光９０度ハイブリッド回路
【課題】本発明は、波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供する。
【解決手段】本発明に係る光９０度ハイブリッド回路は、第１の光スプリッタと接続された第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路と、第２の光スプリッタと接続された第３のアーム導波路及び第４のアーム導波路と、第１のアーム導波路と前記第３のアーム導波路とに接続された第１の光結合器と、第２のアーム導波路と前記第４のアーム導波路とに接続された第２の光結合器と、第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路から伝送された光の位相差と、第３のアーム導波路及び第４のアーム導波路から伝送された光の位相差との和θの絶対値が、使用する波長帯域内のある波長λ＝λCにおいて、ｍを整数として９０＋３６０ｍ度となり、λ＝λCにおけるｄθ／ｄλの絶対値が最小となるように構成された位相シフト機構とを備える。
【解決手段】本発明に係る光９０度ハイブリッド回路は、第１の光スプリッタと接続された第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路と、第２の光スプリッタと接続された第３のアーム導波路及び第４のアーム導波路と、第１のアーム導波路と前記第３のアーム導波路とに接続された第１の光結合器と、第２のアーム導波路と前記第４のアーム導波路とに接続された第２の光結合器と、第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路から伝送された光の位相差と、第３のアーム導波路及び第４のアーム導波路から伝送された光の位相差との和θの絶対値が、使用する波長帯域内のある波長λ＝λCにおいて、ｍを整数として９０＋３６０ｍ度となり、λ＝λCにおけるｄθ／ｄλの絶対値が最小となるように構成された位相シフト機構とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送システムにおけるコヒーレント受信方式に用いられる光受信器を構成する光９０度ハイブリッド回路に関する。より詳細には、本発明は、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差の波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高速光伝送システムの実現に向けて、光多値変調方式が注目されている。特に、光雑音耐力向上、及び光電変換後の電気信号処理による波長分散歪み補償能力の優位性から、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying）などのコヒーレント受信方式が注目を集め、伝送システム適用への検討が活発化している。コヒーレント受信方式に用いられる光受信器は、局部発振光を発生する局部発振光発生装置と、信号光及び局部発振光を偏波状態に応じて異なる出力ポートに分離する偏波スプリッタと、信号光と局部発振光とを合波する光９０度ハイブリッド回路と、光９０度ハイブリッド回路からの出力信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、デジタル信号を演算するデジタル演算（ＤＳＰ：Digital Signal Processing）回路から構成される。入力した信号光と局部発振光との干渉光のIn-phase成分とQuadrature成分とを分離して検出することにより、入力信号光が有する情報を得ることができる。
【０００３】
コヒーレント受信方式で用いられる光受信器の構成部品の中で、光９０度ハイブリッド回路に関しては、バルク型光学部品を組み合わせた空間光学系で構成される製品が既に開発、商品化されている。これに対して、平面基板上に作製された光導波路から構成される平面光波回路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）は、量産性、信頼性の点において前述の空間光学系よりも優れている。また、ＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路の採用により、空間光学系と比較して、例えば偏波ビームスプリッタ及び光電変換部の集積化の実現可能性が高くなり、より小型な光受信器の提供が可能となる。このような背景から、ＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路の実用化が期待されている。
【０００４】
図１は、従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。この従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路は、特許文献１に示されている。特許文献１は、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）信号の復調に用いられる光遅延干渉回路に関するものである。これ自体はコヒーレント受信方式に用いられる光受信器を構成する部品には該当しないが、２つの光波を合波し、In-phase成分とQuadrature成分とに分離する光９０度ハイブリッド回路としての機能を回路の一部に含んでいる。以下、In-phase成分を「Ｉ成分」と表記し、Quadrature成分を「Ｑ成分」と表記する。図１には、特許文献１に記載された光回路の中で、光９０度ハイブリッド機能を実現するために必要な回路部分のみの構成を抽出して示している。
【０００５】
ここで、図１の従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路に入力された光の伝播過程を説明する。ＰＬＣ外部から入力された信号光は、入力導波路１ａを介して光スプリッタ２ａによって２つに分岐される。ＰＬＣ外部から入力された局部発振光は、入力導波路１ｂを介して光スプリッタ２ｂによって２つに分岐される。光スプリッタ２ａによって２つに分岐された光は、アーム導波路１０ａ、１０ｂを介して２つの光結合器３ａ、３ｂに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光は、アーム導波路１１ａ、１１ｂを介して２つの光結合器３ａ、３ｂに入力される。光結合器３ａ及び光結合器３ｂに入力された信号光及び局部発振光は、各々、合波されて干渉し、その干渉光の位相差が１８０度になるように２つに分岐され、出力される。光結合器３ａから出力される信号光と局部発振光との干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、外部回路として形成され、光電変換部として機能する差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される信号光と局部発振光との干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、外部回路として形成され、光電変換部として機能する差動受光部６ｂに出力される。
【０００６】
４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂのいずれかに９０度位相シフト部７を設ける。それにより、光結合器３ａ及び光結合器３ｂの各々から出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを介して出力される干渉光を差動受光器６ａ及び６ｂで差分検波することにより、入力された変調信号のＩ成分とＱ成分とを分離することが可能となる。ここで、変調信号のＩ成分及びＱ成分を同時に検出するために、光スプリッタ２ａで分岐された信号光を伝送する２つのアーム導波路１０ａ、１０ｂの導波路長を等しくし、光スプリッタ２ｂで分岐された局部発振光を伝送する２つのアーム導波路１１ａ、１１ｂの導波路長を、９０度位相シフト部７を除いて、等しくする必要がある。さらに、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂの導波路長を、９０度位相シフト部７を除いて、等しくすることにより、ＤＱＰＳＫ等の差動位相変調信号を受信するための光遅延干渉回路を構成する光９０度ハイブリッド回路としても利用することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００３／０６３５１５号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. H. Chang, H. S. Chung and K. Kim, "Impact of quadrature imbalance in optical coherent QPSK receiver", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 21, no. 11, pp. 709-711, June 1, 2009
【非特許文献２】岡本勝就「光導波路の基礎」コロナ社、1992年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、９０度位相シフト部７の構成により、以下に説明する問題が生じる。９０度位相シフト部７は、伝搬光が通過する光路長を、λ×（±１／４＋ｍ）だけ変化させることを目的として設置されている。ここで、λは信号光又は局部発振光の波長、ｍは整数を表す。非特許文献１に示されるように、９０度位相シフト部７における伝搬光の位相シフト量θが９０度からずれると、受信特性は劣化する。例えば、デジタル演算処理において、位相シフト量θの９０度からのずれを補正しない場合、ＢＥＲ（Bit Error Rate）＝１０-3においてＯＳＮＲ（光信号対雑音比）ペナルティを０．５ｄＢ以下に抑制するためには、位相シフト量θの９０度からのずれを５度以内に抑える必要がある。
【００１０】
９０度位相シフト部７の構成として、ＰＬＣ上面に薄膜ヒータを装荷して電力を印加し、導波路を構成するコア周辺を加熱することにより、コアの実効屈折率を調整する方法がある。コアの加熱による屈折率変化量をΔＮ、ヒータ長をＬとすると次式が成立する。
Ｌ×ΔＮ＝（±１／４＋ｍ）λ （１）
【００１１】
この構成の場合、印加電力の調整により位相シフト量θを正確に９０度に調整することが可能となる。一方で、光９０度ハイブリッド回路として機能させるためには常に一定の電力を印加する必要があり、光受信器の消費電力増大につながるという問題を生じる。また、ヒータ及び配線部分の経年変化の影響を考慮すると、位相シフト量θのモニタ機能を付加する必要もあり、光受信器及びその制御機構が複雑化することも懸念される。
【００１２】
前述とは別の９０度位相シフト部７の構成として、導波路の長さを調整する方法がある。この場合、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂのうち、９０度位相シフト部７を設置する光導波路についてのみ、次式を満たすように導波路の長さをΔＬだけ変化させればよい。
ΔＬ×Ｎ（λ）＝（±１／４＋ｍ）λ （２）
【００１３】
ここで、Ｎは導波路を構成するコアの実効屈折率を示しており、波長λの関数で表される。この構成の場合、電力を全く消費せず、位相シフト量θのモニタ機能も不要であるという利点がある。しかしながら、ΔＬはある一意の値にしか設定できないため、位相シフト量θが伝搬光の波長λに依存することになる。例えば、ある波長λ1が式（２）を満たすように９０度位相シフト部７のΔＬを設計した場合（θ＝９０度）、異なる波長λ2における位相シフト量θ2は次式で表される。
【００１４】
【数１】
【００１５】
光９０度ハイブリッド回路として使用する波長帯域が拡大することに伴い、位相シフト量θの９０度からのずれは大きくなり、受信特性劣化に及ぼす影響も大きくなる。
【００１６】
ここで、従来技術に係る９０度位相シフト部７について詳細に説明する。図２は、従来技術に係る９０度位相シフト部７の構成を説明するための図１の拡大図である。ここでは、アーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂのうち、アーム導波路１１ｂに９０度位相シフト部７を設置した例を示している。本例は、光スプリッタ２ｂで２つに分岐された局部発振光のうち、光結合器３ｂに結合する光の位相を、光結合器３ａに結合する光の位相と比較して、９０度ずらすことを目的とした構成である。
【００１７】
光結合器３ａに結合する局部発振光と光結合器３ｂに結合する局部発振光との位相差の絶対値を９０度にした場合、ＩＱ位相差は９０度となるので、９０度位相シフト部７における位相シフト量θの符号は問われない。従って、本例で示した９０度位相シフト部７と同一の構成の９０度位相シフト部を、アーム導波路１１ａに設置した構成であっても、図２に示す構成と全く同一の機能を実現することができる。
【００１８】
従来技術の９０度位相シフト部７における位相シフト量θの９０度からのずれの波長依存性を、波長の一次関数で表し、β×Δλで表記する。ここで、βは単位[度／ｎｍ]の定数である。また、Δλは、位相シフト量θが９０度となる波長λ1と、９０度位相シフト部７を伝搬する光の波長λの差を表している。表１に、出力導波路４ａから出力される光の位相を基準とした場合の、出力導波路４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相関係を示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
ここでは、アーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂの長さはそれぞれ互いに等しいと想定している。ここで、アーム導波路１１ｂの長さとは、光スプリッタ２ｂと光結合器３ｂとを結ぶ導波路のうち、９０度位相シフト部７を構成する導波路の長さは含まれない。光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差としては、出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差を評価する必要がある。表２に、出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差を示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
ここで、−２７０度及び９０度は光の位相差の絶対値としては等価なので、表中の各位相差が正数となるように換算した。従来技術の構成では、ＩＱ位相差が９０度から±β×Δλだけずれることが分かる。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。より詳細には、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差（以下、「ＩＱ位相差」と表記する）の波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の光を入力して２つに分岐する第１の光スプリッタと、第２の光を入力して２つに分岐する第２の光スプリッタと、第１の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第１のアーム導波路と、第１の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第２のアーム導波路と、第２の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第３のアーム導波路と、第２の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第４のアーム導波路と、第１のアーム導波路によって伝送された光と第３のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第１の光結合器と、第２のアーム導波路によって伝送された光と第４のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第２の光結合器と、第１のアーム導波路から伝送された光及び第２のアーム導波路から伝送された光の位相差と、第３のアーム導波路から伝送された光及び第４のアーム導波路から伝送された光の位相差との和θの絶対値が、使用する波長帯域内のある波長λ＝λCにおいて、ｍを整数として９０＋３６０ｍ度となり、λ＝λCにおけるｄθ／ｄλの絶対値が最小となるように構成された位相シフト機構とを備えることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路に設けられることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、第３のアーム導波路及び第４のアーム導波路にさらに設けられることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、長さ又は幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、長さ及び幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の波長無依存化を実現することが可能となる。第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路から構成される位相シフト機構を採用し、且つ第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路から出力される光の位相差の波長無依存化を実現する設計を導入することにより、ＩＱ位相差の波長無依存化を実現することに適した回路構成が提供される。したがって、受信特性が劣化することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術の光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。
【図２】従来技術に係る９０度位相シフト部の構成を説明するための図１の拡大図である。
【図３】本発明に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。
【図４】本発明に係る位相シフト機構の構成を説明するための図３の拡大図である。
【図５】本発明の実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例１及び従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例１及び従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。
【図９】本発明の実施例２に係る位相シフト機構の構成を説明するための図８の拡大図である。
【図１０】本発明の実施例２及び従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、９０度位相シフト部７における位相シフト量θの波長依存性に起因するＩＱ位相差の波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供する。
【００３２】
図３は本発明の実施形態に係る光９０度ハイブリッド回路の構成図である。本発明にかかる光９０度ハイブリッド回路は、入力導波路１ａと結合された光スプリッタ２ａと、入力導波路１ｂと結合された光スプリッタ２ｂと、光スプリッタ２ａと結合されたアーム導波路１０ａ、１０ｂと、光スプリッタ２ｂと結合されたアーム導波路１１ａ、１１ｂと、アーム導波路１１ａ中に形成された第１の位相シフト導波路１２１と、アーム導波路１１ｂ中に形成された第２の位相シフト導波路１２２と、アーム導波路１０ａ、１１ａと結合された光結合器３ａと、アーム導波路１０ｂ、１１ｂと結合された光結合器３ｂと、光結合器３ａと結合された出力導波路４ａ、５ａと、光結合器３ｂと結合された出力導波路４ｂ、５ｂとを備える。
【００３３】
ここで、各構成要素について説明する。ＰＬＣ外部から入力された信号光は、入力導波路１ａを介して光スプリッタ２ａによって２つに分岐される。ＰＬＣ外部から入力された局部発振光は、入力導波路１ｂを介して光スプリッタ２ｂによって２つに分岐される。光スプリッタ２ａによって２つに分岐された光の一方は、アーム導波路１０ａを介して光結合器３ａに入力され、他方は、アーム導波路１０ｂを介して光結合器３ｂに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光の一方は、アーム導波路１１ａを介して、アーム導波路１１ａ中に形成された第１の位相シフト導波路１２１によって位相をシフトされて、光結合器３ａに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光の他方は、アーム導波路１１ｂを介して、アーム導波路１１ｂ中に形成された第２の位相シフト導波路１２２によって位相をシフトされて、光結合器３ｂに入力される。光結合器３ａに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ｂに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ａから出力される干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、差動受光部６ｂに出力される。
【００３４】
差動受光部６ａ、６ｂは、外部回路として形成され、光電変換部として機能し、光結合器３ａ及び光結合器３ｂのそれぞれから出力される干渉光を差分検波して、入力された変調信号のＩ成分とＱ成分とを分離する。
【００３５】
第１の位相シフト導波路１２１及び第２の位相シフト導波路１２２から、位相シフト機構１２が構成される。位相シフト機構１２を通る光は、位相をシフトされる。位相シフト機構１２を適切に設計することにより、ＩＱ位相差の波長無依存化を実現することが可能となる。その設計に関しては、以下に説明する。
【００３６】
本発明の効果を発現するための手段について説明する。図３の光ハイブリッド回路８と従来技術の光９０度ハイブリッド回路（図１）とを比較すると、９０度位相シフト部７は除かれ、位相シフト機構１２が配置されている点で異なる。
【００３７】
図４は本発明に係る位相シフト機構１２の構成を説明するための図３の拡大図である。９０度位相シフト部７に替えて位相シフト機構１２を設置することにより、ＩＱ位相差の波長無依存化を実現することが可能となる。
【００３８】
図４に示すように、位相シフト機構１２は、第１の位相シフト導波路１２１及び第２の位相シフト導波路１２２から構成されている。位相シフト機構１２において、第２の位相シフト導波路１２２から出力される光の位相に対する第１の位相シフト導波路１２１から出力される光の相対的な位相差、すなわち位相シフト機構１２で発生する位相シフト量θは、次式で表される。
【００３９】
【数２】
【００４０】
ｉを自然数とすると、ｎi(λ)は第ｉの位相シフト導波路における実効屈折率であり、波長λの関数である。Ｌiは第ｉの位相シフト導波路の長さである。ここで、位相シフト量θの波長無依存化に必要な条件を説明する。位相シフト量θの波長依存性は次式で表される。
【００４１】
【数３】
【００４２】
本発明の効果を発現するために重要な点は、光９０度ハイブリッド回路を使用する波長帯域の中心波長λcにおいて、式（４）におけるθ(λc)を９０度に一致させ、且つ、式（５）におけるｄθ(λｃ)／ｄλの絶対値を最小にすることである。具体的には、
【００４３】
【数４】
【００４４】
を満たし、且つ、
【００４５】
【数５】
【００４６】
で定義するδθを最小にする第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路によって位相シフト機構１２を構成した場合に、本発明の効果が最大となる。ここで、ｍは整数であり、β1＝ｄｎ1(λc)／ｄλ、β2＝ｄｎ2(λc)／ｄλである。
【００４７】
次に、式（６）を満たし、且つ式（７）で表されるδθを最小にするための、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路の設計方法について説明する。導波路の長さＬ1及びＬ2に関しては、ＰＬＣ作製工程において導波路パターン形成を目的に用いられるフォトマスクにおいて、その描画パターンの調整により容易に制御することが可能である。実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)は、ＰＬＣ作製工程においてコア層を形成する際の屈折率調整用添加剤の濃度を調整することにより、制御可能である。ただし、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路が同一の作製工程で同一の基板上に形成されることを考慮すると、屈折率調整用添加剤の濃度調整により、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)をそれぞれ個別に制御することは困難である。
【００４８】
一方で、非特許文献２に示されるように、実効屈折率が導波路構造に依存することが広く知られている。したがって、導波路コアの厚さ又は幅を調整することにより、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)の制御が可能となる。ただし、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路が同一の作製工程で同一の基板上に形成されることを考慮すると、導波路コア層の厚さの調整により、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)をそれぞれ個別に制御することは困難である。
【００４９】
それに対し、導波路の幅Ｗ1及びＷ2に関しては、ＰＬＣ作製工程において導波路パターン形成を目的に用いられるフォトマスクにおいて、その描画パターンの調整により容易に制御することが可能である。ここで、Ｗiは第iの位相シフト導波路のコア幅を表している。また、屈折率の波長分散の要因として、材料分散及び構造分散が挙げられる。このうち、非特許文献２に示されるように、構造分散は導波路構造に依存することが知られている。したがって、導波路コアの厚さ、又は幅を調整することにより、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)の波長依存性、すなわち、β1及びβ2の制御が可能となる。ただし、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路が同一の作製工程で同一の基板上に形成されることを考慮すると、導波路コア層の厚さの調整により、β1及びβ2をそれぞれ個別に制御することは困難である。
【００５０】
それに対し、導波路の幅Ｗ1及びＷ2に関しては、ＰＬＣ作製工程において導波路パターン形成を目的に用いられるフォトマスクにおいて、その描画パターンの調整により容易に制御することが可能である。以上の説明をまとめる。式（６）を満たし、且つ、式（７）で表されるδθを最小にするためには、Ｌ1及びＬ2、ｎ1(λc)及びｎ2(λc)、β1及びβ2を調整すれば良い。それらの調整方法としては、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路の長さ及び幅を調整することが、最も簡便な方法である。実際の設計例については、以降で記載する本発明に係る実施例において詳細を説明する。
【実施例１】
【００５１】
図５は、実際に作製した実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路の模式図を示す。光９０度ハイブリッド回路の作製にはＰＬＣ技術が使用された。具体的には、火炎堆積法及び反応性イオンエッチングを使用して、シリコン基板上に石英系ガラス導波路を作製した。コアの断面形状は４．５μｍ四方角であり、比屈折率差は１．５％である。コアを厚さ３０μｍのオーバークラッドガラスにより埋め込んだ。ＩＱ位相差を実験的に評価することを目的として、光スプリッタ１３及び遅延線１４から構成される光遅延回路部１５を本発明の光９０度ハイブリッドの入力導波路１ａ、１ｂに結合した。これは、図３における信号光及び局部発振光の代わりに、同一光源から出力された光を分岐し、分岐した光の一方を遅延線１４に通して遅延を与え、光９０度ハイブリッド回路の入力導波路１ａ、１ｂに入力することにより、光遅延干渉回路を構成することを目的としている。光遅延干渉回路とすることで、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルに基づいて、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相差を算出することが可能となる。ＩＱ位相差評価後に、光遅延回路部１５を取り除くことにより、光９０度ハイブリッド回路として機能し、且つ、本発明の効果が損なわれないのは明らかである。
【００５２】
本実施例１では、第１の位相シフト導波路１２１の長さＬ1を５７４μｍ、幅Ｗ1を１０．６μｍと設計し、第２の位相シフト導波路１２２の長さＬ2を５７４μｍ、幅Ｗ2を１２．６μｍと設計することにより、式（６）を満たし、且つ、式（７）で表されるδθが０になることが期待される。ここで、λc＝１５５０ｎｍとして設計した。また、光スプリッタ２ａ、２ｂとしてＹ分岐導波路を利用し、光結合器３ａ、３ｂとしては方向性結合器を採用した。
【００５３】
ここで、第１の位相シフト導波路１２１及び第２の位相シフト導波路１２２の幅が、アーム導波路１１ａ、１１ｂの幅とそれぞれ異なることに注意が必要である。このような場合は、第１の位相シフト導波路１２１とアーム導波路１１ａ及び第２の位相シフト導波路１２２とアーム導波路１１ｂとの接続部分に、テーパ導波路を導入することにより、伝搬光のモード変換損失を低減することが可能となる。
【００５４】
図６は作製した光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果である。なお、従来技術と比較するため、従来技術の光９０度ハイブリッド回路を本発明の実施例１と同一の作製プロセスで作製し、各出力間の位相差を評価した。その結果も併せて図６に示す。
【００５５】
図７は、図６に示した透過スペクトル測定結果から算出した、各出力間の位相差を入力光波長の関数としてプロットした図である。従来技術の構成において、９０度位相シフト部７の位相シフト量θの９０度からのずれの波長依存性の係数βは、β＝０．０４［度／ｎｍ］であった。それに対し、本実施例の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差は波長に依らず０であり、ＩＱ位相差の９０度からのずれの波長依存性が解消されたことを実験的にも確認した。
【実施例２】
【００５６】
図８は、実際に作製した実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路の模式図を示す。光９０度ハイブリッド回路の作製には、実施例１と同様のＰＬＣ技術が使用された。コアの断面形状は４．５μｍ四方角であり、比屈折率差は１．５％である。コアを厚さ３０μｍのオーバークラッドガラスにより埋め込んだ。ＩＱ位相差を実験的に評価することを目的として、実施例１と同様に、光スプリッタ１３と遅延線１４とで構成される光遅延回路部１５を本発明の光９０度ハイブリッドの入力導波路１ａ、１ｂに結合した。
【００５７】
ＩＱ位相差評価後に、光遅延回路部１５を取り除くことにより、光９０度ハイブリッド回路として機能し、且つ、本発明の効果が損なわれないのは明らかである。実施例１との相違点は、位相シフト機構１２とともに、第３の位相シフト導波路１６１及び第４の位相シフト導波路１６２から構成される位相シフト機構１６が設置されている点である。
【００５８】
図９は、本実施例２に係る位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６の構成を説明するための図８の拡大図である。アーム導波路１１ａから光結合器３ａに入力する光に対するアーム導波路１１ｂから光結合器３ｂに入力する光の相対位相差をθ<１１ａ−１１ｂ>とし、アーム導波路１０ｂから光結合器３ｂに入力する光に対する第１アーム導波路１０ａから光結合器３ａに入力する光の相対位相差をθ<１０ｂ−１０ａ>とする。本実施例２に係る位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６の配置は、θ<１１ａ−１１ｂ>とθ<１０ｂ−１０ａ>との和の絶対値が９０＋３６０ｍ度となるように設計されている。このように、｜θ<１１ａ−１１ｂ>＋θ<１０ｂ−１０ａ>｜＝９０＋３６０ｍ度とすることで、ＩＱ位相差は９０＋３６０ｍ度となり、光９０度ハイブリッド回路としての機能が実現される。本実施例２においては、θ<１１ａ−１１ｂ>＝θ<１０ｂ−１０ａ>＝４５度となるように位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６を設計した。
【００５９】
具体的には、第１の位相シフト導波路１２１の長さＬ1を２８７μｍ、幅Ｗ1を１２．６μｍとし、第２の位相シフト導波路１２２の長さＬ2を２８７μｍ、幅Ｗ2を１０．６μｍとし、第３の位相シフト導波路１６１の長さＬ1を２８７μｍ、幅Ｗ1を１０．６μｍとし、第４の位相シフト導波路１６２の長さＬ2を２８７μｍ、幅Ｗ2を１２．６μｍとした。これにより、本発明の効果の発現が期待される。ここで、λc=１５５０ｎｍとして設計した。また、光スプリッタ２ａ、２ｂとしてＹ分岐導波路を採用し、光結合器３ａ、３ｂとして方向性結合器を採用した。
【００６０】
図１０は、透過スペクトル測定結果から算出した、各出力間の位相差を入力光波長の関数としてプロットした図である。従来技術の構成において、９０度位相シフト部７の位相シフト量θの９０度からのずれの波長依存性の係数βは、β＝０．０４［度／ｎｍ］であった。それに対して、本実施例の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差は波長に依らず０であり、ＩＱ位相差の９０度からのずれの波長依存性が解消されたことを実験的にも確認した。
【００６１】
以上で説明したように本発明の構成によりＩＱ位相差は波長に依らず９０度となる、すなわち、ＩＱ位相差の９０度からのずれが波長に依らず常に０になることが分かる。これは、本発明の構成において、従来技術では９０度位相シフト部７における位相シフト量θの波長依存性が不可避であったことに対し、位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６を採用し、且つ位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６から出力される各々の光の位相差の波長無依存化を実現する設計を導入した効果である。
【００６２】
本発明は、光伝送システムにおけるコヒーレント受信方式に用いられる光受信器の構成部品である光９０度ハイブリッド回路として利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ、１ｂ 入力導波路
２ａ、２ｂ、１３ 光スプリッタ
３ａ、３ｂ 光結合器
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ 出力導波路
６ａ、６ｂ 差動受光部
７ ９０度位相シフト部
８ 光９０度ハイブリッド回路
９ 分波用光結合器
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ アーム導波路
１２、１６ 位相シフト機構
１２１ 第１の位相シフト導波路
１２２ 第２の位相シフト導波路
１６１ 第３の位相シフト導波路
１６２ 第４の位相シフト導波路
１４ 遅延線
１５ 光遅延回路部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光伝送システムにおけるコヒーレント受信方式に用いられる光受信器を構成する光９０度ハイブリッド回路に関する。より詳細には、本発明は、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差の波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上の超高速光伝送システムの実現に向けて、光多値変調方式が注目されている。特に、光雑音耐力向上、及び光電変換後の電気信号処理による波長分散歪み補償能力の優位性から、ＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying）などのコヒーレント受信方式が注目を集め、伝送システム適用への検討が活発化している。コヒーレント受信方式に用いられる光受信器は、局部発振光を発生する局部発振光発生装置と、信号光及び局部発振光を偏波状態に応じて異なる出力ポートに分離する偏波スプリッタと、信号光と局部発振光とを合波する光９０度ハイブリッド回路と、光９０度ハイブリッド回路からの出力信号を電気信号に変換する光電変換部と、光電変換部から出力される電気信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器と、デジタル信号を演算するデジタル演算（ＤＳＰ：Digital Signal Processing）回路から構成される。入力した信号光と局部発振光との干渉光のIn-phase成分とQuadrature成分とを分離して検出することにより、入力信号光が有する情報を得ることができる。
【０００３】
コヒーレント受信方式で用いられる光受信器の構成部品の中で、光９０度ハイブリッド回路に関しては、バルク型光学部品を組み合わせた空間光学系で構成される製品が既に開発、商品化されている。これに対して、平面基板上に作製された光導波路から構成される平面光波回路（ＰＬＣ：planar lightwave circuit）は、量産性、信頼性の点において前述の空間光学系よりも優れている。また、ＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路の採用により、空間光学系と比較して、例えば偏波ビームスプリッタ及び光電変換部の集積化の実現可能性が高くなり、より小型な光受信器の提供が可能となる。このような背景から、ＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路の実用化が期待されている。
【０００４】
図１は、従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。この従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路は、特許文献１に示されている。特許文献１は、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）信号の復調に用いられる光遅延干渉回路に関するものである。これ自体はコヒーレント受信方式に用いられる光受信器を構成する部品には該当しないが、２つの光波を合波し、In-phase成分とQuadrature成分とに分離する光９０度ハイブリッド回路としての機能を回路の一部に含んでいる。以下、In-phase成分を「Ｉ成分」と表記し、Quadrature成分を「Ｑ成分」と表記する。図１には、特許文献１に記載された光回路の中で、光９０度ハイブリッド機能を実現するために必要な回路部分のみの構成を抽出して示している。
【０００５】
ここで、図１の従来のＰＬＣ型光９０度ハイブリッド回路に入力された光の伝播過程を説明する。ＰＬＣ外部から入力された信号光は、入力導波路１ａを介して光スプリッタ２ａによって２つに分岐される。ＰＬＣ外部から入力された局部発振光は、入力導波路１ｂを介して光スプリッタ２ｂによって２つに分岐される。光スプリッタ２ａによって２つに分岐された光は、アーム導波路１０ａ、１０ｂを介して２つの光結合器３ａ、３ｂに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光は、アーム導波路１１ａ、１１ｂを介して２つの光結合器３ａ、３ｂに入力される。光結合器３ａ及び光結合器３ｂに入力された信号光及び局部発振光は、各々、合波されて干渉し、その干渉光の位相差が１８０度になるように２つに分岐され、出力される。光結合器３ａから出力される信号光と局部発振光との干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、外部回路として形成され、光電変換部として機能する差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される信号光と局部発振光との干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、外部回路として形成され、光電変換部として機能する差動受光部６ｂに出力される。
【０００６】
４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂのいずれかに９０度位相シフト部７を設ける。それにより、光結合器３ａ及び光結合器３ｂの各々から出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂを介して出力される干渉光を差動受光器６ａ及び６ｂで差分検波することにより、入力された変調信号のＩ成分とＱ成分とを分離することが可能となる。ここで、変調信号のＩ成分及びＱ成分を同時に検出するために、光スプリッタ２ａで分岐された信号光を伝送する２つのアーム導波路１０ａ、１０ｂの導波路長を等しくし、光スプリッタ２ｂで分岐された局部発振光を伝送する２つのアーム導波路１１ａ、１１ｂの導波路長を、９０度位相シフト部７を除いて、等しくする必要がある。さらに、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂの導波路長を、９０度位相シフト部７を除いて、等しくすることにより、ＤＱＰＳＫ等の差動位相変調信号を受信するための光遅延干渉回路を構成する光９０度ハイブリッド回路としても利用することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ２００３／０６３５１５号パンフレット
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. H. Chang, H. S. Chung and K. Kim, "Impact of quadrature imbalance in optical coherent QPSK receiver", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 21, no. 11, pp. 709-711, June 1, 2009
【非特許文献２】岡本勝就「光導波路の基礎」コロナ社、1992年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、９０度位相シフト部７の構成により、以下に説明する問題が生じる。９０度位相シフト部７は、伝搬光が通過する光路長を、λ×（±１／４＋ｍ）だけ変化させることを目的として設置されている。ここで、λは信号光又は局部発振光の波長、ｍは整数を表す。非特許文献１に示されるように、９０度位相シフト部７における伝搬光の位相シフト量θが９０度からずれると、受信特性は劣化する。例えば、デジタル演算処理において、位相シフト量θの９０度からのずれを補正しない場合、ＢＥＲ（Bit Error Rate）＝１０-3においてＯＳＮＲ（光信号対雑音比）ペナルティを０．５ｄＢ以下に抑制するためには、位相シフト量θの９０度からのずれを５度以内に抑える必要がある。
【００１０】
９０度位相シフト部７の構成として、ＰＬＣ上面に薄膜ヒータを装荷して電力を印加し、導波路を構成するコア周辺を加熱することにより、コアの実効屈折率を調整する方法がある。コアの加熱による屈折率変化量をΔＮ、ヒータ長をＬとすると次式が成立する。
Ｌ×ΔＮ＝（±１／４＋ｍ）λ （１）
【００１１】
この構成の場合、印加電力の調整により位相シフト量θを正確に９０度に調整することが可能となる。一方で、光９０度ハイブリッド回路として機能させるためには常に一定の電力を印加する必要があり、光受信器の消費電力増大につながるという問題を生じる。また、ヒータ及び配線部分の経年変化の影響を考慮すると、位相シフト量θのモニタ機能を付加する必要もあり、光受信器及びその制御機構が複雑化することも懸念される。
【００１２】
前述とは別の９０度位相シフト部７の構成として、導波路の長さを調整する方法がある。この場合、４本のアーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂのうち、９０度位相シフト部７を設置する光導波路についてのみ、次式を満たすように導波路の長さをΔＬだけ変化させればよい。
ΔＬ×Ｎ（λ）＝（±１／４＋ｍ）λ （２）
【００１３】
ここで、Ｎは導波路を構成するコアの実効屈折率を示しており、波長λの関数で表される。この構成の場合、電力を全く消費せず、位相シフト量θのモニタ機能も不要であるという利点がある。しかしながら、ΔＬはある一意の値にしか設定できないため、位相シフト量θが伝搬光の波長λに依存することになる。例えば、ある波長λ1が式（２）を満たすように９０度位相シフト部７のΔＬを設計した場合（θ＝９０度）、異なる波長λ2における位相シフト量θ2は次式で表される。
【００１４】
【数１】
【００１５】
光９０度ハイブリッド回路として使用する波長帯域が拡大することに伴い、位相シフト量θの９０度からのずれは大きくなり、受信特性劣化に及ぼす影響も大きくなる。
【００１６】
ここで、従来技術に係る９０度位相シフト部７について詳細に説明する。図２は、従来技術に係る９０度位相シフト部７の構成を説明するための図１の拡大図である。ここでは、アーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂのうち、アーム導波路１１ｂに９０度位相シフト部７を設置した例を示している。本例は、光スプリッタ２ｂで２つに分岐された局部発振光のうち、光結合器３ｂに結合する光の位相を、光結合器３ａに結合する光の位相と比較して、９０度ずらすことを目的とした構成である。
【００１７】
光結合器３ａに結合する局部発振光と光結合器３ｂに結合する局部発振光との位相差の絶対値を９０度にした場合、ＩＱ位相差は９０度となるので、９０度位相シフト部７における位相シフト量θの符号は問われない。従って、本例で示した９０度位相シフト部７と同一の構成の９０度位相シフト部を、アーム導波路１１ａに設置した構成であっても、図２に示す構成と全く同一の機能を実現することができる。
【００１８】
従来技術の９０度位相シフト部７における位相シフト量θの９０度からのずれの波長依存性を、波長の一次関数で表し、β×Δλで表記する。ここで、βは単位[度／ｎｍ]の定数である。また、Δλは、位相シフト量θが９０度となる波長λ1と、９０度位相シフト部７を伝搬する光の波長λの差を表している。表１に、出力導波路４ａから出力される光の位相を基準とした場合の、出力導波路４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相関係を示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
ここでは、アーム導波路１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂの長さはそれぞれ互いに等しいと想定している。ここで、アーム導波路１１ｂの長さとは、光スプリッタ２ｂと光結合器３ｂとを結ぶ導波路のうち、９０度位相シフト部７を構成する導波路の長さは含まれない。光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差としては、出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差を評価する必要がある。表２に、出力導波路４ａ及び４ｂ、４ｂ及び５ａ、５ａ及び５ｂ、５ｂ及び４ａから出力される光の位相差を示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】
ここで、−２７０度及び９０度は光の位相差の絶対値としては等価なので、表中の各位相差が正数となるように換算した。従来技術の構成では、ＩＱ位相差が９０度から±β×Δλだけずれることが分かる。
【００２３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的は、波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。より詳細には、In-phase出力とQuadrature出力との間の位相差（以下、「ＩＱ位相差」と表記する）の波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１の光を入力して２つに分岐する第１の光スプリッタと、第２の光を入力して２つに分岐する第２の光スプリッタと、第１の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第１のアーム導波路と、第１の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第２のアーム導波路と、第２の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第３のアーム導波路と、第２の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第４のアーム導波路と、第１のアーム導波路によって伝送された光と第３のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第１の光結合器と、第２のアーム導波路によって伝送された光と第４のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第２の光結合器と、第１のアーム導波路から伝送された光及び第２のアーム導波路から伝送された光の位相差と、第３のアーム導波路から伝送された光及び第４のアーム導波路から伝送された光の位相差との和θの絶対値が、使用する波長帯域内のある波長λ＝λCにおいて、ｍを整数として９０＋３６０ｍ度となり、λ＝λCにおけるｄθ／ｄλの絶対値が最小となるように構成された位相シフト機構とを備えることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、第１のアーム導波路及び第２のアーム導波路に設けられることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、第３のアーム導波路及び第４のアーム導波路にさらに設けられることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、長さ又は幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【００２８】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路において、位相シフト機構は、長さ及び幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の波長無依存化を実現することが可能となる。第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路から構成される位相シフト機構を採用し、且つ第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路から出力される光の位相差の波長無依存化を実現する設計を導入することにより、ＩＱ位相差の波長無依存化を実現することに適した回路構成が提供される。したがって、受信特性が劣化することを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術の光９０度ハイブリッド回路を示す構成図である。
【図２】従来技術に係る９０度位相シフト部の構成を説明するための図１の拡大図である。
【図３】本発明に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。
【図４】本発明に係る位相シフト機構の構成を説明するための図３の拡大図である。
【図５】本発明の実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。
【図６】本発明の実施例１及び従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果を示す図である。
【図７】本発明の実施例１及び従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路を示す模式図である。
【図９】本発明の実施例２に係る位相シフト機構の構成を説明するための図８の拡大図である。
【図１０】本発明の実施例２及び従来技術に係る光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差の評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明は、９０度位相シフト部７における位相シフト量θの波長依存性に起因するＩＱ位相差の波長無依存化を実現する光９０度ハイブリッド回路を提供する。
【００３２】
図３は本発明の実施形態に係る光９０度ハイブリッド回路の構成図である。本発明にかかる光９０度ハイブリッド回路は、入力導波路１ａと結合された光スプリッタ２ａと、入力導波路１ｂと結合された光スプリッタ２ｂと、光スプリッタ２ａと結合されたアーム導波路１０ａ、１０ｂと、光スプリッタ２ｂと結合されたアーム導波路１１ａ、１１ｂと、アーム導波路１１ａ中に形成された第１の位相シフト導波路１２１と、アーム導波路１１ｂ中に形成された第２の位相シフト導波路１２２と、アーム導波路１０ａ、１１ａと結合された光結合器３ａと、アーム導波路１０ｂ、１１ｂと結合された光結合器３ｂと、光結合器３ａと結合された出力導波路４ａ、５ａと、光結合器３ｂと結合された出力導波路４ｂ、５ｂとを備える。
【００３３】
ここで、各構成要素について説明する。ＰＬＣ外部から入力された信号光は、入力導波路１ａを介して光スプリッタ２ａによって２つに分岐される。ＰＬＣ外部から入力された局部発振光は、入力導波路１ｂを介して光スプリッタ２ｂによって２つに分岐される。光スプリッタ２ａによって２つに分岐された光の一方は、アーム導波路１０ａを介して光結合器３ａに入力され、他方は、アーム導波路１０ｂを介して光結合器３ｂに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光の一方は、アーム導波路１１ａを介して、アーム導波路１１ａ中に形成された第１の位相シフト導波路１２１によって位相をシフトされて、光結合器３ａに入力される。光スプリッタ２ｂによって２つに分岐された光の他方は、アーム導波路１１ｂを介して、アーム導波路１１ｂ中に形成された第２の位相シフト導波路１２２によって位相をシフトされて、光結合器３ｂに入力される。光結合器３ａに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ｂに入力された２つの光は、合波されて干渉光となる。光結合器３ａから出力される干渉光は、出力導波路４ａ、５ａを経由して、差動受光部６ａに出力される。光結合器３ｂから出力される干渉光は、出力導波路４ｂ、５ｂを経由して、差動受光部６ｂに出力される。
【００３４】
差動受光部６ａ、６ｂは、外部回路として形成され、光電変換部として機能し、光結合器３ａ及び光結合器３ｂのそれぞれから出力される干渉光を差分検波して、入力された変調信号のＩ成分とＱ成分とを分離する。
【００３５】
第１の位相シフト導波路１２１及び第２の位相シフト導波路１２２から、位相シフト機構１２が構成される。位相シフト機構１２を通る光は、位相をシフトされる。位相シフト機構１２を適切に設計することにより、ＩＱ位相差の波長無依存化を実現することが可能となる。その設計に関しては、以下に説明する。
【００３６】
本発明の効果を発現するための手段について説明する。図３の光ハイブリッド回路８と従来技術の光９０度ハイブリッド回路（図１）とを比較すると、９０度位相シフト部７は除かれ、位相シフト機構１２が配置されている点で異なる。
【００３７】
図４は本発明に係る位相シフト機構１２の構成を説明するための図３の拡大図である。９０度位相シフト部７に替えて位相シフト機構１２を設置することにより、ＩＱ位相差の波長無依存化を実現することが可能となる。
【００３８】
図４に示すように、位相シフト機構１２は、第１の位相シフト導波路１２１及び第２の位相シフト導波路１２２から構成されている。位相シフト機構１２において、第２の位相シフト導波路１２２から出力される光の位相に対する第１の位相シフト導波路１２１から出力される光の相対的な位相差、すなわち位相シフト機構１２で発生する位相シフト量θは、次式で表される。
【００３９】
【数２】
【００４０】
ｉを自然数とすると、ｎi(λ)は第ｉの位相シフト導波路における実効屈折率であり、波長λの関数である。Ｌiは第ｉの位相シフト導波路の長さである。ここで、位相シフト量θの波長無依存化に必要な条件を説明する。位相シフト量θの波長依存性は次式で表される。
【００４１】
【数３】
【００４２】
本発明の効果を発現するために重要な点は、光９０度ハイブリッド回路を使用する波長帯域の中心波長λcにおいて、式（４）におけるθ(λc)を９０度に一致させ、且つ、式（５）におけるｄθ(λｃ)／ｄλの絶対値を最小にすることである。具体的には、
【００４３】
【数４】
【００４４】
を満たし、且つ、
【００４５】
【数５】
【００４６】
で定義するδθを最小にする第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路によって位相シフト機構１２を構成した場合に、本発明の効果が最大となる。ここで、ｍは整数であり、β1＝ｄｎ1(λc)／ｄλ、β2＝ｄｎ2(λc)／ｄλである。
【００４７】
次に、式（６）を満たし、且つ式（７）で表されるδθを最小にするための、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路の設計方法について説明する。導波路の長さＬ1及びＬ2に関しては、ＰＬＣ作製工程において導波路パターン形成を目的に用いられるフォトマスクにおいて、その描画パターンの調整により容易に制御することが可能である。実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)は、ＰＬＣ作製工程においてコア層を形成する際の屈折率調整用添加剤の濃度を調整することにより、制御可能である。ただし、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路が同一の作製工程で同一の基板上に形成されることを考慮すると、屈折率調整用添加剤の濃度調整により、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)をそれぞれ個別に制御することは困難である。
【００４８】
一方で、非特許文献２に示されるように、実効屈折率が導波路構造に依存することが広く知られている。したがって、導波路コアの厚さ又は幅を調整することにより、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)の制御が可能となる。ただし、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路が同一の作製工程で同一の基板上に形成されることを考慮すると、導波路コア層の厚さの調整により、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)をそれぞれ個別に制御することは困難である。
【００４９】
それに対し、導波路の幅Ｗ1及びＷ2に関しては、ＰＬＣ作製工程において導波路パターン形成を目的に用いられるフォトマスクにおいて、その描画パターンの調整により容易に制御することが可能である。ここで、Ｗiは第iの位相シフト導波路のコア幅を表している。また、屈折率の波長分散の要因として、材料分散及び構造分散が挙げられる。このうち、非特許文献２に示されるように、構造分散は導波路構造に依存することが知られている。したがって、導波路コアの厚さ、又は幅を調整することにより、実効屈折率ｎ1(λc)及びｎ2(λc)の波長依存性、すなわち、β1及びβ2の制御が可能となる。ただし、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路が同一の作製工程で同一の基板上に形成されることを考慮すると、導波路コア層の厚さの調整により、β1及びβ2をそれぞれ個別に制御することは困難である。
【００５０】
それに対し、導波路の幅Ｗ1及びＷ2に関しては、ＰＬＣ作製工程において導波路パターン形成を目的に用いられるフォトマスクにおいて、その描画パターンの調整により容易に制御することが可能である。以上の説明をまとめる。式（６）を満たし、且つ、式（７）で表されるδθを最小にするためには、Ｌ1及びＬ2、ｎ1(λc)及びｎ2(λc)、β1及びβ2を調整すれば良い。それらの調整方法としては、第１の位相シフト導波路及び第２の位相シフト導波路の長さ及び幅を調整することが、最も簡便な方法である。実際の設計例については、以降で記載する本発明に係る実施例において詳細を説明する。
【実施例１】
【００５１】
図５は、実際に作製した実施例１に係る光９０度ハイブリッド回路の模式図を示す。光９０度ハイブリッド回路の作製にはＰＬＣ技術が使用された。具体的には、火炎堆積法及び反応性イオンエッチングを使用して、シリコン基板上に石英系ガラス導波路を作製した。コアの断面形状は４．５μｍ四方角であり、比屈折率差は１．５％である。コアを厚さ３０μｍのオーバークラッドガラスにより埋め込んだ。ＩＱ位相差を実験的に評価することを目的として、光スプリッタ１３及び遅延線１４から構成される光遅延回路部１５を本発明の光９０度ハイブリッドの入力導波路１ａ、１ｂに結合した。これは、図３における信号光及び局部発振光の代わりに、同一光源から出力された光を分岐し、分岐した光の一方を遅延線１４に通して遅延を与え、光９０度ハイブリッド回路の入力導波路１ａ、１ｂに入力することにより、光遅延干渉回路を構成することを目的としている。光遅延干渉回路とすることで、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される透過スペクトルに基づいて、出力導波路４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂから出力される光の相対的な位相差を算出することが可能となる。ＩＱ位相差評価後に、光遅延回路部１５を取り除くことにより、光９０度ハイブリッド回路として機能し、且つ、本発明の効果が損なわれないのは明らかである。
【００５２】
本実施例１では、第１の位相シフト導波路１２１の長さＬ1を５７４μｍ、幅Ｗ1を１０．６μｍと設計し、第２の位相シフト導波路１２２の長さＬ2を５７４μｍ、幅Ｗ2を１２．６μｍと設計することにより、式（６）を満たし、且つ、式（７）で表されるδθが０になることが期待される。ここで、λc＝１５５０ｎｍとして設計した。また、光スプリッタ２ａ、２ｂとしてＹ分岐導波路を利用し、光結合器３ａ、３ｂとしては方向性結合器を採用した。
【００５３】
ここで、第１の位相シフト導波路１２１及び第２の位相シフト導波路１２２の幅が、アーム導波路１１ａ、１１ｂの幅とそれぞれ異なることに注意が必要である。このような場合は、第１の位相シフト導波路１２１とアーム導波路１１ａ及び第２の位相シフト導波路１２２とアーム導波路１１ｂとの接続部分に、テーパ導波路を導入することにより、伝搬光のモード変換損失を低減することが可能となる。
【００５４】
図６は作製した光９０度ハイブリッド回路の透過スペクトル測定結果である。なお、従来技術と比較するため、従来技術の光９０度ハイブリッド回路を本発明の実施例１と同一の作製プロセスで作製し、各出力間の位相差を評価した。その結果も併せて図６に示す。
【００５５】
図７は、図６に示した透過スペクトル測定結果から算出した、各出力間の位相差を入力光波長の関数としてプロットした図である。従来技術の構成において、９０度位相シフト部７の位相シフト量θの９０度からのずれの波長依存性の係数βは、β＝０．０４［度／ｎｍ］であった。それに対し、本実施例の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差は波長に依らず０であり、ＩＱ位相差の９０度からのずれの波長依存性が解消されたことを実験的にも確認した。
【実施例２】
【００５６】
図８は、実際に作製した実施例２に係る光９０度ハイブリッド回路の模式図を示す。光９０度ハイブリッド回路の作製には、実施例１と同様のＰＬＣ技術が使用された。コアの断面形状は４．５μｍ四方角であり、比屈折率差は１．５％である。コアを厚さ３０μｍのオーバークラッドガラスにより埋め込んだ。ＩＱ位相差を実験的に評価することを目的として、実施例１と同様に、光スプリッタ１３と遅延線１４とで構成される光遅延回路部１５を本発明の光９０度ハイブリッドの入力導波路１ａ、１ｂに結合した。
【００５７】
ＩＱ位相差評価後に、光遅延回路部１５を取り除くことにより、光９０度ハイブリッド回路として機能し、且つ、本発明の効果が損なわれないのは明らかである。実施例１との相違点は、位相シフト機構１２とともに、第３の位相シフト導波路１６１及び第４の位相シフト導波路１６２から構成される位相シフト機構１６が設置されている点である。
【００５８】
図９は、本実施例２に係る位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６の構成を説明するための図８の拡大図である。アーム導波路１１ａから光結合器３ａに入力する光に対するアーム導波路１１ｂから光結合器３ｂに入力する光の相対位相差をθ<１１ａ−１１ｂ>とし、アーム導波路１０ｂから光結合器３ｂに入力する光に対する第１アーム導波路１０ａから光結合器３ａに入力する光の相対位相差をθ<１０ｂ−１０ａ>とする。本実施例２に係る位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６の配置は、θ<１１ａ−１１ｂ>とθ<１０ｂ−１０ａ>との和の絶対値が９０＋３６０ｍ度となるように設計されている。このように、｜θ<１１ａ−１１ｂ>＋θ<１０ｂ−１０ａ>｜＝９０＋３６０ｍ度とすることで、ＩＱ位相差は９０＋３６０ｍ度となり、光９０度ハイブリッド回路としての機能が実現される。本実施例２においては、θ<１１ａ−１１ｂ>＝θ<１０ｂ−１０ａ>＝４５度となるように位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６を設計した。
【００５９】
具体的には、第１の位相シフト導波路１２１の長さＬ1を２８７μｍ、幅Ｗ1を１２．６μｍとし、第２の位相シフト導波路１２２の長さＬ2を２８７μｍ、幅Ｗ2を１０．６μｍとし、第３の位相シフト導波路１６１の長さＬ1を２８７μｍ、幅Ｗ1を１０．６μｍとし、第４の位相シフト導波路１６２の長さＬ2を２８７μｍ、幅Ｗ2を１２．６μｍとした。これにより、本発明の効果の発現が期待される。ここで、λc=１５５０ｎｍとして設計した。また、光スプリッタ２ａ、２ｂとしてＹ分岐導波路を採用し、光結合器３ａ、３ｂとして方向性結合器を採用した。
【００６０】
図１０は、透過スペクトル測定結果から算出した、各出力間の位相差を入力光波長の関数としてプロットした図である。従来技術の構成において、９０度位相シフト部７の位相シフト量θの９０度からのずれの波長依存性の係数βは、β＝０．０４［度／ｎｍ］であった。それに対して、本実施例の光９０度ハイブリッド回路のＩＱ位相差は波長に依らず０であり、ＩＱ位相差の９０度からのずれの波長依存性が解消されたことを実験的にも確認した。
【００６１】
以上で説明したように本発明の構成によりＩＱ位相差は波長に依らず９０度となる、すなわち、ＩＱ位相差の９０度からのずれが波長に依らず常に０になることが分かる。これは、本発明の構成において、従来技術では９０度位相シフト部７における位相シフト量θの波長依存性が不可避であったことに対し、位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６を採用し、且つ位相シフト機構１２及び位相シフト機構１６から出力される各々の光の位相差の波長無依存化を実現する設計を導入した効果である。
【００６２】
本発明は、光伝送システムにおけるコヒーレント受信方式に用いられる光受信器の構成部品である光９０度ハイブリッド回路として利用することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１ａ、１ｂ 入力導波路
２ａ、２ｂ、１３ 光スプリッタ
３ａ、３ｂ 光結合器
４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ 出力導波路
６ａ、６ｂ 差動受光部
７ ９０度位相シフト部
８ 光９０度ハイブリッド回路
９ 分波用光結合器
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ アーム導波路
１２、１６ 位相シフト機構
１２１ 第１の位相シフト導波路
１２２ 第２の位相シフト導波路
１６１ 第３の位相シフト導波路
１６２ 第４の位相シフト導波路
１４ 遅延線
１５ 光遅延回路部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光を入力して２つに分岐する第１の光スプリッタと、
第２の光を入力して２つに分岐する第２の光スプリッタと、
前記第１の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第１のアーム導波路と、
前記第１の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第２のアーム導波路と、
前記第２の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第３のアーム導波路と、
前記第２の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第４のアーム導波路と、
前記第１のアーム導波路によって伝送された光と前記第３のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第１の光結合器と、
前記第２のアーム導波路によって伝送された光と前記第４のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第２の光結合器と、
前記第１のアーム導波路から伝送された光及び前記第２のアーム導波路から伝送された光の位相差と、前記第３のアーム導波路から伝送された光及び前記第４のアーム導波路から伝送された光の位相差との和θの絶対値が、使用する波長帯域内のある波長λ＝λCにおいて、ｍを整数として９０＋３６０ｍ度となり、λ＝λCにおけるｄθ／ｄλの絶対値が最小となるように構成された位相シフト機構とを備えることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
【請求項２】
前記位相シフト機構は、前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項３】
前記位相シフト機構は、前記第３のアーム導波路及び前記第４のアーム導波路にさらに設けられることを特徴とする請求項２に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項４】
前記位相シフト機構は、長さ又は幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項５】
前記位相シフト機構は、長さ及び幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項１】
第１の光を入力して２つに分岐する第１の光スプリッタと、
第２の光を入力して２つに分岐する第２の光スプリッタと、
前記第１の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第１のアーム導波路と、
前記第１の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第２のアーム導波路と、
前記第２の光スプリッタによって分岐された光の一方を伝送する第３のアーム導波路と、
前記第２の光スプリッタによって分岐された光の他方を伝送する第４のアーム導波路と、
前記第１のアーム導波路によって伝送された光と前記第３のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第１の光結合器と、
前記第２のアーム導波路によって伝送された光と前記第４のアーム導波路によって伝送された光とを合波して干渉光を生成する第２の光結合器と、
前記第１のアーム導波路から伝送された光及び前記第２のアーム導波路から伝送された光の位相差と、前記第３のアーム導波路から伝送された光及び前記第４のアーム導波路から伝送された光の位相差との和θの絶対値が、使用する波長帯域内のある波長λ＝λCにおいて、ｍを整数として９０＋３６０ｍ度となり、λ＝λCにおけるｄθ／ｄλの絶対値が最小となるように構成された位相シフト機構とを備えることを特徴とする光９０度ハイブリッド回路。
【請求項２】
前記位相シフト機構は、前記第１のアーム導波路及び前記第２のアーム導波路に設けられることを特徴とする請求項１に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項３】
前記位相シフト機構は、前記第３のアーム導波路及び前記第４のアーム導波路にさらに設けられることを特徴とする請求項２に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項４】
前記位相シフト機構は、長さ又は幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【請求項５】
前記位相シフト機構は、長さ及び幅が互いに異なる導波路であることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光９０度ハイブリッド回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１８００２（Ｐ２０１１−１８００２Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６４１７５（Ｐ２００９−１６４１７５）
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１０日（２００９．７．１０）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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