光９０度ハイブリッド
【課題】小型化が可能で、かつ製造コストを低減した光９０度ハイブリッドを提供する。
【解決手段】光９０度ハイブリッド１は、PLCチップ３の平面光波回路内に形成され、信号光と局所発振光（ＬＯ光）を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路４を備える。９０度ハイブリッド回路４は、信号光およびＬＯ光を分岐する第1，第２カプラ１１，１２と、信号光が伝搬する第1，第２経路２１，２２と、ＬＯ光が伝搬する第３，第４経路２３，２４と、信号光とＬＯ光を合波する第３，第４カプラ１３，１４とを備える。第３、第４経路を伝搬する局所発振光の間に９０度の位相差が付与される。第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されている。９０度ハイブリッド回路４全体のサイズが縮小され、ＰＬＣチップ３の小型化が可能になる。
【解決手段】光９０度ハイブリッド１は、PLCチップ３の平面光波回路内に形成され、信号光と局所発振光（ＬＯ光）を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路４を備える。９０度ハイブリッド回路４は、信号光およびＬＯ光を分岐する第1，第２カプラ１１，１２と、信号光が伝搬する第1，第２経路２１，２２と、ＬＯ光が伝搬する第３，第４経路２３，２４と、信号光とＬＯ光を合波する第３，第４カプラ１３，１４とを備える。第３、第４経路を伝搬する局所発振光の間に９０度の位相差が付与される。第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されている。９０度ハイブリッド回路４全体のサイズが縮小され、ＰＬＣチップ３の小型化が可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号光と局所発振光を混合するコヒーレント光伝送方式の受信器、例えば、DP-QPSK信号を受信するDP-QPSK変調方式の受信器などに使用される、石英系PLCなどの平面光波回路を用いた光９０度ハイブリッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、石英系平面光波回路(PLC: Planer Lightwave Circuit)などのPLC上に、カプラと偏波ビームスプリッタ（PBS: Polarization Beam Splitter）の組合せからなる光９０度ハイブリッドが知られている（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
一般に、DP-QPSK（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調方式の受信器などに使用される従来の光９０度ハイブリッドは、図６に示すように、QPSK信号などの位相変調信号（信号光）と局所発振光（ＬＯ光）をそれぞれ入力側のカプラ（第１カプラ１０１と第２カプラ１０２）で分岐した後、信号光とＬＯ光を出力側のカプラ（第３カプラ１０３と第４カプラ１０４）で合波させる。入力側の第１カプラ１０１で分岐された２つの信号光は、同じ光路長の経路（経路１，３）をそれぞれ伝搬して出力側のカプラ（第３カプラ１０３と第４カプラ１０４）に入射する。一方、入力側の第２カプラ１０２で分岐されたＬＯ光がそれぞれ伝搬する２つの経路（経路２，４）には、両ＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるように光路長差を持たせてある。つまり、経路２，４は、その光路長差が位相換算で９０度となるように設定されている。これにより、出力側の第３カプラでは、経路１を伝搬した信号光と経路２を伝搬したＬＯ光とが合波され、出力側の第４カプラでは、経路３を伝搬した信号光と経路４を伝搬したＬＯ光とが合波（混合）される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９２７４６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】井上靖之他、「石英系PLCを用いた光９０度ハイブリッド」1994年電子情報通信学会秋季大会、C-259
【非特許文献２】細矢正風他、「PLCを用いた９０°ハイブリッド・バランス型光受信モジュールの構成技術」、電子情報通信学会技術研究報告.光通信システムOCS-95 pp.49-54
【非特許文献３】S. Norimatsu et al., “An Optical 90-Hybrid Balanced Receiver Module Using a Planar LightwaveCircuit,” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.6, No.6, pp.737-740 (1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来の光９０度ハイブリッドでは、次のような問題があった。
（１）PLCチップに、信号光が伝搬する２つの経路の一方（経路３）とＬＯ光が伝搬する２つの経路の一方（経路２）とが交差し、かつ、同チップの左右方向にそれぞれ延びる４つの経路１乃至４がその縦方向に略等間隔で並ぶように光導波路が形成されている。そのため、PLCチップに形成される平面光波回路である９０度ハイブリッド回路全体の縦方向の寸法が大きくなり、PLCチップ自体が大型化してしまう。
（２）PLCチップ自体の大型化により、１枚のウェハに作製可能な９０度ハイブリッド回路の数、つまりウェハ1枚当たりのPLCチップの取り数を多くして、製造コストを低減するのが難しい。
【０００７】
本発明の目的は、小型化が可能で、かつ製造コストを低減した光９０度ハイブリッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、PLCチップの平面光波回路内に、変調された信号光と局所発振光を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドであって、前記９０度ハイブリッド回路は、前記信号光および局所発振光をそれぞれ分岐する第1および第２カプラと、前記第1カプラで分岐された前記信号光がそれぞれ伝搬する第1経路および第２経路と、前記第２カプラで分岐された前記局所発振光がそれぞれ伝搬する第３経路および第４経路と、前記第1経路を伝搬した信号光と前記第３経路を伝搬した局所発振光とを合波する第３カプラと、前記第２経路を伝搬した信号光と前記第４経路を伝搬した局所発振光とを合波する第４カプラと、を備え、前記第３経路と第４経路を伝搬する前記局所発振光の間に９０度の位相差が付与されるように構成され、かつ、前記第２カプラ、前記第３経路および前記第４経路が、前記第1経路と第２経路の間に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第1経路と前記第２経路、および前記第3経路と前記第4経路は、前記PLCチップ左右の入力端および出力端の各中心部を結ぶ仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記入力端の中央部に前記信号光および前記局所発振光がそれぞれ入力される第１および第２入力ポートが設けられ、前記出力端の中央部に第１乃至第４出力ポートがそれぞれ設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第1入力ポートと前記第1カプラとの間には、前記仮想中心線に沿ったPLCチップの上下方向における中央部で延びる信号光用の第1入力導波路が形成され、前記第２入力ポートと前記第２カプラとの間には、前記第１経路と第２経路のいずれか一方と交差する局所発振光用の第２入力導波路が形成され、前記第3カプラの二つの出力ポートと前記第１および第２出力ポートとを接続する第１および第２出力導波路と、前記第４カプラの二つの出力ポートと前記第３および第４出力ポートとを接続する第３および第４出力導波路とが前記仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第３経路および前記第４経路は、曲げ導波路と直線導波路をそれぞれ有し、前記曲げ導波路の回転角や前記直線導波路の長さを調整して、前記第３経路と第４経路の光路差が位相換算で９０度となるように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第1乃至第４経路には位相トリミング用のヒータがそれぞれ配置されており、前記位相トリミング用のヒータのうち、前記第３経路に配置されたヒータと前記第４経路に配置されたヒータのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことで前記第３経路および前記第４経路の各光路長を調整可能であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第２カプラとして方向性結合器を用いたことを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記方向性結合器が低波長特性型方向性結合器であることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記PLCチップの平面光波回路内に、前記９０度ハイブリッド回路が二つ形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、小型化が可能で、かつ製造コストを低減した光９０度ハイブリッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第1の実施形態に係る光９０度ハイブリッドを示す概略構成図。
【図２】第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッドを示す概略構成図。
【図３】図６に示す従来の光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差波長特性を示すグラフ。
【図４】図２に示す光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差波長特性を示すグラフ。
【図５】図６に示す従来の光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差波長特性を示すグラフ。
【図６】従来の光９０度ハイブリッドを示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１を図1に基づいて説明する。
光９０度ハイブリッド１は、図１に示すように、PLCチップ３の平面光波回路内に、信号光と局所発振光（ＬＯ光）を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路４が形成されたデバイスである。
PLCチップ３には、石英基板或いはシリコン基板などの図示を省略した基板上に、光ファイバ製造技術と半導体微細加工技術を組み合わせてコアとクラッドからなる複数の導波路を含む平面光波回路（PLC)が形成されている。このPLCは、例えば、石英系PLCである。
【００２１】
９０度ハイブリッド回路４は、信号光および局所発振光（ＬＯ光）をそれぞれ分岐する第1カプラ１１および第２カプラ１２と、第1カプラ１１で分岐された信号光がそれぞれ伝搬する第1経路２１および第２経路２２と、第２カプラ１２で分岐されたＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路２３および第４経路２４と、第1経路２１を伝搬した信号光と第３経路２３を伝搬したＬＯ光とを合波する第３カプラ１３と、第２経路２２を伝搬した信号光と第４経路２４を伝搬したＬＯ光とを合波する第４カプラ１４とを備える。信号光は、例えば、QPSK信号などの位相変調信号である。
【００２２】
図１に示す９０度ハイブリッド回路４では、第１カプラ１１の一方の出力ポートと第３カプラ１３の一方の入力ポートとの間に、第１経路（アーム導波路）２１が接続されている。第１カプラ１１の他方の出力ポートと第４カプラ１４の一方の入力ポートとの間に、第２経路（アーム導波路）２２が接続されている。第１経路２１と第２経路２２の光路長は同じ長さである。
【００２３】
また、第２カプラ１２の一方の出力ポートと第３カプラ１３の他方の入力ポートとの間に、第３経路（アーム導波路）２３が接続されている。第２カプラ１２の他方の出力ポートと第４カプラ１４の他方の入力ポートとの間に、第４経路（アーム導波路）２４が接続されている。
【００２４】
９０度ハイブリッド回路４は、第３経路２３および第４経路２４をそれぞれ伝搬するＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるように構成されている。本実施形態では、第３経路２３および第４経路２４の各光路長は、両経路２３，２４の光路差が位相換算で９０度となるように設定されている。つまり、ＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路２３と第４経路２４の光路長を変える（光路長を長くしたり、短くしたりする）ことで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるようにしている。一般に、経路間に光路長差２ΔＬを与えた場合に得られる位相差Δφは、次の（式１）で表わされる。
Δφ＝（４πｎΔＬ／λ） ・・・（式１）
ここでｎは導波路の実効屈折率で、λは考える光の波長である。
【００２５】
９０度ハイブリッド回路４の特徴は、第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されている構成にある。つまり、第1経路２１と第２経路２２の間に、第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が入れ子（入れ子構造）になっている。
【００２６】
第1カプラ１１はＹ分岐カプラである。第２カプラ１２はＹ分岐カプラである。第３カプラ１３および第４カプラ１４は、方向性結合器（ＤＣ）或いは波長無依存型方向性結合器（ＷＩＮＣ）である。
【００２７】
９０度ハイブリッド回路４では、図１に示すように、第1経路２１と第２経路２２、および第3経路２３と第4経路２４が、PLCチップ３の左右の入力端３ａおよび出力端３ｂの各中心部を結ぶ仮想中心線５に関してそれぞれ対称に形成されている。
【００２８】
入力端３ａの中央部には、信号光およびＬＯ光がそれぞれ入力される第１入力ポート３１および第２入力ポート３２が設けられている。また、出力端３ｂの中央部には、第１出力ポート４１乃至第４出力ポート４４の四つの出力ポートが設けられている。
本実施形態では、入力端３ａの中央部に第１入力ポート３１が、その中央部から下方に僅かにずれた位置に第２入力ポート３２が設けられている。また、出力端３ｂの中央部より上方に僅かにずれた位置に第１出力ポート４１および第２出力ポート４２が、その中央部より下方に僅かにずれた位置に第３出力ポート４３および第４出力ポート４４がそれぞれ設けられている。
【００２９】
第１入力ポート３１と第1カプラ１１との間には、PLCチップ３の縦方向における中央部で仮想中心線５に沿って延びる信号光用の第1入力導波路５１が形成されている。ここで、PLCチップ３の縦方向は、図１の紙面内で上下の方向、つまり、長方形のPLCチップ３の短手方向（短辺方向）である。
また、第２入力ポート３２と第２カプラ１２との間には、PLCチップ３の縦方向における中央部からずれた位置でPLCチップ３の左右方向に延びかつ第２経路２２と交差するＬＯ光用の第２入力導波路５２が形成されている。ここで、PLCチップ３の左右方向は、図１で左右の方向、つまり、長方形のPLCチップ３の長手方向（長辺方向）である。
【００３０】
また、第3カプラ１３の二つの出力ポートと第１出力ポート４１および第２出力ポート４２とは、第１出力導波路６１および第２出力導波路６２によりそれぞれ接続されている。第４カプラ１４の二つの出力ポートと第３出力ポート４３および第４出力ポート４４とは、第３出力導波路６３および第４出力導波路６４によりそれぞれを接続されている。また、第１出力導波路６１および第２出力導波路６２と、第３出力導波路６３および第４出力導波路６４とは、仮想中心線５に関して対称に形成されている。
【００３１】
第１経路２１および第２経路２２は、第１カプラ１１で分岐された後、仮想中心線５から互いに離れる方向へ延びる曲げ導波路を含む導波路２１ａおよび２２ａと、該導波路から仮想中心線５に関して対称な位置で平行に延びる直線導波路２１ｂおよび２２ｂと、仮想中心線５に近づく方向へ延びる曲げ導波路を含む導波路２１ｃおよび２２ｃとをそれぞれ有する。
【００３２】
９０度ハイブリッド回路４では、ＬＯ光が第２カプラ１２で二分岐された後は、二つの経路２３，２４を伝搬するＬＯ光に９０度の位相差を与える必要があるため、第３経路２３および第４経路２４の光路長を任意に調整できる構造をとっている。
すなわち、第３経路２３および第４経路２４は、曲げ導波路と直線導波路をそれぞれ有する。各経路２３，２４の曲げ導波路の曲げ半径ｒをそれぞれ最適な値、例えば２０００μｍに固定した条件で、各曲げ導波路の回転角θや各直線導波路の長さｌを調整して、第３経路２３と第４経路２４の光路差が位相換算で９０度となるように設定できる構造になっている。
【００３３】
また、第２経路２２と第１入力導波路５２とが交差する交差角α（図１参照）を、６０°〜９０°の範囲に設定する。交差角αは、６０°以上であることが望ましい。交差角αが６０°より小さいと、第２経路２２と入力導波路５２経路１と経路２との交差部での損失（クロストーク）が発生する。交差角αを９０°に設定した場合、その交差部での損失が最も小さくなる。
【００３４】
また、９０度ハイブリッド回路４では、四つの経路２１乃至２４には、位相トリミング用のヒータＡ乃至Ｄがそれぞれ配置されていてもよい。四つのヒータＡ乃至Ｄのうち、第３経路２３に配置されたヒータＣと第４経路２４に配置されたヒータＤのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことで、第３経路２３および第４経路２４の各光路長を調整可能である。
つまり、出力ポート４１乃至４４から出力される信号光の直交成分Ｉ、Ｑの位相がずれた場合に、ヒータＣ，Ｄのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことができる。また、ＬＯ光が伝搬する経路２３，２４の各々にヒータＣ，Ｄが設置されているので、正と負の位相誤差のいずれについてもトリミングを行うことができる。
また、経路２１乃至２４の全てにヒータＡ乃至Ｄを設けた場合は、経路２１乃至２４の全ての光学的特性を均一とし、非常に安定した出力特性を有する９０度ハイブリッド回路４を得ることができる。
なお、９０度ハイブリッド回路４で、四つの経路２１乃至２４に位相トリミング用のヒータが配置されていなくとも、水素を注入後、紫外線レーザ光を照射することで位相トリミングを行うことが可能である。
【００３５】
以上の構成を有する第1の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されているので、９０度ハイブリッド回路４全体のサイズ、特に、ＰＬＣチップの縦方向（信号光、ＬＯ光が伝搬する方向に垂直な方向）のサイズが縮小され、ＰＬＣチップ３の小型化が可能になる。これにより、小型の光９０度ハイブリッドを実現することができる。
（２）PLCチップ３の小型化が可能になることで、１枚のウェハに作製可能な９０度ハイブリッド回路４の数、つまりウェハ1枚当たりのPLCチップ３の取り数を多くして、製造コストを低減することができる。
【００３６】
（３）第1経路２１と第２経路２２が、PLCチップ３の左右の入力端３ａおよび出力端３ｂの各中心部を結ぶ仮想中心線５に関して対称に形成されているので、両経路２１，２２を伝搬する両信号光は、時間差（スキュー）なしでそれぞれカプラ１３および１４に達することができる。また、仮想中心線５に対して構造が対称であることで、ロスが均一となる。
（４）ＰＬＣチップ３の小型化が可能になると共に、第3経路２３と第4経路２４が上記仮想中心線５に関してそれぞれほぼ対称に短い距離で形成されているので、両経路２３，２４をそれぞれ伝搬するＬＯ光間に位相誤差が生じるのを抑制することができる。その結果非常に安定した出力特性を得ることができる。また、仮想中心線５に対して構造が対称であることで、ロスが均一となることに加え、スキューや位相誤差が発生しない。
（５）広帯域動作（例えばCLバンド波長帯；1530〜1620nmでの使用）が可能で、低損失でかつ小型の光９０度ハイブリッドを実現することができる。
【００３７】
（６）信号光とＬＯ光をそれぞれ分岐する入力側カプラとしてＹ分岐カプラを用い、ＬＯ光と信号光を合波する（干渉させる）出力側カプラとしてＷＩＮＣを用いている。このため、小型化と波長無依存化が可能で、かつ広帯域で安定した動作が可能な光９０度ハイブリッドを実現することができる。
（７）第３経路２３および第４経路２４の各曲げ導波路の曲げ半径ｒを固定にした条件で、各曲げ導波路の回転角θや各直線導波路の長さｌを調整して、第３経路２３および第４経路２４を任意の光路長に調整できる構造になっている。このため、上記回転角θや長さｌを調整することにより、経路２３，２４の光路長を自由に変えることができ、設計の自由度を拡大することができる。特に、各曲げ導波路の曲げ半径を、最適な値に固定するという条件が設定されている場合に、上記各パラメータを調整して経路２３，２４の光路長を自由に変えることができるので、各種の仕様に応じた光９０度ハイブリッドの設計が容易になる。
【００３８】
（８）第２経路２２と入力導波路５２とが交差する交差角α（図１参照）を、６０°〜９０°の範囲に設定することにより、第２経路２２と入力導波路５２の交差部での損失を抑制することができる。
（９）直交成分Ｉ、Ｑの位相がずれた場合の位相トリミングが、ヒータＣ，Ｄのいずれか一方を駆動することにより可能になる。
（１０）出力端３ｂの中央部に出力ポート４１乃至４４が集中して配置されているので、出力導波路６１乃至６４と図示を省略した光ファイバアレイ或いはバランストフォトダイオード（Ｂ−ＰＤ）アレイとの光接続が容易になる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１Ａを図２に基づいて説明する。
図１に示す上記光９０度ハイブリッド１では、ＬＯ光を分岐する第２カプラ１２として、Ｙ分岐カプラを用い、ＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路２３と第４経路２４の光路長を変えることで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるようにしている。具体的には、例えば、Δφ＝π／２、λ＝１．５５、ｎ＝１．４５６とおいて式１を解いて、２ΔＬ＝０．２６６μｍの光路差を両経路に与えればよい。
これに対して、光９０度ハイブリッド１Ａでは、図２に示すように、上記光９０度ハイブリッド１において、第３経路２３と第４経路２４の光路長が等しくなるように導波路の設定を行った上で、ＬＯ光を分岐する第２カプラとして方向性結合器（ＤＣ）１２Ａを用いている。本発明は、方向性結合器が入力光の波長に関係なく、クロスポート出力光の位相はスルーポート出力光に比べて９０度遅れるという性質を持つことを用い、該方向性結合器１２Ａのクロスポート出力光がそのスルーポート出力光に比べて位相が９０度遅れるようにすることで、第３経路２３と第４経路２４をそれぞれ伝搬する両ＬＯ光の間に９０度の位相差を付与するようにしている。
【００４０】
また、第２入力ポート３２と、ＤＣ１２Ａの二つの入力ポートの一方との間には、PLCチップ３の縦方向における中央部からずれた位置でPLCチップ３の左右方向に延びかつ第２経路２２と交差するＬＯ光用の第２入力導波路５２が形成されている。その他の構成は光９０度ハイブリッド１と同様である。
このように、図２に示す光９０度ハイブリッド１Ａの特徴は、波長無依存で、かつクロスポート出力光とスルーポート出力光との間に９０度の位相を付与するという方向性結合器特有の性質を積極的に利用して、両ＬＯ光の間に９０度の位相差を付与する点にある。
【００４１】
上記従来の光９０度ハイブリッドでは、ＬＯ光が伝搬する２つの経路の光路長を変えることで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφが付与されるようにしている。
位相差Δφを表わす上記（１式）には波長λが含まれているので、ＬＯ光が伝搬する２つの経路の光路長を、ある波長λのもとで両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφが付与されるように設定した従来の光９０度ハイブリッドでは、波長が変わると、本質的に２つの経路を伝搬する両ＬＯ光間の位相差Δφにずれ（位相誤差）が生じる（図３のグラフ参照）。つまり、両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφが付与されるように光路長が設定された２つの経路を伝搬する両ＬＯ光間の位相差Δφが、波長が変わると９０度の位相差Δφからずれてしまう。さらに、ＰＬＣ作製時の誤差により、ガラスの屈折率ｎや光路長差ΔＬが変化すると、やはり位相誤差が発生することになる。
【００４２】
図３は上記従来の光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差の波長特性を示すグラフである。図３のグラフにおいて、符号７１は位相誤差が０度（位相差が所望の位相差＝９０度）のレベルを、符号７２は位相誤差が＋５度（位相差＝９５度）のレベルを、符号７３は位相誤差が−５度（位相差＝８５度）のレベルをそれぞれ示している。
上記従来の光９０度ハイブリッドでは、図３の直線７０で示すように、ＬＯ光の波長λが設計波長、例えば１．５７μｍ（周波数が約１９１ＴＨｚ）から短波長側（大きな周波数の側）に変わると、位相差が９０度より次第に大きくなってしまう。逆に、ＬＯ光の波長λが設計波長から長波長側（小さな周波数の側）に変わると、位相差が９０度より次第に小さくなってしまう。
【００４３】
そのため、図１に示す上記光９０度ハイブリッドや上記従来の光９０度ハイブリッドでは、Ｃ―Ｌバンド等の広帯域における全部の波長に対して、位相誤差が＋５度（位相差＝９５度）から−５度（位相差＝８５度）の許容範囲に入るように、両ＬＯ光間の位相差Δφを位相トリミングにより調整する必要がある。
その位相トリミングは、ＬＯ光が分岐されて伝搬する二つの経路のいずれか一方に設けたヒータを駆動することにより、或いは、ヒータを使わずに、二つの経路のいずれか一方にＵＶ光を照射してその経路の屈折率を永久的に変えるＵＶトリミングにより実施される。いずれの位相トリミングも、作製されたPLCチップ毎に行う必要があり、非常に煩雑であり、製造コストをアップする要因の一つになっている。
【００４４】
また、そのような位相誤差を補正するための光９０度ハイブリッドの機能補正方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
このように、ＬＯ光が伝搬する２つの経路の光路長を変えることで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφを付与する光９０度ハイブリッドにおける上述した問題点を解決するために、本発明者らは鋭意研究の結果、第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１Ａを発明するに至ったのである。
【００４５】
図２の形態をもつ本発明の第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１Ａを試作し、位相誤差を評価した。その結果を図４に示す。図４の結果から、本発明の光９０度ハイブリッド１Ａを用いた場合は、１５３０ｎｍから１６００ｎｍの非常に広い波長範囲で、位相誤差が約−２度から０度の範囲で得られており、位相トリミングを必要とせず、良好な位相特性を示すことがわかる。
【００４６】
これに対して、同時に図６の形態をもつ従来の光９０度ハイブリッドも同時に試作し、位相誤差を評価した。その結果を図５に示す。１５３０ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲で位相誤差は約１０度から４度に変化している。位相誤差を±５度の範囲に低減するためには、位相トリミングを行う必要があるが、それを行ったとしても、位相誤差の波長特性はなくならないので、図４の結果と比較すると、良好な位相特性であるとは言えない。
【００４７】
以上の構成を有する第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【００４８】
（１）ＬＯ光を分岐する第２カプラとしてＤＣ１２Ａを用い、該ＤＣ１２Ａのクロスポート出力光はそのスルーポート出力光に比べて位相が９０度遅れるという現象により、第３経路２３と第４経路２４を伝搬するＬＯ光の間に９０度の位相差を付与するようにしている。このため、波長無依存でかつ位相誤差が理論的に存在しない光９０度ハイブリッドを実現することができる。
つまり、Ｃ―Ｌバンド等の広帯域内で波長を変えても位相誤差が発生しない光９０度ハイブリッドを実現することができる。
【００４９】
（２）図３のグラフで示すような位相誤差の波長特性が原理的に無くなるので、同じ仕様、例えば、位相誤差の許容範囲が＋５度（位相差＝９５度）から−５度（位相差＝８５度）の範囲となるような仕様の場合であれば、上述したような煩雑な位相トリミングが不要になる可能性が高い。これにより、製造コストを低減することができる。
（３）特許文献１に記載の発明のように、光９０ハイブリッドの光路長間の理想的な相対位相差からの誤差を補正する方法が不要になる。
【００５０】
なお、図２に示す光９０度ハイブリッド１Ａでは、ＬＯ光を分岐する第２カプラとして用いたＤＣ１２Ａは、位相に関しては波長無依存であり、どの波長に対してもそのクロスポート出力光とスルーポート出力光との間に９０度の位相差を付与するが、両出力光の強度に関しては波長依存性がある。この波長依存性を小さくするためには、通常のＤＣよりも結合部の導波路幅（コア幅）が狭く、結合部の導波路間隔の狭い低波長特性型ＤＣ、いわゆる細幅ＤＣを使用するのが好ましい。
【００５１】
また、図２に示す光９０度ハイブリッド１Ａでは、９０度ハイブリッド回路４の特徴は、第２カプラとして用いたＤＣ１２Ａ、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されている構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。
すなわち、次のような構成を有する光９０度ハイブリッドにも本発明は適用可能である。
PLCチップの平面光波回路内に、信号光と局所発振光を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドであって、
前記信号光および局所発振光をそれぞれ分岐する第1カプラおよび第２カプラと、
前記第1カプラで分岐された信号光がそれぞれ伝搬する第1経路および第２経路と、
前記第２カプラで分岐されたＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路および第４経路と、
前記第1経路を伝搬した信号光と第３経路を伝搬したＬＯ光とを合波する第３カプラと、
前記第２経路を伝搬した信号光と前記第４経路を伝搬したＬＯ光とを合波する第４カプラと、を備え、
前記第２カプラとして方向性結合器を用い、該方向性結合器のクロスポート出力光はそのスルーポート出力光に比べて位相が９０度遅れるという現象により、第３経路と第４経路をそれぞれ伝搬する両ＬＯ光の間に９０度の位相差を付与するようにしたことを特徴とする光９０度ハイブリッド。
【００５２】
なお、上記各実施形態では、PLCチップ３上に一つの９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドについて説明したが、PLCチップ３上に二つの９０度ハイブリッド回路が形成され、DP-QPSK受信器等に使用可能な光９０度ハイブリッドにも本発明は適用可能である。
また、PLCチップ３上に二つの９０度ハイブリッド回路と偏波ビームスプリッタ（PBS）とが形成された光９０度ハイブリッドにも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１，１Ａ：光９０度ハイブリッド
３：PLCチップ
３ａ：入力端
３ｂ：出力端
４：９０度ハイブリッド回路
５：仮想中心線
１１：第1カプラ
１２：第２カプラ
１２Ａ：第２カプラとして用いた方向性結合器
１３：第３カプラ
１４：第４カプラ
２１：第１経路
２２：第２経路
２３：第３経路
２４：第４経路
３１：第１入力ポート
３２：第２入力ポート
４１〜４４：出力ポート
５１：第1入力導波路
５２：第２入力導波路
６１〜６４：出力導波路
Ａ〜Ｄ：位相トリミング用のヒータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号光と局所発振光を混合するコヒーレント光伝送方式の受信器、例えば、DP-QPSK信号を受信するDP-QPSK変調方式の受信器などに使用される、石英系PLCなどの平面光波回路を用いた光９０度ハイブリッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術として、石英系平面光波回路(PLC: Planer Lightwave Circuit)などのPLC上に、カプラと偏波ビームスプリッタ（PBS: Polarization Beam Splitter）の組合せからなる光９０度ハイブリッドが知られている（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
一般に、DP-QPSK（Dual Polarization-Quadrature Phase Shift Keying）変調方式の受信器などに使用される従来の光９０度ハイブリッドは、図６に示すように、QPSK信号などの位相変調信号（信号光）と局所発振光（ＬＯ光）をそれぞれ入力側のカプラ（第１カプラ１０１と第２カプラ１０２）で分岐した後、信号光とＬＯ光を出力側のカプラ（第３カプラ１０３と第４カプラ１０４）で合波させる。入力側の第１カプラ１０１で分岐された２つの信号光は、同じ光路長の経路（経路１，３）をそれぞれ伝搬して出力側のカプラ（第３カプラ１０３と第４カプラ１０４）に入射する。一方、入力側の第２カプラ１０２で分岐されたＬＯ光がそれぞれ伝搬する２つの経路（経路２，４）には、両ＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるように光路長差を持たせてある。つまり、経路２，４は、その光路長差が位相換算で９０度となるように設定されている。これにより、出力側の第３カプラでは、経路１を伝搬した信号光と経路２を伝搬したＬＯ光とが合波され、出力側の第４カプラでは、経路３を伝搬した信号光と経路４を伝搬したＬＯ光とが合波（混合）される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９２７４６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】井上靖之他、「石英系PLCを用いた光９０度ハイブリッド」1994年電子情報通信学会秋季大会、C-259
【非特許文献２】細矢正風他、「PLCを用いた９０°ハイブリッド・バランス型光受信モジュールの構成技術」、電子情報通信学会技術研究報告.光通信システムOCS-95 pp.49-54
【非特許文献３】S. Norimatsu et al., “An Optical 90-Hybrid Balanced Receiver Module Using a Planar LightwaveCircuit,” IEEE Photon. Technol. Lett., Vol.6, No.6, pp.737-740 (1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来の光９０度ハイブリッドでは、次のような問題があった。
（１）PLCチップに、信号光が伝搬する２つの経路の一方（経路３）とＬＯ光が伝搬する２つの経路の一方（経路２）とが交差し、かつ、同チップの左右方向にそれぞれ延びる４つの経路１乃至４がその縦方向に略等間隔で並ぶように光導波路が形成されている。そのため、PLCチップに形成される平面光波回路である９０度ハイブリッド回路全体の縦方向の寸法が大きくなり、PLCチップ自体が大型化してしまう。
（２）PLCチップ自体の大型化により、１枚のウェハに作製可能な９０度ハイブリッド回路の数、つまりウェハ1枚当たりのPLCチップの取り数を多くして、製造コストを低減するのが難しい。
【０００７】
本発明の目的は、小型化が可能で、かつ製造コストを低減した光９０度ハイブリッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、PLCチップの平面光波回路内に、変調された信号光と局所発振光を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドであって、前記９０度ハイブリッド回路は、前記信号光および局所発振光をそれぞれ分岐する第1および第２カプラと、前記第1カプラで分岐された前記信号光がそれぞれ伝搬する第1経路および第２経路と、前記第２カプラで分岐された前記局所発振光がそれぞれ伝搬する第３経路および第４経路と、前記第1経路を伝搬した信号光と前記第３経路を伝搬した局所発振光とを合波する第３カプラと、前記第２経路を伝搬した信号光と前記第４経路を伝搬した局所発振光とを合波する第４カプラと、を備え、前記第３経路と第４経路を伝搬する前記局所発振光の間に９０度の位相差が付与されるように構成され、かつ、前記第２カプラ、前記第３経路および前記第４経路が、前記第1経路と第２経路の間に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第1経路と前記第２経路、および前記第3経路と前記第4経路は、前記PLCチップ左右の入力端および出力端の各中心部を結ぶ仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記入力端の中央部に前記信号光および前記局所発振光がそれぞれ入力される第１および第２入力ポートが設けられ、前記出力端の中央部に第１乃至第４出力ポートがそれぞれ設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第1入力ポートと前記第1カプラとの間には、前記仮想中心線に沿ったPLCチップの上下方向における中央部で延びる信号光用の第1入力導波路が形成され、前記第２入力ポートと前記第２カプラとの間には、前記第１経路と第２経路のいずれか一方と交差する局所発振光用の第２入力導波路が形成され、前記第3カプラの二つの出力ポートと前記第１および第２出力ポートとを接続する第１および第２出力導波路と、前記第４カプラの二つの出力ポートと前記第３および第４出力ポートとを接続する第３および第４出力導波路とが前記仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第３経路および前記第４経路は、曲げ導波路と直線導波路をそれぞれ有し、前記曲げ導波路の回転角や前記直線導波路の長さを調整して、前記第３経路と第４経路の光路差が位相換算で９０度となるように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第1乃至第４経路には位相トリミング用のヒータがそれぞれ配置されており、前記位相トリミング用のヒータのうち、前記第３経路に配置されたヒータと前記第４経路に配置されたヒータのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことで前記第３経路および前記第４経路の各光路長を調整可能であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記第２カプラとして方向性結合器を用いたことを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記方向性結合器が低波長特性型方向性結合器であることを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明に係る光９０度ハイブリッドは、前記PLCチップの平面光波回路内に、前記９０度ハイブリッド回路が二つ形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、小型化が可能で、かつ製造コストを低減した光９０度ハイブリッドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第1の実施形態に係る光９０度ハイブリッドを示す概略構成図。
【図２】第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッドを示す概略構成図。
【図３】図６に示す従来の光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差波長特性を示すグラフ。
【図４】図２に示す光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差波長特性を示すグラフ。
【図５】図６に示す従来の光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差波長特性を示すグラフ。
【図６】従来の光９０度ハイブリッドを示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を具体化した実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００２０】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１を図1に基づいて説明する。
光９０度ハイブリッド１は、図１に示すように、PLCチップ３の平面光波回路内に、信号光と局所発振光（ＬＯ光）を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路４が形成されたデバイスである。
PLCチップ３には、石英基板或いはシリコン基板などの図示を省略した基板上に、光ファイバ製造技術と半導体微細加工技術を組み合わせてコアとクラッドからなる複数の導波路を含む平面光波回路（PLC)が形成されている。このPLCは、例えば、石英系PLCである。
【００２１】
９０度ハイブリッド回路４は、信号光および局所発振光（ＬＯ光）をそれぞれ分岐する第1カプラ１１および第２カプラ１２と、第1カプラ１１で分岐された信号光がそれぞれ伝搬する第1経路２１および第２経路２２と、第２カプラ１２で分岐されたＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路２３および第４経路２４と、第1経路２１を伝搬した信号光と第３経路２３を伝搬したＬＯ光とを合波する第３カプラ１３と、第２経路２２を伝搬した信号光と第４経路２４を伝搬したＬＯ光とを合波する第４カプラ１４とを備える。信号光は、例えば、QPSK信号などの位相変調信号である。
【００２２】
図１に示す９０度ハイブリッド回路４では、第１カプラ１１の一方の出力ポートと第３カプラ１３の一方の入力ポートとの間に、第１経路（アーム導波路）２１が接続されている。第１カプラ１１の他方の出力ポートと第４カプラ１４の一方の入力ポートとの間に、第２経路（アーム導波路）２２が接続されている。第１経路２１と第２経路２２の光路長は同じ長さである。
【００２３】
また、第２カプラ１２の一方の出力ポートと第３カプラ１３の他方の入力ポートとの間に、第３経路（アーム導波路）２３が接続されている。第２カプラ１２の他方の出力ポートと第４カプラ１４の他方の入力ポートとの間に、第４経路（アーム導波路）２４が接続されている。
【００２４】
９０度ハイブリッド回路４は、第３経路２３および第４経路２４をそれぞれ伝搬するＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるように構成されている。本実施形態では、第３経路２３および第４経路２４の各光路長は、両経路２３，２４の光路差が位相換算で９０度となるように設定されている。つまり、ＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路２３と第４経路２４の光路長を変える（光路長を長くしたり、短くしたりする）ことで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるようにしている。一般に、経路間に光路長差２ΔＬを与えた場合に得られる位相差Δφは、次の（式１）で表わされる。
Δφ＝（４πｎΔＬ／λ） ・・・（式１）
ここでｎは導波路の実効屈折率で、λは考える光の波長である。
【００２５】
９０度ハイブリッド回路４の特徴は、第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されている構成にある。つまり、第1経路２１と第２経路２２の間に、第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が入れ子（入れ子構造）になっている。
【００２６】
第1カプラ１１はＹ分岐カプラである。第２カプラ１２はＹ分岐カプラである。第３カプラ１３および第４カプラ１４は、方向性結合器（ＤＣ）或いは波長無依存型方向性結合器（ＷＩＮＣ）である。
【００２７】
９０度ハイブリッド回路４では、図１に示すように、第1経路２１と第２経路２２、および第3経路２３と第4経路２４が、PLCチップ３の左右の入力端３ａおよび出力端３ｂの各中心部を結ぶ仮想中心線５に関してそれぞれ対称に形成されている。
【００２８】
入力端３ａの中央部には、信号光およびＬＯ光がそれぞれ入力される第１入力ポート３１および第２入力ポート３２が設けられている。また、出力端３ｂの中央部には、第１出力ポート４１乃至第４出力ポート４４の四つの出力ポートが設けられている。
本実施形態では、入力端３ａの中央部に第１入力ポート３１が、その中央部から下方に僅かにずれた位置に第２入力ポート３２が設けられている。また、出力端３ｂの中央部より上方に僅かにずれた位置に第１出力ポート４１および第２出力ポート４２が、その中央部より下方に僅かにずれた位置に第３出力ポート４３および第４出力ポート４４がそれぞれ設けられている。
【００２９】
第１入力ポート３１と第1カプラ１１との間には、PLCチップ３の縦方向における中央部で仮想中心線５に沿って延びる信号光用の第1入力導波路５１が形成されている。ここで、PLCチップ３の縦方向は、図１の紙面内で上下の方向、つまり、長方形のPLCチップ３の短手方向（短辺方向）である。
また、第２入力ポート３２と第２カプラ１２との間には、PLCチップ３の縦方向における中央部からずれた位置でPLCチップ３の左右方向に延びかつ第２経路２２と交差するＬＯ光用の第２入力導波路５２が形成されている。ここで、PLCチップ３の左右方向は、図１で左右の方向、つまり、長方形のPLCチップ３の長手方向（長辺方向）である。
【００３０】
また、第3カプラ１３の二つの出力ポートと第１出力ポート４１および第２出力ポート４２とは、第１出力導波路６１および第２出力導波路６２によりそれぞれ接続されている。第４カプラ１４の二つの出力ポートと第３出力ポート４３および第４出力ポート４４とは、第３出力導波路６３および第４出力導波路６４によりそれぞれを接続されている。また、第１出力導波路６１および第２出力導波路６２と、第３出力導波路６３および第４出力導波路６４とは、仮想中心線５に関して対称に形成されている。
【００３１】
第１経路２１および第２経路２２は、第１カプラ１１で分岐された後、仮想中心線５から互いに離れる方向へ延びる曲げ導波路を含む導波路２１ａおよび２２ａと、該導波路から仮想中心線５に関して対称な位置で平行に延びる直線導波路２１ｂおよび２２ｂと、仮想中心線５に近づく方向へ延びる曲げ導波路を含む導波路２１ｃおよび２２ｃとをそれぞれ有する。
【００３２】
９０度ハイブリッド回路４では、ＬＯ光が第２カプラ１２で二分岐された後は、二つの経路２３，２４を伝搬するＬＯ光に９０度の位相差を与える必要があるため、第３経路２３および第４経路２４の光路長を任意に調整できる構造をとっている。
すなわち、第３経路２３および第４経路２４は、曲げ導波路と直線導波路をそれぞれ有する。各経路２３，２４の曲げ導波路の曲げ半径ｒをそれぞれ最適な値、例えば２０００μｍに固定した条件で、各曲げ導波路の回転角θや各直線導波路の長さｌを調整して、第３経路２３と第４経路２４の光路差が位相換算で９０度となるように設定できる構造になっている。
【００３３】
また、第２経路２２と第１入力導波路５２とが交差する交差角α（図１参照）を、６０°〜９０°の範囲に設定する。交差角αは、６０°以上であることが望ましい。交差角αが６０°より小さいと、第２経路２２と入力導波路５２経路１と経路２との交差部での損失（クロストーク）が発生する。交差角αを９０°に設定した場合、その交差部での損失が最も小さくなる。
【００３４】
また、９０度ハイブリッド回路４では、四つの経路２１乃至２４には、位相トリミング用のヒータＡ乃至Ｄがそれぞれ配置されていてもよい。四つのヒータＡ乃至Ｄのうち、第３経路２３に配置されたヒータＣと第４経路２４に配置されたヒータＤのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことで、第３経路２３および第４経路２４の各光路長を調整可能である。
つまり、出力ポート４１乃至４４から出力される信号光の直交成分Ｉ、Ｑの位相がずれた場合に、ヒータＣ，Ｄのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことができる。また、ＬＯ光が伝搬する経路２３，２４の各々にヒータＣ，Ｄが設置されているので、正と負の位相誤差のいずれについてもトリミングを行うことができる。
また、経路２１乃至２４の全てにヒータＡ乃至Ｄを設けた場合は、経路２１乃至２４の全ての光学的特性を均一とし、非常に安定した出力特性を有する９０度ハイブリッド回路４を得ることができる。
なお、９０度ハイブリッド回路４で、四つの経路２１乃至２４に位相トリミング用のヒータが配置されていなくとも、水素を注入後、紫外線レーザ光を照射することで位相トリミングを行うことが可能である。
【００３５】
以上の構成を有する第1の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）第２カプラ１２、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されているので、９０度ハイブリッド回路４全体のサイズ、特に、ＰＬＣチップの縦方向（信号光、ＬＯ光が伝搬する方向に垂直な方向）のサイズが縮小され、ＰＬＣチップ３の小型化が可能になる。これにより、小型の光９０度ハイブリッドを実現することができる。
（２）PLCチップ３の小型化が可能になることで、１枚のウェハに作製可能な９０度ハイブリッド回路４の数、つまりウェハ1枚当たりのPLCチップ３の取り数を多くして、製造コストを低減することができる。
【００３６】
（３）第1経路２１と第２経路２２が、PLCチップ３の左右の入力端３ａおよび出力端３ｂの各中心部を結ぶ仮想中心線５に関して対称に形成されているので、両経路２１，２２を伝搬する両信号光は、時間差（スキュー）なしでそれぞれカプラ１３および１４に達することができる。また、仮想中心線５に対して構造が対称であることで、ロスが均一となる。
（４）ＰＬＣチップ３の小型化が可能になると共に、第3経路２３と第4経路２４が上記仮想中心線５に関してそれぞれほぼ対称に短い距離で形成されているので、両経路２３，２４をそれぞれ伝搬するＬＯ光間に位相誤差が生じるのを抑制することができる。その結果非常に安定した出力特性を得ることができる。また、仮想中心線５に対して構造が対称であることで、ロスが均一となることに加え、スキューや位相誤差が発生しない。
（５）広帯域動作（例えばCLバンド波長帯；1530〜1620nmでの使用）が可能で、低損失でかつ小型の光９０度ハイブリッドを実現することができる。
【００３７】
（６）信号光とＬＯ光をそれぞれ分岐する入力側カプラとしてＹ分岐カプラを用い、ＬＯ光と信号光を合波する（干渉させる）出力側カプラとしてＷＩＮＣを用いている。このため、小型化と波長無依存化が可能で、かつ広帯域で安定した動作が可能な光９０度ハイブリッドを実現することができる。
（７）第３経路２３および第４経路２４の各曲げ導波路の曲げ半径ｒを固定にした条件で、各曲げ導波路の回転角θや各直線導波路の長さｌを調整して、第３経路２３および第４経路２４を任意の光路長に調整できる構造になっている。このため、上記回転角θや長さｌを調整することにより、経路２３，２４の光路長を自由に変えることができ、設計の自由度を拡大することができる。特に、各曲げ導波路の曲げ半径を、最適な値に固定するという条件が設定されている場合に、上記各パラメータを調整して経路２３，２４の光路長を自由に変えることができるので、各種の仕様に応じた光９０度ハイブリッドの設計が容易になる。
【００３８】
（８）第２経路２２と入力導波路５２とが交差する交差角α（図１参照）を、６０°〜９０°の範囲に設定することにより、第２経路２２と入力導波路５２の交差部での損失を抑制することができる。
（９）直交成分Ｉ、Ｑの位相がずれた場合の位相トリミングが、ヒータＣ，Ｄのいずれか一方を駆動することにより可能になる。
（１０）出力端３ｂの中央部に出力ポート４１乃至４４が集中して配置されているので、出力導波路６１乃至６４と図示を省略した光ファイバアレイ或いはバランストフォトダイオード（Ｂ−ＰＤ）アレイとの光接続が容易になる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１Ａを図２に基づいて説明する。
図１に示す上記光９０度ハイブリッド１では、ＬＯ光を分岐する第２カプラ１２として、Ｙ分岐カプラを用い、ＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路２３と第４経路２４の光路長を変えることで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差が付与されるようにしている。具体的には、例えば、Δφ＝π／２、λ＝１．５５、ｎ＝１．４５６とおいて式１を解いて、２ΔＬ＝０．２６６μｍの光路差を両経路に与えればよい。
これに対して、光９０度ハイブリッド１Ａでは、図２に示すように、上記光９０度ハイブリッド１において、第３経路２３と第４経路２４の光路長が等しくなるように導波路の設定を行った上で、ＬＯ光を分岐する第２カプラとして方向性結合器（ＤＣ）１２Ａを用いている。本発明は、方向性結合器が入力光の波長に関係なく、クロスポート出力光の位相はスルーポート出力光に比べて９０度遅れるという性質を持つことを用い、該方向性結合器１２Ａのクロスポート出力光がそのスルーポート出力光に比べて位相が９０度遅れるようにすることで、第３経路２３と第４経路２４をそれぞれ伝搬する両ＬＯ光の間に９０度の位相差を付与するようにしている。
【００４０】
また、第２入力ポート３２と、ＤＣ１２Ａの二つの入力ポートの一方との間には、PLCチップ３の縦方向における中央部からずれた位置でPLCチップ３の左右方向に延びかつ第２経路２２と交差するＬＯ光用の第２入力導波路５２が形成されている。その他の構成は光９０度ハイブリッド１と同様である。
このように、図２に示す光９０度ハイブリッド１Ａの特徴は、波長無依存で、かつクロスポート出力光とスルーポート出力光との間に９０度の位相を付与するという方向性結合器特有の性質を積極的に利用して、両ＬＯ光の間に９０度の位相差を付与する点にある。
【００４１】
上記従来の光９０度ハイブリッドでは、ＬＯ光が伝搬する２つの経路の光路長を変えることで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφが付与されるようにしている。
位相差Δφを表わす上記（１式）には波長λが含まれているので、ＬＯ光が伝搬する２つの経路の光路長を、ある波長λのもとで両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφが付与されるように設定した従来の光９０度ハイブリッドでは、波長が変わると、本質的に２つの経路を伝搬する両ＬＯ光間の位相差Δφにずれ（位相誤差）が生じる（図３のグラフ参照）。つまり、両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφが付与されるように光路長が設定された２つの経路を伝搬する両ＬＯ光間の位相差Δφが、波長が変わると９０度の位相差Δφからずれてしまう。さらに、ＰＬＣ作製時の誤差により、ガラスの屈折率ｎや光路長差ΔＬが変化すると、やはり位相誤差が発生することになる。
【００４２】
図３は上記従来の光９０度ハイブリッドが持つ位相誤差の波長特性を示すグラフである。図３のグラフにおいて、符号７１は位相誤差が０度（位相差が所望の位相差＝９０度）のレベルを、符号７２は位相誤差が＋５度（位相差＝９５度）のレベルを、符号７３は位相誤差が−５度（位相差＝８５度）のレベルをそれぞれ示している。
上記従来の光９０度ハイブリッドでは、図３の直線７０で示すように、ＬＯ光の波長λが設計波長、例えば１．５７μｍ（周波数が約１９１ＴＨｚ）から短波長側（大きな周波数の側）に変わると、位相差が９０度より次第に大きくなってしまう。逆に、ＬＯ光の波長λが設計波長から長波長側（小さな周波数の側）に変わると、位相差が９０度より次第に小さくなってしまう。
【００４３】
そのため、図１に示す上記光９０度ハイブリッドや上記従来の光９０度ハイブリッドでは、Ｃ―Ｌバンド等の広帯域における全部の波長に対して、位相誤差が＋５度（位相差＝９５度）から−５度（位相差＝８５度）の許容範囲に入るように、両ＬＯ光間の位相差Δφを位相トリミングにより調整する必要がある。
その位相トリミングは、ＬＯ光が分岐されて伝搬する二つの経路のいずれか一方に設けたヒータを駆動することにより、或いは、ヒータを使わずに、二つの経路のいずれか一方にＵＶ光を照射してその経路の屈折率を永久的に変えるＵＶトリミングにより実施される。いずれの位相トリミングも、作製されたPLCチップ毎に行う必要があり、非常に煩雑であり、製造コストをアップする要因の一つになっている。
【００４４】
また、そのような位相誤差を補正するための光９０度ハイブリッドの機能補正方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。
このように、ＬＯ光が伝搬する２つの経路の光路長を変えることで、両ＬＯ光の間に９０度の位相差Δφを付与する光９０度ハイブリッドにおける上述した問題点を解決するために、本発明者らは鋭意研究の結果、第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１Ａを発明するに至ったのである。
【００４５】
図２の形態をもつ本発明の第２の実施形態に係る光９０度ハイブリッド１Ａを試作し、位相誤差を評価した。その結果を図４に示す。図４の結果から、本発明の光９０度ハイブリッド１Ａを用いた場合は、１５３０ｎｍから１６００ｎｍの非常に広い波長範囲で、位相誤差が約−２度から０度の範囲で得られており、位相トリミングを必要とせず、良好な位相特性を示すことがわかる。
【００４６】
これに対して、同時に図６の形態をもつ従来の光９０度ハイブリッドも同時に試作し、位相誤差を評価した。その結果を図５に示す。１５３０ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲で位相誤差は約１０度から４度に変化している。位相誤差を±５度の範囲に低減するためには、位相トリミングを行う必要があるが、それを行ったとしても、位相誤差の波長特性はなくならないので、図４の結果と比較すると、良好な位相特性であるとは言えない。
【００４７】
以上の構成を有する第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態の奏する作用効果に加えて以下の作用効果を奏する。
【００４８】
（１）ＬＯ光を分岐する第２カプラとしてＤＣ１２Ａを用い、該ＤＣ１２Ａのクロスポート出力光はそのスルーポート出力光に比べて位相が９０度遅れるという現象により、第３経路２３と第４経路２４を伝搬するＬＯ光の間に９０度の位相差を付与するようにしている。このため、波長無依存でかつ位相誤差が理論的に存在しない光９０度ハイブリッドを実現することができる。
つまり、Ｃ―Ｌバンド等の広帯域内で波長を変えても位相誤差が発生しない光９０度ハイブリッドを実現することができる。
【００４９】
（２）図３のグラフで示すような位相誤差の波長特性が原理的に無くなるので、同じ仕様、例えば、位相誤差の許容範囲が＋５度（位相差＝９５度）から−５度（位相差＝８５度）の範囲となるような仕様の場合であれば、上述したような煩雑な位相トリミングが不要になる可能性が高い。これにより、製造コストを低減することができる。
（３）特許文献１に記載の発明のように、光９０ハイブリッドの光路長間の理想的な相対位相差からの誤差を補正する方法が不要になる。
【００５０】
なお、図２に示す光９０度ハイブリッド１Ａでは、ＬＯ光を分岐する第２カプラとして用いたＤＣ１２Ａは、位相に関しては波長無依存であり、どの波長に対してもそのクロスポート出力光とスルーポート出力光との間に９０度の位相差を付与するが、両出力光の強度に関しては波長依存性がある。この波長依存性を小さくするためには、通常のＤＣよりも結合部の導波路幅（コア幅）が狭く、結合部の導波路間隔の狭い低波長特性型ＤＣ、いわゆる細幅ＤＣを使用するのが好ましい。
【００５１】
また、図２に示す光９０度ハイブリッド１Ａでは、９０度ハイブリッド回路４の特徴は、第２カプラとして用いたＤＣ１２Ａ、第３経路２３および第４経路２４が、第1経路２１と第２経路２２の間に形成されている構成について説明したが、本発明はこれに限定されない。
すなわち、次のような構成を有する光９０度ハイブリッドにも本発明は適用可能である。
PLCチップの平面光波回路内に、信号光と局所発振光を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドであって、
前記信号光および局所発振光をそれぞれ分岐する第1カプラおよび第２カプラと、
前記第1カプラで分岐された信号光がそれぞれ伝搬する第1経路および第２経路と、
前記第２カプラで分岐されたＬＯ光がそれぞれ伝搬する第３経路および第４経路と、
前記第1経路を伝搬した信号光と第３経路を伝搬したＬＯ光とを合波する第３カプラと、
前記第２経路を伝搬した信号光と前記第４経路を伝搬したＬＯ光とを合波する第４カプラと、を備え、
前記第２カプラとして方向性結合器を用い、該方向性結合器のクロスポート出力光はそのスルーポート出力光に比べて位相が９０度遅れるという現象により、第３経路と第４経路をそれぞれ伝搬する両ＬＯ光の間に９０度の位相差を付与するようにしたことを特徴とする光９０度ハイブリッド。
【００５２】
なお、上記各実施形態では、PLCチップ３上に一つの９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドについて説明したが、PLCチップ３上に二つの９０度ハイブリッド回路が形成され、DP-QPSK受信器等に使用可能な光９０度ハイブリッドにも本発明は適用可能である。
また、PLCチップ３上に二つの９０度ハイブリッド回路と偏波ビームスプリッタ（PBS）とが形成された光９０度ハイブリッドにも本発明は適用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１，１Ａ：光９０度ハイブリッド
３：PLCチップ
３ａ：入力端
３ｂ：出力端
４：９０度ハイブリッド回路
５：仮想中心線
１１：第1カプラ
１２：第２カプラ
１２Ａ：第２カプラとして用いた方向性結合器
１３：第３カプラ
１４：第４カプラ
２１：第１経路
２２：第２経路
２３：第３経路
２４：第４経路
３１：第１入力ポート
３２：第２入力ポート
４１〜４４：出力ポート
５１：第1入力導波路
５２：第２入力導波路
６１〜６４：出力導波路
Ａ〜Ｄ：位相トリミング用のヒータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
PLCチップの平面光波回路内に、変調された信号光と局所発振光を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドであって、
前記９０度ハイブリッド回路は、
前記信号光および局所発振光をそれぞれ分岐する第1および第２カプラと、
前記第1カプラで分岐された前記信号光がそれぞれ伝搬する第1経路および第２経路と、
前記第２カプラで分岐された前記局所発振光がそれぞれ伝搬する第３経路および第４経路と、
前記第1経路を伝搬した信号光と前記第３経路を伝搬した局所発振光とを合波する第３カプラと、
前記第２経路を伝搬した信号光と前記第４経路を伝搬した局所発振光とを合波する第４カプラと、を備え、
前記第３経路と第４経路を伝搬する前記局所発振光の間に９０度の位相差が付与されるように構成され、かつ、
前記第２カプラ、前記第３経路および前記第４経路が、前記第1経路と第２経路の間に形成されていることを特徴とする光９０度ハイブリッド。
【請求項２】
前記第1経路と前記第２経路、および前記第3経路と前記第4経路は、前記PLCチップ左右の入力端および出力端の各中心部を結ぶ仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されてい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。
【請求項３】
前記入力端の中央部に前記信号光および前記局所発振光がそれぞれ入力される第１および第２入力ポートが設けられ、
前記出力端の中央部に第１乃至第４出力ポートがそれぞれ設けられてい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。
【請求項４】
前記第1入力ポートと前記第1カプラとの間には、前記仮想中心線に沿ったPLCチップの上下方向における中央部で延びる信号光用の第1入力導波路が形成され、
前記第２入力ポートと前記第２カプラとの間には、前記第１経路と第２経路のいずれか一方と交差する局所発振光用の第２入力導波路が形成され、
前記第3カプラの二つの出力ポートと前記第１および第２出力ポートとを接続する第１および第２出力導波路と、前記第４カプラの二つの出力ポートと前記第３および第４出力ポートとを接続する第３および第４出力導波路とが前記仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項５】
前記第３経路および前記第４経路は、曲げ導波路と直線導波路をそれぞれ有し、前記曲げ導波路の回転角や前記直線導波路の長さを調整して、前記第３経路と第４経路の光路差が位相換算で９０度となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項６】
前記第1乃至第４経路には位相トリミング用のヒータがそれぞれ配置されており、
前記位相トリミング用のヒータのうち、前記第３経路に配置されたヒータと前記第４経路に配置されたヒータのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことで前記第３経路および前記第４経路の各光路長を調整可能であることを特徴とする請求項５に記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項７】
前記第２カプラとして方向性結合器を用いたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項８】
前記方向性結合器は低波長特性型方向性結合器であることを特徴とする請求項７に記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項９】
前記PLCチップの平面光波回路内に、前記９０度ハイブリッド回路が二つ形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項１】
PLCチップの平面光波回路内に、変調された信号光と局所発振光を混合して信号光を直交成分Ｉ、Ｑに分離して出力する９０度ハイブリッド回路が形成された光９０度ハイブリッドであって、
前記９０度ハイブリッド回路は、
前記信号光および局所発振光をそれぞれ分岐する第1および第２カプラと、
前記第1カプラで分岐された前記信号光がそれぞれ伝搬する第1経路および第２経路と、
前記第２カプラで分岐された前記局所発振光がそれぞれ伝搬する第３経路および第４経路と、
前記第1経路を伝搬した信号光と前記第３経路を伝搬した局所発振光とを合波する第３カプラと、
前記第２経路を伝搬した信号光と前記第４経路を伝搬した局所発振光とを合波する第４カプラと、を備え、
前記第３経路と第４経路を伝搬する前記局所発振光の間に９０度の位相差が付与されるように構成され、かつ、
前記第２カプラ、前記第３経路および前記第４経路が、前記第1経路と第２経路の間に形成されていることを特徴とする光９０度ハイブリッド。
【請求項２】
前記第1経路と前記第２経路、および前記第3経路と前記第4経路は、前記PLCチップ左右の入力端および出力端の各中心部を結ぶ仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されてい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。
【請求項３】
前記入力端の中央部に前記信号光および前記局所発振光がそれぞれ入力される第１および第２入力ポートが設けられ、
前記出力端の中央部に第１乃至第４出力ポートがそれぞれ設けられてい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。
【請求項４】
前記第1入力ポートと前記第1カプラとの間には、前記仮想中心線に沿ったPLCチップの上下方向における中央部で延びる信号光用の第1入力導波路が形成され、
前記第２入力ポートと前記第２カプラとの間には、前記第１経路と第２経路のいずれか一方と交差する局所発振光用の第２入力導波路が形成され、
前記第3カプラの二つの出力ポートと前記第１および第２出力ポートとを接続する第１および第２出力導波路と、前記第４カプラの二つの出力ポートと前記第３および第４出力ポートとを接続する第３および第４出力導波路とが前記仮想中心線に関してそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項５】
前記第３経路および前記第４経路は、曲げ導波路と直線導波路をそれぞれ有し、前記曲げ導波路の回転角や前記直線導波路の長さを調整して、前記第３経路と第４経路の光路差が位相換算で９０度となるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項６】
前記第1乃至第４経路には位相トリミング用のヒータがそれぞれ配置されており、
前記位相トリミング用のヒータのうち、前記第３経路に配置されたヒータと前記第４経路に配置されたヒータのいずれか一方を駆動して位相トリミングを行うことで前記第３経路および前記第４経路の各光路長を調整可能であることを特徴とする請求項５に記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項７】
前記第２カプラとして方向性結合器を用いたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項８】
前記方向性結合器は低波長特性型方向性結合器であることを特徴とする請求項７に記載の光９０度ハイブリッド。
【請求項９】
前記PLCチップの平面光波回路内に、前記９０度ハイブリッド回路が二つ形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の光９０度ハイブリッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２５７５１３（Ｐ２０１１−２５７５１３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３０６９１（Ｐ２０１０−１３０６９１）
【出願日】平成２２年６月８日（２０１０．６．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月８日（２０１０．６．８）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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