曲げ角度θ１よりも光導波路２４の曲げ角度θ２を大きくすることにより、光導波路２４の光路長を光導波路２２の光路長よりも長くすることができる。光導波路２２と光導波路２４との間には、曲げ角度（θ１及びθ２）を適宜調整することにより、光路長差に応じた所定の位相差を与えることができる。なお、本明細書において曲げ角度とは、曲げ光導波路の曲率中心と曲げ光導波路の端部とを結ぶことにより形成される扇形の中心角に相当する（図２参照）。
【００１８】
光導波路２２及び光導波路２４には、例えば図３に示すように、導波路の形状が変化する部分にオフセットを設けるようにしてもよい。また、曲げ光導波路は、光カプラ２０，３０に直に接続してもよいし、例えば図３に示すように、直線導波路を介して光カプラ２０，３０接続するようにしてもよい。
【００１９】
光カプラ３０は、２つの入力ポートＥ，Ｆと、２つの出力ポートＧ，Ｈとを有するＭＭＩ型の３ｄＢ光カプラである。入力ポートＥ及び入力ポートＦには、光導波路２２及び光導波路２４の他端部がそれぞれ接続されており、出力ポートＧ及び出力ポートＨには、光導波路３２及び光導波路３４がそれぞれ接続されている。光カプラ３０は、光導波路２２，２４から入力された光信号を、これら光信号間の位相差に応じた分岐比により、光導波路３２，３４から出力する。
【００２０】
図１に示す光導波路素子１０は、例えば図４に示すように、下部クラッド層としてのＩｎＰ基板１００と、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０２と、上部クラッド層としてのＩｎＰ層１０４との積層体をメサ型にパターニングしたハイメサ導波路により形成されている。
【００２１】
このように、本実施形態による光導波路素子１０は、光カプラ２０からの２つの出力信号光に位相差を与える光導波路２２及び光導波路２４として、導波路幅が互いに等しいとともに、曲率半径が実質的に等しく曲げ角度が互いに異なる曲げ光導波路を用いている。
【００２２】
例えば、曲率半径Ｒを５００μｍ、曲げ角度θ１を４．０度、曲げ角度θ２を４．６２度とすると、光導波路２２と光導波路２４との間には、およそ６１．３ｎｍ程度の光路長差が生じる。このとき得られる位相差は、およそ０．２５３π［ｒａｄ］となる。すなわち、光導波路２２から出力される信号光に対して、光導波路２４から出力される信号光は、位相が０．２５３π［ｒａｄ］遅れることとなる。
【００２３】
光導波路２２及び光導波路２４を形成する導波路として実質的に曲率半径が等しい曲げ光導波路を用いているのは、曲げ光導波路において高次モードや高次漏洩モードが励振した際に、両光導波路２２，２４において同じモードが励振して打ち消し合うようにするためである。こうすることにより、光導波路２２と光導波路２４との間の位相変化量を維持することができる。
【００２４】
かかる観点から、光導波路２２を形成する曲げ光導波路と光導波路２４を形成する曲げ光導波路とは、曲率半径が同じであることが望ましいが、光導波路２２に励振したモードと光導波路２４に励振したモードとが効果的に打ち消し合う範囲であれば、必ずしも曲率半径が同じである必要はない。「実質的に曲率半径が等しい」とは、光導波路２２に励振したモードと光導波路２４に励振したモードとが効果的に打ち消し合い、所望の特性を得ることのできる範囲であることを意味するものである。
【００２５】
例えば、本実施形態の光導波路素子を後述する第２又は第４実施形態に記載のような９０度ハイブリッド回路に適用することを考慮すると、Ｑチャネル間偏差は±０．３ｄＢ以下に抑えることが望ましい。Ｑチャネル間偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることを基準にして光導波路２２の曲げ光導波路の曲率半径と光導波路２４の曲げ光導波路の曲率半径との違いの許容範囲を算出したところ、許容範囲は±２０％程度以下であった。すなわち、光導波路２２の曲げ光導波路の曲率半径と光導波路２４の曲げ光導波路の曲率半径との違いを±２０％以内とすることにより、Ｑチャネル間偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることができる。このことは、光導波路２２の曲げ光導波路の曲率半径と光導波路２４の曲げ光導波路の曲率半径との違いを±２０％以内とすることにより、光導波路２２に励振したモードと光導波路２４に励振したモードとが効果的に打ち消すことができることを意味するものである。
【００２６】
曲率半径Ｒの値は、用いる導波路パラメータに依存するため一概に規定することはできないが、本実施形態に示すようなハイメサ導波路構造を有する光導波路素子の場合、下限値を１００μｍ程度とすることが望ましい。曲率半径Ｒが小さくなるにつれ過剰損が増大するため、例えば９０度ハイブリッド回路に適用する場合にあっては、Ｑチャネル間バランスをとることが困難になる。前述の下限値は、Ｑチャネル間偏差を±０．３ｄＢ以内に抑えることができることを前提として算出したものである。
【００２７】
なお、光導波路２２の曲率が小さくなり直線導波路に限りなく近づくと、光導波路２２に高次モードや高次漏洩モードが励振しにくくなり、光導波路２４に励振したモードを相殺する効果が損なわれる。かかる観点から、光導波路２２の曲げ角度θ１は、曲率半径Ｒの値に応じて下限値を規定することが望ましい。
【００２８】
図５は、光導波路２２の曲げ角度θ１の下限値と曲率半径Ｒとの関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。
【００２９】
図５に示すように、曲げ角度θ１の下限値は、曲率半径Ｒの増加とともに減少する。例えば、曲率半径が１００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は１８度となる。曲率半径が２００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は１８度となる。曲率半径が３００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は６度となる。曲率半径が５００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は４度となる。曲率半径が１０００μｍのとき、曲げ角度θ１の下限値は２度となる。
【００３０】
光導波路２４の曲げ角度θ２は、光導波路２２との光路長差によって所望の位相差が得られるように、光導波路２２の曲げ角度θ１より大きい値を適宜選択する。
【００３１】
次に、本実施形態による光導波路素子の製造トレランスについて図６乃至図１１を用いて説明する。
【００３２】
光導波路素子の導波路パラメータは、製造時のばらつき等により設計値からずれることがある。
【００３３】
例えば、光カプラの入出力ポートにおけるオフセットが製造誤差により所定値からずれる場合、理論的に見積もったオフセットの値が実験値とずれる場合などのケースが考えられる。オフセットとは、例えば図６（ａ）に示すように、光カプラ８０と曲げ光導波路８４との間に直線導波路８２が位置する場合において、直線導波路８２と曲げ光導波路８４との間に設けられるオフセットΔである。或いは、例えば図６（ｂ）に示すように、光カプラ８０に対して曲げ光導波路８４が直に接続される場合において、直線導波路の仮想的な位置に対する曲げ光導波路８４のオフセットΔである。
【００３４】
または、例えば光導波路の幅そのものが所定値からずれるケースが考えられる。例えば、図７（ａ）に示すように、完成した光導波路８６の幅が設計値Ｗよりも広いＷ＋δＷになった場合が挙げられる。或いは、図７（ｂ）に示すように、完成した光導波路４６の幅が設計値Ｗよりも狭いＷ−δＷになった場合が挙げられる。
【００３５】
これらの原因によって導波路パラメータが設計値からずれると、位相変化量が設計値からずれることになり、分岐比を一定に保つことができなくなる。
【００３６】
図８は、光カプラと曲げ光導波路との間のオフセットと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図中、実線は図３に示す本実施形態の光導波路素子の特性（図中、「本発明」と表す）であり、点線は図９に示す参考例の光導波路素子の特性（図中、「参考例」と表す）である。
【００３７】
参考例の光導波路素子は、図９に示すように、位相差を与える２つの光導波路２６，２８が異なるほかは、図３に示す本実施形態の光導波路素子と同様である。参考例の光導波路素子は、位相差を与える２つの光導波路２６，２８のうち、一方の光導波路２６が直線導波路により形成され、他方の光導波路２８が曲げ光導波路により形成されたものである。片方の光導波路２８を曲げ光導波路とすることにより、光導波路２６と光導波路２８との光路長を変えることができ、光導波路２６から出力される信号光と光導波路２８から出力される信号光との間に位相差を与えることができる。
【００３８】
図８の計算例では、光導波路２２を通過する信号光と光導波路２４を通過する信号光との間の位相変化量及び光導波路２６を通過する信号光と光導波路２８を通過する信号光との間の位相変化量を−π／４［ｒａｄ］に設定した。また、光カプラ２０と光導波路２２，２４，２８の曲げ光導波路との間及び光カプラ３０と光導波路２２，２４，２８の曲げ光導波路との間に直線導波路が形成されているものとし、直線導波路と曲げ光導波路との間のオフセットΔを定義した（図６（ａ）参照）。
【００３９】
また、光導波路素子の構造としては、図４に示すようなハイメサ導波路構造を想定し、ＧａＩｎＡｓＰコア層のバンドギャップ波長λｇを１．０５μｍ、入出力導波路幅を２．５μｍとした。それぞれの光導波路素子は、単一モード条件を満足し、光信号を８５：１５の割合で非対称分岐させるものとして機能するように最適化した。
【００４０】
図３に示す本実施形態の光導波路素子及び図９に示す参考例の光導波路素子では、遅延干渉計に曲げ光導波路を用いているため、モード揺らぎが発生する虞がある。通常、限られた範囲内でオフセットΔを適正化することにより、モード揺らぎによる特性劣化を低減することができる。この場合、いずれの光導波路素子の場合にも、最適なオフセットΔは、０．０４μｍ程度と見積もられた。ただし、製造時の誤差によっては、最適なオフセットΔは必ずしも固定値にならない可能性がある。
【００４１】
参考例の光導波路素子では、図８に示すように、オフセットΔが最適値の０．０４μｍからずれるにつれ、クロスポートへ結合する比率（８５％、〜０．７ｄＢ損失）及びバーポートへ結合する比率（１５％、〜８．３ｄＢ損失）が大幅に変化する。その変化量は、オフセットΔが±０．０４μｍ変化する範囲において、±５％及び±２３％にも及ぶ。オフセットΔに対して特性が大きく変化した原因は、最適なオフセットΔからずれるにつれ、曲げ光導波路において高次モード或いは高次漏洩モードが励振し、光導波路２６，２８間の光路長差ΔＬＰＳに起因する所望の位相変化量が変わったためである。
【００４２】
これに対し、本実施形態の光導波路素子では、図８に示すように、オフセットΔが最適値（０．０４μｍ）から±０．０４μｍほど変化しても、クロスポート及びバーポートへ結合する比率はほとんど変化していない。最適値の場合に対する変化量は、何れの出力チャネルでも±１％程度に収まっている。これは、本実施形態の光導波路素子においても、最適なオフセットΔからずれるにつれて曲げ光導波路において高次モード或いは高次漏洩モードが励振するものの、両アームの曲げ光導波路で同じモードが励振するため、所望の位相変化量が保たれるためである。
【００４３】
なお、図８の計算例では、光カプラ２０，３０間の曲げ光導波路の前後に直線導波路が存在する場合を想定したが、例えば図６（ｂ）に示すように、光カプラ２０，３０に曲げ光導波路が直に接続されている場合も同様である。カプラ設計（例えば、ＭＭＩ幅やＭＭＩ長）が適正であれば、図８と同様の特性を得ることができる。
【００４４】
ただし、カプラ設計が適正でない場合、光カプラ２０，３０間の曲げ光導波路の前後に直線導波路を設けた方が所望の特性を得やすい傾向になる。例えば、入力光波長依存性や製造誤差などにより、ＭＭＩカプラ設計が適正でなくなった場合、ＭＭＩカプラの入出力チャネルにおけるモード分布は所望の自己結像によるモード分布からずれることになる。その伝搬モードがそのまま曲げ光導波路へ入力されると、たとえオフセットΔを適正化してもモードミスマッチに起因する損失を得てしまうため、所望の特性改善を得にくくなる。
【００４５】
本実施形態の光導波路素子は、図７に示すような導波路幅Ｗのばらつきに対する製造トレランスの面でも有利である。
【００４６】
図１０は、導波路幅の設計値からのずれと分岐特性との関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図中、実線は図３に示す本実施形態の光導波路素子の特性（図中、「本発明」と表す）であり、点線は図１１に示す参考例の光導波路素子の特性（図中、「第１参考例」と表す）であり、点線は図９に示す参考例の光導波路素子の特性（図中、「第２参考例」と表す）である。シミュレーションに用いた計算条件は、図８のシミュレーションに用いた計算条件と同様である。
【００４７】
第１参考例の光導波路素子は、図１１に示すように、位相差を与える２つの光導波路２６，２８が異なるほかは、図３に示す本実施形態の光導波路素子と同様である。参考例の光導波路素子は、位相差を与える２つの光導波路２６，２８のうち、一方の光導波路２６が直線導波路により形成され、他方の光導波路２８が一部にテーパ領域を有するテーパ導波路により形成されたものである。
【００４８】
図１０に示すように、導波路幅が設計値通りの場合、すなわち導波路幅の設計値からのずれ量δＷが０μｍの場合、両アームの形状によらず、光導波路素子の分岐比は設計値（８５：１５）に近い値になっている。これに対し、ずれ量δＷが−０．０５μｍ〜０．０５μｍの範囲内で変化すると、光導波路素子の分岐比は両アームの導波路形状に依存して大きく変化する。
【００４９】
光位相シフタをテーパ導波路により形成した第１参考例の光導波路素子の場合、ずれ量δＷの変化に対し、クロスポートへ結合する比率（８５％：〜０．７ｄＢ）は、さほど影響しない。これに対し、バーポートへ結合する比率（１５％：〜８．３ｄＢ）は、ずれ量δＷに対して線形的に変化し、その変化率は±１１％程にもなる。
【００５０】
このように、光位相シフタをテーパ導波路により形成した光導波路素子では、導波路幅が設計値からずれると、テーパ領域における位相変化が所定値からずれることになり、分岐比を一定に保つことができない。
【００５１】
光位相シフタをテーパ導波路により形成した場合、特性劣化の度合い（ＦＭ１）は、下記の式（１）によって表すことができる。ここで、ｋ０は真空中の波数を表し、ＬＰＳは位相変化領域長を表し、δｎ１及びδｎ２は両アームにおける導波路幅のずれに対する屈折率変化を表す。ブラケット＜＞は、両アームの導波路幅が一定ではないため、局所的に屈折率変化が異なることを表す。
【００５２】
ＦＭ１∝ｋ０（＜δｎ１＞−＜δｎ２＞）・ＬＰＳ …（１）
式（１）に示すように、導波路幅のずれに対する特性劣化を緩和するためには、（＜δｎ１＞−＜δｎ２＞）又はＬＰＳを低減することが重要である。しかしながら、これら２つのパラメータは、所望の位相変化を得るために一方を低減すると他方を増加せざるを得ない関係にある。したがって、光位相シフタをテーパ導波路により形成した光導波路素子では、製造トレランスの増大には限界がある。この限界を克服するためには、両アームに対する伝搬定数を等しくすることが最も有効である。
【００５３】
一方、遅延干渉計の両アームの導波路幅が等しい第２参考例の光導波路素子及び本実施形態の光導波路素子の場合、ずれ量δＷの変化に対し、何れの出力ポートへ結合する比率も、その変化率は±２．５％程度以下に抑えられている。このように、遅延干渉計の両アームの導波路幅を等しくすることにより、光位相シフタをテーパ導波路により形成する場合と比較して、導波路幅のずれに対する特性劣化を緩和することができる。
【００５４】
両アームの導波路幅を等しくして曲げ光導波路の遅延干渉計を形成した場合、特性劣化の度合い（ＦＭ２）は、下記の式（２）によって表すことができる。ここで、ｎｅｑは導波路の実効屈折率であり、ΔＬＰＳは両アーム間の光路長差を表す。
【００５５】
ＦＭ２∝ｋ０・ｎｅｑ・ΔＬＰＳ …（２）
式（１）と式（２）とを比較すると、実効屈折率ｎｅｑは（＜δｎ１＞−＜δｎ２＞）よりも２桁ほど大きいものの、光路長差ΔＬＰＳはＬＰＳより２桁以上小さい。その結果、特性劣化の度合いＦＭ２は、特性劣化の度合いＦＭ１よりも小さくすることができ、導波路幅のずれに対する特性劣化を緩和することができる。
【００５６】
図８及び図１０に示す特性は、位相変化量Δθが−π／４［ｒａｄ］の場合の計算結果であるが、本実施形態による光導波路素子における特性改善効果は、任意の位相変化量Δθについても常に成立する。したがって、本実施形態による光導波路素子によれば、伝搬モードの揺らぎ及び導波路幅のずれに対する製造トレランスを飛躍的に向上することができる。
【００５７】
なお、図１及び図３に示す例では、ＭＭＩカプラへ結合する直線導波路或いは曲げ光導波路の幅が一定であるが、これに限定されるものではない。例えば、ＭＭＩカプラ領域へ接続する導波路の幅がテーパ形状に変化するような場合にも、図１及び図３に示す光導波路素子と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
次に、本実施形態による光導波路素子の製造方法について説明する。
【００５９】
まず、ｎ型又はアンドープのＩｎＰ基板１００上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、膜厚０．５μｍのアンドープのＧａＩｎＡｓＰコア層１０２と、膜厚２μｍのｐ型或いはアンドープのＩｎＰ層１０４とをエピタキシャル成長する（図４参照）。ＧａＩｎＡｓＰコア層１０２の発光波長は、例えば１．０５μｍとする。
【００６０】
次いで、ＩｎＰ層１０４上に、例えば蒸着法により、マスクとなるシリコン酸化膜（図示せず）を堆積する。
【００６１】
次いで、フォトリソグラフィにより、シリコン酸化膜上に、光導波路素子の導波路パターンを有するフォトレジスト膜（図示せず）を形成する。
【００６２】
次いで、フォトレジスト膜をマスクとしてシリコン酸化膜をエッチング後、パターニングしたシリコン酸化膜をマスクとして、ＩｎＰ層１０４、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０２及びＩｎＰ基板１００を、例えばＩＣＰ反応性イオンエッチングにより異方性エッチングする。これにより、高さ３．０μｍ程度のハイメサ導波路構造を形成し、本実施形態による光導波路素子を完成する。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、光位相シフタを形成する２つの光導波路を、導波路幅及び曲率半径が実質的に同じである曲げ光導波路を有する光導波路により形成するので、導波路幅のずれ及びモード揺らぎによる特性劣化を防ぐことができる。これにより、製造トレランスを大幅に向上することができる。
【００６４】
[第２実施形態]
第２実施形態による光導波路素子について図１２乃至図１９を用いて説明する。第１実施形態による光導波路素子と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００６５】
図１２は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。図１３は、本実施形態による光導波路素子の動作を説明する平面図である。図１４及び図１５は、入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフである。図１６及び図１７は、光位相シフタ領域のオフセットとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。図１８は、導波路幅のずれ量とＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。図１９は、本実施形態の変形例による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【００６６】
はじめに、本実施形態による光導波路素子について図１２を用いて説明する。本実施形態による光導波路素子は、第１実施形態による光導波路素子の光位相シフタを、多値変調信号を復調する９０度ハイブリッド回路に適用したものである。
【００６７】
図１２に示すように、２つの入力ポートと４つの出力ポートとを有するＭＭＩ型の光カプラ４０と、２つの入力ポートと２つの出力ポートとを有するＭＭＩ型の光カプラ３０とを有している。光カプラ４０は、対モード干渉（ＰＩ：paired interference）に基づく２：４ＭＭＩカプラである。光カプラ４０の入力ポートには、光導波路４２，４４が接続されている。光カプラ４０の２対の出力チャネルのうち、一方の出力チャネルには、光導波路４６，４８が接続されている。光カプラ４０他方の出力チャネルと光カプラ３０との間には、光導波路２２，２４が接続されている。光導波路２２，２４は、第１実施形態による光導波路素子の光導波路２２，２４と同様であり、光位相シフタを形成するものである。光カプラ３０の出力ポートには、光導波路３２，３４が接続されている。
【００６８】
次に、本実施形態による光導波路素子の動作について図１３を用いて説明する。
【００６９】
図１３に示すように、光カプラ４０の入力ポートに、光導波路４２を介して四位相変位変調（ＱＰＳＫ：quadrature phase shift keying）信号を入射し、光導波路４４を介して局発（ＬＯ：local oscillator）光を入射する。すると、光カプラ４０の２対の出力チャネルには、入力信号が同相信号（in-phase）に変換されて出力される。２対の出力チャネルに出力された信号光のうち、光導波路２２，２４に出力される一対の出力チャネル成分は、光位相シフタである光導波路２２，２４及び光カプラ３０によって直交位相信号（quadrature）に変換される。これにより、本実施形態による光導波路素子は、９０度ハイブリッド回路として機能する。
【００７０】
次に、本実施形態による光導波路素子の製造トレランスについて図１４乃至図１８を用いて説明する。
【００７１】
直交位相信号におけるクロストークを解消するためには、光位相シフタ領域における位相変化量の総和（θ１−θ２）を−π／４［ｒａｄ］に適正化することが重要である。製造工程などにより光位相シフタにおけるΔθが設計値からずれると、直交位相信号成分のみが特性劣化を受けることになる。
【００７２】
通常、エラーを伴わない光信号処理を行うためには、光受信時、同相信号雑音比（ＣＭＲＲ：common-mode constant ratio）と呼ばれるパラメータを２０ｄＢ以下に抑えることが求められる。２０ｄＢ以下のＣＭＲＲを得るためには、９０度ハイブリッドにおけるＩ及びＱチャネル間偏差を〜０．９ｄＢ以内に抑えることが望ましい。ただし、バランスド光受信機（balanced photodiode）における受信感度のばらつきを考慮すると、９０度ハイブリッドにおけるチャネル間偏差はより厳しい。
【００７３】
図１４及び図１５は、いずれかの入力チャネルから光信号を入射したときの光導波路素子の分岐特性を示すグラフである。図１４は、図１１に示す本実施形態の光導波路素子の場合である。図１５は、光位相シフタとして図１１の光導波路２２，２４の代わりに図９の光導波路素子の光導波路２６，２８を用いた光導波路素子の場合である。光導波路素子の構造は、図４に示すようなハイメサ導波路構造を有し、ＧａＩｎＡｓＰコア層のバンドギャップ波長λｇは１．０５μｍである。光導波路２２，２４，２６，２８のオフセットΔは、０．０４μｍに最適化されている。
【００７４】
図１４及び図１５に示すように、いずれの光導波路素子の場合にも、良好な分岐特性を示しており、Ｉチャネル及びＱチャネルともにチャネル間偏差が小さいことが判る。
【００７５】
しかしながら、チャネル間偏差の製造ばらつきによる影響は、光位相シフタ領域の導波路構造に依存して顕著に相違する。
【００７６】
図１６及び図１７は、光位相シフタ領域のオフセットΔとＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。図１６は、図１２に示す本実施形態の光導波路素子の場合である。図１７は、光位相シフタとして図１２の光導波路２２，２４の代わりに図９の光導波路２６，２８を用いた光導波路素子の場合である。
【００７７】
図１６に示すように、本実施形態の光導波路素子では、オフセットΔの最適化と関係なく、Ｑチャネル間偏差は±０．３ｄＢ以内に収まっている。本実施形態の光導波路素子では、第１実施形態において述べたように、光位相シフタ領域でモード揺らぎが発生してもその影響を抑制することができるため、Ｑチャネル間偏差を常に一定に保つことができる。
【００７８】
これに対し、光位相シフタとして図９の光導波路２６，２８を用いた光導波路素子では、オフセットΔが設計値（０．０４μｍ）からずれるにつれ、Ｑチャネル間偏差が顕著に現れていることが判る。
【００７９】
本実施形態による光導波路素子は、導波路幅のずれ量δＷに対する特性劣化をも防ぐことができる。
【００８０】
図１８は、本実施形態の光導波路素子における導波路幅のずれ量とＱチャネル間偏差との関係を示すグラフである。なお、Ｉチャネル間偏差は導波路幅のずれ量δＷにほとんど影響されないため、図１８では省略している。
【００８１】
図１８に示すように、本実施形態の光導波路素子では、導波路幅のずれ量δＷが−０．０５μｍ〜０．０５μｍの範囲で変動しても、チャネル間偏差はＣバンド帯域内で±０．２ｄＢ以内に収まっている。このことは、製造トレランスが飛躍的に改善されていることを示すものである。
【００８２】
なお、図１６乃至図１８に示す特性改善効果は、図１２に示す構造の光導波路素子に限定されるものではない。例えば、図１９に示すように、光カプラ４０の２対の出力チャネルについて、光位相シフタ及び光カプラ３０に接続するポートを入れ替えても、同様の特性を得ることができる。図１９に示す構造を用いた場合、同相信号と直交位相信号が出力するチャネルが入れ替わる関係になる。この場合、光カプラ４０及び光カプラ３０間の位相整合に求められる光位相シフタ領域における位相変化量の総和（θ１−θ２）は、＋π／４［ｒａｄ］となる。
【００８３】
また、図１２及び図１９に示す光導波路素子に適切な位相変化量の総和（θ１−θ２）は、−π／４又は＋π／４に限定されるものではない。基本的に、位相変化量の総和（θ１−θ２）は、−π／４−（ｓ×π）／２（ｓは任意の自然数）又は＋π／４＋（ｔ×π）／２（ｔは任意の自然数）にすれば、同様の特性を得ることができる。
【００８４】
本実施形態による光導波路素子の製造方法は、加工するパターン形状が異なるほかは、第１実施形態による光導波路素子の製造方法と同様である。
【００８５】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態による光導波路素子を用いて９０度ハイブリッド回路を形成するので、製造トレランスの大きい９０度ハイブリッド回路を実現することができる。これにより、直交位相成分における過剰損失及びクロストークを抑制することができる。
【００８６】
[第３実施形態]
第３実施形態による光ハイブリッド回路について図２０を用いて説明する。第１及び第２実施形態による光導波路素子と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００８７】
図２０は、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【００８８】
はじめに、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造について図２０を用いて説明する。本実施形態による光ハイブリッド回路は、第２実施形態による光導波路素子を用いたコヒーレント光受信機である。
【００８９】
すなわち、図２０に示すように、第２実施形態による光導波路素子の光導波路４６，４８の出力側に、バランスド光検出器（ＢＰＤ：balanced photodiode）５０を介してトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ：trans-impedance amplifier）５２が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５２には、ＡＤ変換部５４が接続されている。また、光導波路３２，３４の出力側には、バランスド光検出器５６を介してトランスインピーダンスアンプ５８が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５８には、ＡＤ変換部６０が接続されている。ＡＤ変換部５４及びＡＤ変換部６０には、デジタル演算回路６２が接続されている。
【００９０】
次に、本実施形態による光ハイブリッド回路の動作について図２０を用いて説明する。
【００９１】
ＱＰＳＫ信号パルスと、ＱＰＳＫ信号パルスに時間的に同期したＬＯ光とを、９０度ハイブリッド回路の入力ポートである光導波路４２，４４に入射する。これにより、９０度ハイブリッド回路の出力ポートである光導波路３２，３４，４６，４８からは、ＱＰＳＫ信号光の位相状態に応じた信号光が出力される。
【００９２】
９０度ハイブリッド回路から出力された信号光は、同相及び直交位相関係を有するチャネル同士が、それぞれ、バランスド光検出器５０，５６に入射され、バランスド光検出器５０，５６により光電変換される。
【００９３】
バランスド光検出器５０，５６から出力される電流信号は、トランスインピーダンスアンプ５２，５８により電圧信号に変換される。
【００９４】
電圧信号に変換されたアナログ電気信号は、ＡＤ変換部５４，６０によりデジタル信号に変換され、デジタル演算回路６２に送られる。
【００９５】
バランスド光検出器５０，５６は、上部及び下部のみへのフォトダイオードへの入力に対してそれぞれ１及び−１に相当する電流が流れ、両方のフォトダイオードへの同時入力に対して電流が流れない特徴を有する。
【００９６】
したがって、デジタル演算回路６２に送られたデジタル信号を信号処理することにより、ＱＰＳＫ信号光における位相情報を識別することができ、コヒーレント光受信機として機能させることができる。
【００９７】
このように、本実施形態によれば、第２実施形態による光導波路素子を用いてコヒーレント光受信機を形成するので、製造トレランスの大きいコヒーレント光受信機を実現することができる。
【００９８】
[第４実施形態]
第４実施形態による光導波路素子について図２１を用いて説明する。第１乃至第３実施形態による光導波路素子と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し或いは簡潔にする。
【００９９】
図２１は、本実施形態による光導波路素子の構造を示す平面図である。
【０１００】
はじめに、本実施形態による光導波路素子の構造について図２１を用いて説明する。本実施形態による光導波路素子は、差分四位相変位変調（ＤＱＰＳＫ：differential quadrature phase shift keying）信号光に対応した９０度光ハイブリッド回路である。
【０１０１】
図２１に示すように、本実施形態による光導波路素子は、光カプラ４０の前段の構造が異なるほかは、図１２に示す第２実施形態による光導波路素子と基本的に同じである。光カプラ４０の前段には、光導波路７４，７６を介して１入力２出力のＭＭＩ型の光カプラ７０が設けられている。光カプラ４０と光カプラ７０とを接続する光導波路７４，７６は、互いに光路長が異なっている。入力信号光は、光導波路７２を介して光カプラ７０の入力ポートに入力される。本実施形態による光導波路素子には、ＬＯ光発生部は設けられていない。
【０１０２】
次に、本実施形態による光導波路素子の動作について図２１を用いて説明する。
【０１０３】
光導波路７２を介して光カプラ７０にＤＱＰＳＫ信号光を入射すると、入射したＤＱＰＳＫ信号光は、光カプラ７０によって光導波路７４と光導波路７６との２つの経路に分けられる。光導波路７４と光導波路７６との間には、ＤＱＰＳＫ信号パルスの１ビットの遅延に相当する光路長差が設けられている。これにより、２つの経路に分けられた信号光同士は、−９０度、９０度、０度及び１８０度の４種類のうちのいずれかの位相差を有する。
【０１０４】
光カプラ７０以降の動作は、第２実施形態による光導波路素子と同様である。これにより、本実施形態による光導波路素子は、９０度光ハイブリッド回路として機能する。
【０１０５】
なお、光カプラ７０の代わりに、Ｙ分岐カプラ、２：２ＭＭＩ又は２：２方向性結合器を用いることによっても、同様の９０度光ハイブリッド動作を実現することができる。
【０１０６】
このように、本実施形態によれば、第１実施形態による光導波路素子を用いて９０度ハイブリッド回路を形成するので、製造トレランスの大きい９０度ハイブリッド回路を実現することができる。これにより、直交位相成分における過剰損失及びクロストークを抑制することができる。また、ＬＯ光源が不要となり、装置構成を簡略化することができる。
【０１０７】
[第５実施形態]
第５実施形態による光ハイブリッド回路について図２２を用いて説明する。第１、第２及び第４実施形態による光導波路素子及び第３実施形態による光ハイブリッド回路と同様の構成要素には同様の符号を付し、説明を省略し又は簡潔にする。
【０１０８】
図２２は、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造を示す平面図である。
【０１０９】
はじめに、本実施形態による光ハイブリッド回路の構造について図２２を用いて説明する。
【０１１０】
本実施形態による光ハイブリッド回路は、第４実施形態による光導波路素子を用いたコヒーレント光受信機である。
【０１１１】
すなわち、図２２に示すように、第４実施形態による光導波路素子の光導波路４６，４８の出力側に、バランスド光検出器５０を介してトランスインピーダンスアンプ５２が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５２には、ＡＤ変換部５４が接続されている。また、光導波路３２，３４の出力側には、バランスド光検出器５６を介してトランスインピーダンスアンプ５８が接続されている。トランスインピーダンスアンプ５８には、ＡＤ変換部６０が接続されている。ＡＤ変換部５４及びＡＤ変換部６０には、デジタル演算回路６２が接続されている。
【０１１２】
次に、本実施形態による光ハイブリッド回路の動作について図２０を用いて説明する。
【０１１３】
光導波路７２を介して光カプラ７０にＤＱＰＳＫ信号光を入射すると、入射したＤＱＰＳＫ信号光は、光カプラ７０によって光導波路７４と光導波路７６との２つの経路に分けられる。光導波路７４と光導波路７６との間には、ＤＱＰＳＫ信号パルスの１ビットの遅延に相当する光路長差が設けられている。２つの経路に分けられた信号光同士は、第４実施形態に示したように、信号光同士の相対位相差によって異なる出力形態となる。
【０１１４】
光導波路７４及び光導波路７６からの出力光は、９０度ハイブリッド回路の入力ポートである光導波路４２，４４に入射する。これにより、９０度ハイブリッド回路の出力ポートである光導波路３２，３４，４６，４８からは、ＤＱＰＳＫ信号光の位相状態に応じた信号光が出力される。
【０１１５】
９０度ハイブリッド回路から出力された信号光は、同相及び直交位相関係を有するチャネル同士が、それぞれ、バランスド光検出器５０，５６に入射され、バランスド光検出器５０，５６により光電変換される。
【０１１６】
バランスド光検出器５０，５６から出力される電流信号は、トランスインピーダンスアンプ５２，５８により電圧信号に変換される。
【０１１７】
電圧信号に変換されたアナログ電気信号は、ＡＤ変換部５４，６０によりデジタル信号に変換され、デジタル演算回路６２に送られる。
【０１１８】
ここで、バランスド光検出器５０，５６は、上部及び下部のみへのフォトダイオードへの入力に対してそれぞれ１及び−１に相当する電流が流れ、両方のフォトダイオードへの同時入力に対して電流が流れない特徴を有する。
【０１１９】
したがって、デジタル演算回路６２に送られたデジタル信号を信号処理することにより、ＤＱＰＳＫ信号光における位相情報を識別することができ、コヒーレント光受信機として機能させることができる。
【０１２０】
このように、本実施形態によれば、第４実施形態による光導波路素子を用いてコヒーレント光受信機を形成するので、製造トレランスの大きいコヒーレント光受信機を実現することができる。また、ＬＯ光源が不要となり、装置構成を簡略化することができる。
【０１２１】
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１２２】
例えば、上記実施形態に記載した光導波路素子の構造、構成材料、製造条件等は、一例を示したものにすぎず、当業者の技術常識等に応じて適宜修正や変更が可能である。
【０１２３】
例えば、上記実施形態では、ＩｎＰ系化合物半導体材料を用いて光導波路素子を形成する場合を示したが、光導波路素子を形成する材料はこれに限定されるものではない。例えば、ＧａＡｓ系化合物半導体材料、Ｓｉ系半導体材料、誘電体材料、高分子材料などを用いて光導波路素子を形成することによっても、上記実施形態の光導波路素子と同様の効果を得ることができる。
【０１２４】
また、上記実施形態では、ハイメサ導波路構造を有する光導波路素子を示したが、導波路の構造はこれに限定されるものではない。例えば、ＢＨ（Buried Hetero）構造、リッジ導波路構造などの他の導波路構造を有する光導波路素子に適用することもできる。
【０１２５】
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１２６】
（付記１） 入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続され、前記第１の信号光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路とは光路長が異なる前記第２の信号光を伝搬する第２の光導波路とを有し、前記第１の信号光と前記第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、
前記光位相シフタの前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に接続され、前記第１の光導波路から出力される前記第１の信号光と前記第２の光導波路から出力される前記第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有し、
前記第１の光導波路は、第１の導波路幅を有し、第１の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第２の光導波路は、第２の導波路幅を有し、第２の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第１の導波路幅と前記第２の導波路幅とが等しく、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径との差は±２０％の範囲内である
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１２７】
（付記２） 付記１記載の光導波路素子において、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径とが同じである
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１２８】
（付記３） 付記１又は２記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の曲げ角度と前記第２の光導波路の曲げ角度とが異なっている
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１２９】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第１の直線導波路及び第２の直線導波路をそれぞれ有し、
前記第２の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第３の直線導波路及び第４の直線導波路をそれぞれ有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３０】
（付記５） 付記４記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の前記屈曲部と前記第１の直線導波路及び前記第２の直線導波路との間及び前記第２の光導波路の前記屈曲部と前記第３の直線導波路及び前記第４の直線導波路との間にオフセットが設けられている
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３１】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラ、前記第２の光カプラ、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、ハイメサ導波路構造を有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３２】
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラは、２つの入力ポートと、２対の出力チャネルを形成する４つの出力ポートとを有し、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記２対の出力チャネルのうちの一方に接続されている
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３３】
（付記８） 付記１乃至７のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第２の光カプラは、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する光カプラである
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３４】
（付記９） 付記７又は８記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方に四位相変位変調信号が入力され、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方に局発光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３５】
（付記１０） 付記７又は８記載の光導波路素子において、
１つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する第３の光カプラと、
前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの一方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方とを接続する第３の光導波路と、
前記第３の光導波路とは光路長が異なり、前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの他方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方とを接続する第４の光導波路とを更に有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３６】
（付記１１） 付記１０記載の光導波路素子において、
前記第３の光カプラの前記１つの入力ポートに差分四位相変換変調信号光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【０１３７】
（付記１２） 付記７乃至１１のいずれか１項に記載の光導波路素子と、
前記第１の光カプラの他方の一対の出力ポート及び前記第２の光カプラの出力ポートから出力される光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に基づいて前記入力光の識別処理を実行する演算部と
を有することを特徴とする光ハイブリッド回路。
【符号の説明】
【０１３８】
１０…光導波路素子
１２，１４，２２，２４，２６，２８，３２，３４，４２，４４，４６，４８，７２，７４，７６，８６…光導波路
２０，３０，４０，７０，８０…光カプラ
５０，５６…バランスド光検出器
５２，５８…トランスインピーダンスアンプ
５４，６０…ＡＤ変換部
６２…デジタル演算回路
８２…直線導波路
８４…曲げ光導波路
１００…ＩｎＰ基板
１０２…ＧａＩｎＡｓＰコア層
１０４…ＩｎＰ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続され、前記第１の信号光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路とは光路長が異なる前記第２の信号光を伝搬する第２の光導波路とを有し、前記第１の信号光と前記第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、
前記光位相シフタの前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に接続され、前記第１の光導波路から出力される前記第１の信号光と前記第２の光導波路から出力される前記第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有し、
前記第１の光導波路は、第１の導波路幅を有し、第１の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第２の光導波路は、第２の導波路幅を有し、第２の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第１の導波路幅と前記第２の導波路幅とが等しく、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径との差は±２０％の範囲内である
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路素子において、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径とが同じである
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の曲げ角度と前記第２の光導波路の曲げ角度とが異なっている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第１の直線導波路及び第２の直線導波路をそれぞれ有し、
前記第２の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第３の直線導波路及び第４の直線導波路をそれぞれ有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項５】
請求項４記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の前記屈曲部と前記第１の直線導波路及び前記第２の直線導波路との間及び前記第２の光導波路の前記屈曲部と前記第３の直線導波路及び前記第４の直線導波路との間にオフセットが設けられている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラは、２つの入力ポートと、２対の出力チャネルを形成する４つの出力ポートとを有し、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記２対の出力チャネルのうちの一方に接続されている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項７】
請求項６記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方に四位相変位変調信号が入力され、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方に局発光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項８】
請求項６記載の光導波路素子において、
１つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する第３の光カプラと、
前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの一方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方とを接続する第３の光導波路と、
前記第３の光導波路とは光路長が異なり、前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの他方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方とを接続する第４の光導波路とを更に有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項９】
請求項８記載の光導波路素子において、
前記第３の光カプラの前記１つの入力ポートに差分四位相変換変調信号光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の光導波路素子と、
前記第１の光カプラの他方の一対の出力ポート及び前記第２の光カプラの出力ポートから出力される光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に基づいて前記入力光の識別処理を実行する演算部と
を有することを特徴とする光ハイブリッド回路。
【請求項１】
入力光を分岐して第１の信号光及び第２の信号光を出力する第１の光カプラと、
前記第１の光カプラに接続され、前記第１の信号光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路とは光路長が異なる前記第２の信号光を伝搬する第２の光導波路とを有し、前記第１の信号光と前記第２の信号光との間に位相差を与える光位相シフタと、
前記光位相シフタの前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に接続され、前記第１の光導波路から出力される前記第１の信号光と前記第２の光導波路から出力される前記第２の信号光とを結合する第２の光カプラとを有し、
前記第１の光導波路は、第１の導波路幅を有し、第１の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第２の光導波路は、第２の導波路幅を有し、第２の曲率半径で屈曲する曲げ光導波路であり、
前記第１の導波路幅と前記第２の導波路幅とが等しく、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径との差は±２０％の範囲内である
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項２】
請求項１記載の光導波路素子において、
前記第１の曲率半径と前記第２の曲率半径とが同じである
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の曲げ角度と前記第２の光導波路の曲げ角度とが異なっている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第１の直線導波路及び第２の直線導波路をそれぞれ有し、
前記第２の光導波路は、屈曲部と前記第１の光カプラ及び第２の光カプラとの間に、第３の直線導波路及び第４の直線導波路をそれぞれ有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項５】
請求項４記載の光導波路素子において、
前記第１の光導波路の前記屈曲部と前記第１の直線導波路及び前記第２の直線導波路との間及び前記第２の光導波路の前記屈曲部と前記第３の直線導波路及び前記第４の直線導波路との間にオフセットが設けられている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラは、２つの入力ポートと、２対の出力チャネルを形成する４つの出力ポートとを有し、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は、前記２対の出力チャネルのうちの一方に接続されている
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項７】
請求項６記載の光導波路素子において、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方に四位相変位変調信号が入力され、
前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方に局発光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項８】
請求項６記載の光導波路素子において、
１つの入力ポートと２つの出力ポートとを有する第３の光カプラと、
前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの一方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの一方とを接続する第３の光導波路と、
前記第３の光導波路とは光路長が異なり、前記第３の光カプラの前記２つの出力ポートの他方と前記第１の光カプラの前記２つの入力ポートの他方とを接続する第４の光導波路とを更に有する
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項９】
請求項８記載の光導波路素子において、
前記第３の光カプラの前記１つの入力ポートに差分四位相変換変調信号光が入力される
ことを特徴とする光導波路素子。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の光導波路素子と、
前記第１の光カプラの他方の一対の出力ポート及び前記第２の光カプラの出力ポートから出力される光信号を電気信号に変換する光電変換部と、
前記電気信号に基づいて前記入力光の識別処理を実行する演算部と
を有することを特徴とする光ハイブリッド回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−２０３１７３（Ｐ２０１２−２０３１７３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６７２８０（Ｐ２０１１−６７２８０）
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【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２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２５日（２０１１．３．２５）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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