特許 6681491 光ハイブリッド回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6681491

(24)【登録日】2020年3月25日

(45)【発行日】2020年4月15日

(54)【発明の名称】光ハイブリッド回路

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/126 20060101AFI20200406BHJP

【ＦＩ】

   G02B6/126

【請求項の数】6

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2019-50237(P2019-50237)

(22)【出願日】2019年3月18日

【審査請求日】2019年3月18日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成３０年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】000000295

【氏名又は名称】沖電気工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】513065077

【氏名又は名称】技術研究組合光電子融合基盤技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100141955

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100085419

【弁理士】

【氏名又は名称】大垣 孝

(72)【発明者】

【氏名】岡山 秀彰

【審査官】 山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１８２２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１９４３４９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０１８８９１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０８３４５０６４（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０９２７５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 MIZUNO, T. et al.，Ultra-Compact and Low-Loss Silica-Based Dual Polarization Optical Hybrid for Digital Coherent Receiver with Excellent Common-Mode Rejection Ratio，2013 Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC)，２０１３年，pp.1-3

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

Ｇ０２Ｆ ２／００

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光導波路コアと、
前記光導波路コアを包含するクラッドと
を備え、
前記光導波路コアは、
第１入力導波路部及び第２入力導波路部と、
一端側にこの順に並列に配置された第１〜第４入力部と、他端側にこの順に並列に配置された第１〜第４出力部を備え、第１入力部と第１出力部とが互いに対向し、第２入力部と第２出力部とが互いに対向し、第３入力部と第３出力部とが互いに対向し、第４入力部と第４出力部とが互いに対向する４×４カプラと、
第１出力導波路部、第２出力導波路部、第３出力導波路部及び第４出力導波路部と
を含み、
前記第１入力導波路部は、前記４×４カプラの第１入力部に接続され、
前記第２入力導波路部は、前記４×４カプラの第３入力部に接続され、
前記４×４カプラの第１出力部は、前記第１出力導波路部に接続され、
前記４×４カプラの第２出力部は、前記第２出力導波路部に接続され、
前記４×４カプラの第３出力部は、前記第３出力導波路部に接続され、
前記４×４カプラの第４出力部は、前記第４出力導波路部に接続され、
基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を含む第１の光が、前記第１入力導波路部に入力され、
基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を含む第２の光が、前記第２入力導波路部に入力され、
前記第１入力導波路部は、入力された基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＥ偏波のまま出力し、かつ入力された基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力し、
前記第２入力導波路部は、入力された基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＥ偏波のまま出力し、かつ入力された基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力し、
前記４×４カプラは、多モード干渉カプラとして構成されており、第１入力部に入力される光と第３入力部に入力される光との干渉光を、第１出力部及び第４出力部から出力し、かつ第１入力部に入力される光と、第３入力部に入力される光に対しπ／２の位相差関係を与えた光との干渉光を、第２出力部及び第３出力部から出力し、
前記第１出力導波路部には、前記４×４カプラの第１出力部から出力される光が入力され、
前記第２出力導波路部には、前記４×４カプラの第２出力部から出力される光が入力され、
前記第３出力導波路部には、前記４×４カプラの第３出力部から出力される光が入力され、
前記第４出力導波路部には、前記４×４カプラの第４出力部から出力される光が入力される
ことを特徴とする光ハイブリッド回路。

【請求項2】

前記クラッドは、少なくとも前記光導波路コアの側面を被覆する部分において、前記光導波路コアの下面を被覆する部分よりも屈折率の低い材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光ハイブリッド回路。

【請求項3】

前記４×４カプラの幅をＷ、並びに前記第１入力導波路部の、前記４×４カプラとの接続端及び前記第２入力導波路部の、前記４×４カプラとの接続端の幅をＷ_１として、第ｋ_１入力部（ｋ_１は１又は３）に接続される前記第１入力導波路部又は前記第２入力導波路部は、前記４×４カプラの、長さ方向に沿った側面のうち、前記第１入力部側の側面から、α＋（ｋ_１−１）Ｗ／４（ただし、（Ｗ／８−Ｗ_１／２）≦α≦Ｗ／４かつα≠Ｗ／８）の位置に、前記第１入力導波路部の接続端又は前記第２入力導波路部の接続端の中心を合わせて形成され、
前記第１〜第４出力導波路部の、前記４×４カプラとの各接続端の幅をＷ_２として、第ｋ_２出力部（ｋ_２は１、２、３又は４）に接続される前記第１〜第４出力導波路部は、前記４×４カプラの、長さ方向に沿った側面のうち、前記第１入力部側の側面から、β＋（ｋ_２−１）Ｗ／４（ただし、（Ｗ／８−Ｗ_２／２）≦β≦（Ｗ／４−Ｗ_２／２）かつβ≠Ｗ／８）の位置に、前記第１〜第４出力導波路部の各接続端の中心を合わせて形成され、
前記αと前記βとは等しい
ことを特徴とする請求項１に記載の光ハイブリッド回路。

【請求項4】

前記第１入力導波路部及び前記第２入力導波路部は、それぞれ偏波変換部を含み、
前記偏波変換部は、前記４×４カプラに向かって、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してシングルモード条件を達成する幅から、１次モードまでのＴＥ偏波が伝播可能な幅まで、連続的に幅が変化する形状で形成されており、
前記偏波変換部では、光の電磁界分布が、厚さ方向において偏芯している
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ハイブリッド回路。

【請求項5】

前記４×４カプラの長さＬは、前記４×４カプラの幅をＷ、等価屈折率をｎ、及び波長をλとして、Ｌ＝ｎＷ^２／λで設計される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ハイブリッド回路。

【請求項6】

前記光導波路コアが、シリコンを材料として形成されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光ハイブリッド回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、例えば、光コヒーレント検波を行う装置に用いて好適な、光ハイブリッド回路に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、小型化と量産性に優れることから、シリコン系素材を導波路材料として用いるシリコン（Ｓｉ）導波路が注目されている。Ｓｉ導波路では、実質的に光の伝送路となる光導波路コアを、Ｓｉを材料として形成する。そして、Ｓｉよりも屈折率の低い例えばシリカ等を材料としたクラッドで、光導波路コアの周囲を覆う。このような構成により、光導波路コアとクラッドとの屈折率差が極めて大きくなるため、光導波路コア内に光を強く閉じ込めることができる。その結果、曲げ半径を例えば１μｍ程度まで小さくした、小型の曲線導波路を実現することができる。そのため、電子回路と同程度の大きさの光回路を作成することが可能であり、光デバイス全体の小型化に有利である。

【0003】

また、Ｓｉ導波路では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の半導体装置の製造過程を流用することが可能である。そのため、チップ上に電子機能回路と光機能回路とを一括形成する光電融合（シリコンフォトニクス）の実現が期待されている。

【0004】

このＳｉ導波路を光コヒーレント検波に用いる際に有用な回路が光ハイブリッド回路である。図１１を参照して、光ハイブリッド回路の従来例を説明する。図１１は、光ハイブリッド回路の従来例を説明する模式図である。

【0005】

光ハイブリッド回路は、第１及び第２の入力分岐素子４０２及び４０４と、それぞれ長手方向に延在する第１〜第４の光導波路４１２、４１４、４１６及び４１８と、位相回転素子４２０と、第１及び第２の方向性結合器４３２及び４３４とを備えて構成される。第１の入力分岐素子４０２に、第１及び第２の光導波路４１２及び４１４が接続されており、第２の入力分岐素子４０４に、第３及び第４の光導波路４１６及び４１８が接続されている。第２の光導波路４１４と第３の光導波路４１６とは交差し、第１及び第３の光導波路４１２及び４１６が第１の方向性結合器４３２に接続され、第２及び第４の光導波路４１４及び４１８が第２の方向性結合器４３４に接続されている。また、第４の光導波路４１８には、位相回転素子４２０が設けられている。位相回転素子４２０は、第４の光導波路４１８を伝播する光に９０度（π／２）の位相回転を施す。

【0006】

この光ハイブリッド回路には、これまで多くの改良が加えられている。先ず、構成要素を少なくするために、２×４型の多モード干渉（ＭＭＩ：Ｍｕｌｉ−Ｍｏｄｅ−Ｉｎｔｅｆｅｒｅｎｃｅ）カプラを使用することが考えられた（例えば、特許文献１参照）。

【0007】

この特許文献１に開示されている光ハイブリッド回路は、１つのＭＭＩカプラで実現される。

【0008】

しかも、入力分岐素子と方向性結合器の間をつなぎ、９０度の位相回転を発生させるためのシングルモード導波路が存在しない。このため、シングルモード導波路で生じがちな位相誤差を回避できる。

【0009】

しかし、必要な位相関係を得るためには、４本の光導波路のうち３本を交差配置する必要がある。光導波路の交差には、ある程度の角度の保持が必要になるなど、回路の小型化が難しかったり、設計が面倒であったりする。

【0010】

この特許文献１の課題を解決するために、２×４ＭＭＩカプラの４つの出力ポートのうち、２つの出力ポートに２×２ＭＭＩカプラを接続し、さらに、ＭＭＩカプラとして幅テーパＭＭＩカプラを用いる技術がある（例えば、特許文献２参照）。

【0011】

また、９０度の位相回転をシングルモード導波路で生じさせるのではなく、入力分岐素子として１×２ＭＭＩカプラと２×２ＭＭＩカプラを使用する技術がある（例えば、特許文献３参照）。特許文献３の光ハイブリッド回路では、位相回転をシングルモード導波路で生じさせないことから、幅誤差に強くなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１２−５１８２０２号公報

【特許文献2】特許第５２８７５２７号公報

【特許文献3】特開２０１１−５２０７９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上述した従来の各光ハイブリッド回路は、互いに直交する２つの偏波（すなわちＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）偏波及びＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）偏波）の一方に対して最適化されて構成される。従って、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む信号光に対してコヒーレント検波を行う場合には、まず、信号光をＴＥ偏波とＴＭ偏波とに分離し、その後、各偏波に最適化して構成された光ハイブリッド回路を用いて、各偏波に対してそれぞれコヒーレント検波を行う。このため、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波を含む信号光に対してコヒーレント検波を行う場合には、ＴＥ偏波に最適化された光ハイブリッド回路及びＴＭ偏波に最適化された光ハイブリッド回路をそれぞれ用意する必要があった。従って、従来の光ハイブリッド回路では、コストの低減及び回路の小型化の観点で不利であった。

【0014】

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、１つの回路においてＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対して動作可能な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】

【0015】

上述した目的を達成するために、この発明の光ハイブリッド回路は、光導波路コアと、光導波路コアを包含するクラッドとを備える。光導波路コアは、第１入力導波路部及び第２入力導波路部と、一端側にこの順に並列に配置された第１〜第４入力部と、他端側にこの順に並列に配置された第１〜第４出力部を備え、第１入力部と第１出力部とが互いに対向し、第２入力部と第２出力部とが互いに対向し、第３入力部と第３出力部とが互いに対向し、第４入力部と第４出力部とが互いに対向する４×４カプラと、第１出力導波路部、第２出力導波路部、第３出力導波路部及び第４出力導波路部とを含む。

【0016】

第１入力導波路部は、４×４カプラの第１入力部に接続される。第２入力導波路部は、４×４カプラの第３入力部に接続される。４×４カプラの第１出力部は、第１出力導波路部に接続される。４×４カプラの第２出力部は、第２出力導波路部に接続される。４×４カプラの第３出力部は、第３出力導波路部に接続される。４×４カプラの第４出力部は、第４出力導波路部に接続される。

【0017】

この発明の光ハイブリッド回路では、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を含む第１の光が、第１入力導波路部に入力される。また、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を含む第２の光が、第２入力導波路部に入力される。第１入力導波路部は、入力された基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＥ偏波のまま出力し、かつ入力された基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力する。第２入力導波路部は、入力された基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＥ偏波のまま出力し、かつ入力された基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力する。４×４カプラは、多モード干渉カプラとして構成されており、第１入力部に入力される光と第３入力部に入力される光との干渉光を、第１出力部及び第４出力部から出力し、かつ第１入力部に入力される光と、第３入力部に入力される光に対しπ／２の位相差関係を与えた光との干渉光を、第２出力部及び第３出力部から出力する。第１出力導波路部には、４×４カプラの第１出力部から出力される光が入力される。第２出力導波路部には、４×４カプラの第２出力部から出力される光が入力される。第３出力導波路部には、４×４カプラの第３出力部から出力される光が入力される。第４出力導波路部には、４×４カプラの第４出力部から出力される光が入力される。

【発明の効果】

【0018】

この発明の光ハイブリッド回路では、第１入力導波路部及び第２入力導波路部において、基本モードのＴＭ偏波が１次モードのＴＥ偏波に変換される。この結果、４×４カプラの第１入力部及び第３入力部に入力される光が、ＴＥ偏波に揃えられる。従って、この発明の光ハイブリッド回路では、図１１を参照して説明した従来の光ハイブリッド回路と等価な機能を有しつつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対して動作可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の光ハイブリッド回路を示す概略的平面図である。

【図2】第１の光ハイブリッド回路を示す概略的端面図である。

【図3】第１の光ハイブリッド回路を示す概略的端面図である。

【図4】第１の光ハイブリッド回路における、各出力導波路からの出力と位相差の関係を示す図である。

【図5】第２の光ハイブリッド回路を示す概略的平面図である。

【図6】第２の光ハイブリッド回路を示す概略的端面図である。

【図7】第２の光ハイブリッド回路における、各出力導波路からの出力と位相差の関係を示す図である。

【図8】他の構成例による回路における、各出力導波路からの出力と位相差の関係を示す図である。

【図9】第２の光ハイブリッド回路における、入力導波路部及び出力導波路部と４×４カプラとのずれ量と、出力導波路部からの出力のばらつきとの関係を示す図である。

【図10】第１の光ハイブリッド回路又は第２の光ハイブリッド回路とバランスＰＤとの接続を示す概略的平面図である。

【図11】光ハイブリッド回路の従来例を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

【0021】

(第１の光ハイブリッド回路)
図１〜図３を参照して、この発明の第１実施形態に係る光ハイブリッド回路（以下、第１の光ハイブリッド回路とも称する）を説明する。図１及び図２は、第１の光ハイブリッド回路を説明するための模式図である。図１は、第１の光ハイブリッド回路を示す概略平面図である。なお、図１では、光導波路コアのみを示してあり、後述する支持基板及びクラッドを省略して示してある。また、図２は、図１に示す構造体をＩ−Ｉ線で切り取った概略的端面図である。また、図３は、図１に示す構造体をＩＩ−ＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図２及び図３では、ハッチングを省略してある。

【0022】

なお、以下の説明では、各構成要素について、光伝播方向に沿った方向を長さ方向とする。また、支持基板の厚さに沿った方向を厚さ方向とする。また、長さ方向及び厚さ方向に直交する方向を幅方向とする。

【0023】

第１の光ハイブリッド回路１００は、支持基板１０とクラッド２０と光導波路コア３０とを備えて構成されている。

【0024】

支持基板１０は、例えば単結晶Ｓｉを材料とした平板状体で構成されている。

【0025】

クラッド２０は、支持基板１０上に設けられている。クラッド２０は、支持基板１０の上面を被覆し、かつ、光導波路コア３０を包含して形成されている。クラッド２０は、光導波路コア３０の下面を被覆する下部クラッド２１と、光導波路コア３０の側面及び上面を被覆する上部クラッド２２とを含んでいる。

【0026】

下部クラッド２１は、光導波路コア３０よりも屈折率の低い例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。上部クラッド２２は、下部クラッド２１よりも屈折率の低い材料で形成される。ここでは、上部クラッド２２は空気である。この結果、光導波路コア３０を伝播する光に対し、幅方向からの閉じ込め効果が、厚さ方向の閉じ込め効果よりも大きくなる。なお、ここでは、上部クラッド２２全体を空気としているが、上部クラッド２２のうち、少なくとも光導波路コア３０の側面を被覆する部分を、下部クラッド２１よりも屈折率の低い材料（ここでは空気）とすればよい。

【0027】

光導波路コア３０は、クラッド２０よりも高い屈折率を有する例えばシリコン（Ｓｉ）を材料として形成されている。その結果、光導波路コア３０は、光の伝送路として機能し、光導波路コア３０に入力された光は、光導波路コア３０の平面形状に応じた伝播方向に伝播する。

【0028】

ここで、光導波路コア３０を伝播する光が支持基板１０へ逃げるのを防止するために、光導波路コア３０は、支持基板１０から少なくとも１μｍ以上離間して形成されているのが好ましい。

【0029】

光導波路コア３０の厚さは、厚さ方向でシングルモード条件を達成できる厚さ、例えば２００〜５００ｎｍの範囲内の厚さであることが望ましい。例えば、当該第１の光ハイブリッド回路１００を１５５０ｎｍの波長帯域で用いる場合は、光導波路コア３０の厚さを２０ｎｍとすることができる。

【0030】

光導波路コア３０は、第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０と、４×４カプラ４０と、第１出力導波路部２１０、第２出力導波路部２２０、第３出力導波路部２３０及び第４出力導波路部２４０とを含んでいる。第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０は、互いに並列に配置されている。また、第１出力導波路部２１０、第２出力導波路部２２０、第３出力導波路部２３０及び第４出力導波路部２４０は、互いに並列に配置されている。

【0031】

４×４カプラ４０は、光導波路コア３０の平面形状に応じた、所謂多モード干渉（ＭＭＩ）カプラとして構成される。

【0032】

４×４カプラ４０は、一端４０ａ側にこの順に並列に配置された第１〜第４入力部４１ａ〜４１ｄと、他端４０ｂ側にこの順に並列に配置された第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄを含んで構成される。

【0033】

４×４カプラ４０の一端４０ａにおいて、第１〜第４入力部４１ａ〜４１ｄの各幅は、それぞれ均等に割り振られている。従って、４×４カプラ４０の一端４０ａにおける第１〜第４入力部４１ａ〜４１ｄの各幅は、４×４カプラ４０の幅を４等分した幅にそれぞれ相当する。同様に、４×４カプラ４０の他端４０ｂにおいて、第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの各幅は、それぞれ均等に割り振られている。従って、４×４カプラ４０の他端４０ｂにおける第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの各幅は、４×４カプラ４０の幅を４等分した幅にそれぞれ相当する。

【0034】

４×４カプラ４０では、第１入力部４１ａと第１出力部４２ａとが互いに対向し、第２入力部４１ｂと第２出力部４２ｂとが互いに対向し、第３入力部４１ｃと第３出力部４２ｃとが互いに対向し、第４入力部４１ｄと第４出力部４２ｄとが互いに対向している。

【0035】

ＭＭＩカプラの長さＬは、幅をＷ、等価屈折率をｎ、及び波長をλとして、下式（１）で表すことができる。

【0036】

Ｌ＝４ｎＷ^２／（Ｎλ） ・・・（１）
上式（１）において、Ｎは、像形成のパラメータである。ＭＭＩカプラにおいて、入力光を４等分する場合にはＮ＝４である。４×４カプラ４０の幅をＷとして、上式（１）より、４×４カプラ４０の長さＬは、Ｌ＝ｎＷ^２／λとなる。

【0037】

４×４カプラ４０は、第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃに入力される光をミキシングして、第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄから出力する。４×４カプラ４０は、第１入力部４１ａに入力される第１の光と第３入力部４１ｃに入力される第２の光との干渉光を、第１出力部４２ａ及び第４出力部４２ｄから出力する。また、４×４カプラ４０は、第１入力部４１ａに入力される第１の光と、第３入力部４１ｃに入力される第２の光に対し９０度（π／２）の位相差関係を与えた光との干渉光を、第２出力部４２ｂ及び第３出力部４２ｃから出力する。

【0038】

第１入力導波路部１１０は、この順に直列に接続された入力ポート部１１１、偏波変換部１１２、接続部１１３及び入力テーパ部１１４を備えて構成される。

【0039】

また、第１入力導波路部１１０は、少なくとも偏波変換部１１２を含む部分において、スラブ導波路部３１を備えるリブ構造となっている。図１に示す構成例では、入力ポート部１１１の中途から接続部１１３の中途に渡って、スラブ導波路部３１が形成されている。スラブ導波路部３１は、第１入力導波路部１１０を構成する光導波路コア３０よりも小さい厚さで、かつ光導波路コア３０の光伝播方向に沿った両側面に、それぞれ光導波路コア３０と一体的に形成されている。

【0040】

入力ポート部１１１は、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。従って、入力ポート部１１１は、それぞれ基本モードのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を伝播させる。

【0041】

偏波変換部１１２は、入力ポート部１１１と接続された一端１１２ａから接続部１１３と接続された他端１１２ｂに向かって、連続的に幅が変化する（ここでは拡大する）テーパ形状で形成されている。

【0042】

偏波変換部１１２の一端１１２ａは、入力ポート部１１１と共通の幅で形成されている。従って、偏波変換部１１２の一端１１２ａは、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波に対してシングルモード条件を達成する幅に設定されている。偏波変換部１１２の他端１１２ｂは、１次モードまでのＴＥ偏波が伝播可能な幅に設定されている。そして、偏波変換部１１２は、一端１１２ａから他端１１２ｂまでの間に、基本モードのＴＭ偏波に対する等価屈折率と、１次モードのＴＥ偏波に対する等価屈折率とが一致する幅を含んでいる。

【0043】

接続部１１３は、偏波変換部１１２の他端１１２ｂと共通の幅の直線導波路として構成されている。

【0044】

入力テーパ部１１４は、一端側で接続部１１３と、また、他端側で４×４カプラ４０の第１入力部４１ａと、それぞれ接続されている。入力テーパ部１１４は、一端から他端に向かって、連続的に幅が変化する（ここでは縮小する）テーパ形状で形成されている。

【0045】

スラブ導波路部３１は、入力ポート部１１１の両側面に形成された部分において、偏波変換部１１２から入力ポート部１１１へ向かうにつれて、連続的に幅が縮小するように形成されている。スラブ導波路部３１は、入力ポート部１１１の中途において幅が０となる。また、スラブ導波路部３１は、偏波変換部１１２の両側面に形成された部分において、偏波変換部１１２に沿って形成されている。さらに、スラブ導波路部３１は、接続部１１３の両側面に形成された部分において、偏波変換部１１２から接続部１１３へ向かうにつれて、連続的に幅が縮小するように形成されている。スラブ導波路部３１は、接続部１１３の中途において幅が０となる。

【0046】

このように、スラブ導波路部３１の幅を変化させ、入力ポート部１１１の中途及び接続部１１３の中途においてスラブ導波路部３１の幅を０とすることによって、第１入力導波路部１１０を伝播する光に対し、スラブ導波路部３１を形成する部分とスラブ導波路部３１を非形成とする部分とにおける損失が低減される。

【0047】

第１入力導波路部１１０では、スラブ導波路部３１が形成された部分において、伝播する光の厚さ方向の電磁界分布が、コア中心に対して対称でなくなる。すなわち、光の電磁界分布が、厚さ方向において偏芯する。

【0048】

なお、第１入力導波路部１１０では、光の電磁界分布を、厚さ方向において偏芯させる構成として、スラブ導波路部３１を設ける構成とは別の構成を用いることもできる。例えば、光導波路コア３０の長さ方向に直交する断面形状を、上底と下底とで異なる幅を有する台形状とすることでも、光の電磁界分布を、厚さ方向において偏芯させることができる。

【0049】

このように設計された第１入力導波路部１１０では、入力ポート部１１１から入力テーパ部１１４へ向かう基本モードのＴＭ偏波が、偏波変換部１１２において、１次モードのＴＥ偏波に変換される。一方、入力ポート部１１１から入力テーパ部１１４へ向かう基本モードのＴＥ偏波は、モード変換及び偏波変換されずに、基本モードのＴＥ偏波のまま伝播する。

【0050】

第２入力導波路部１２０は、この順に直列に接続された入力ポート部１２１、偏波変換部１２２、接続部１２３及び入力テーパ部１２４を備えて構成される。また、第２入力導波路部１２０は、少なくとも偏波変換部１２２を含む部分において、スラブ導波路部３２を備えるリブ構造となっている。図１に示す構成例では、入力ポート部１２１の中途から接続部１２３の中途に渡って、スラブ導波路部３２が形成されている。

【0051】

第２入力導波路部１２０の入力テーパ部１２４は、４×４カプラ４０の第３入力部４１ｃと接続されている。

【0052】

第２入力導波路部１２０の入力ポート部１２１、偏波変換部１２２、接続部１２３及び入力テーパ部１２４、並びにスラブ導波路部３２は、第１入力導波路部１１０の入力ポート部１１１、偏波変換部１１２、接続部１１３及び入力テーパ部１１４、並びにスラブ導波路部３１と共通の設計で形成することができる。

【0053】

ここで、第１入力導波路部１１０の入力テーパ部１１４の４×４カプラ４０側の端（すなわち、第１入力導波路部１１０の、４×４カプラ４０との接続端１１０ａ）と、第１入力部４１ａとは、幅方向における中心を一致させて接続されている。同様に、第２入力導波路部１２０の入力テーパ部１２４の４×４カプラ４０側の端（すなわち、第２入力導波路部１２０の、４×４カプラ４０との接続端１２０ａ）と第３入力部４１ｃとは、幅方向における中心を一致させて接続されている。従って、４×４カプラ４０の幅をＷとして、
第ｋ_１入力部４１（ｋ_１は１又は３）に接続される入力導波路部１１０又は１２０は、４×４カプラ４０の長さ方向（すなわち、ここでは入力部４１ａ〜４１ｄから出力部４２ａ〜４２ｄに向かう方向）に沿った一方の側面（第１入力部４１ａ側の側面４０ｃ）から、Ｗ／８＋（ｋ_１−１）Ｗ／４の位置に、第１入力導波路部１１０の接続端１１０ａ又は第２入力導波路部１２０の接続端１２０ａの中心を合わせて形成される。

【0054】

第１出力導波路部２１０、第２出力導波路部２２０、第３出力導波路部２３０及び第４出力導波路部２４０は、それぞれ４×４カプラ４０と接続された一端から、この一端と対向する他端に向かって、連続的に幅が変化する（ここでは縮小する）テーパ形状で形成されている。これら各出力導波路部２１０〜２４０は、共通の設計で形成することができる。

【0055】

４×４カプラ４０の第１出力部４２ａは、第１出力導波路部２１０に接続されている。４×４カプラ４０の第２出力部４２ｂは、第２出力導波路部２２０に接続されている。４×４カプラ４０の第３出力部４２ｃは、第３出力導波路部２３０に接続されている。４×４カプラ４０の第４出力部４２ｄは、第４出力導波路部２４０に接続されている。

【0056】

ここで、各出力導波路部２１０〜２４０の４×４カプラ４０側の端（すなわち、各出力導波路部２１０〜２４０の、４×４カプラ４０との接続端２１０ａ〜２４０ａ）と、各出力部４２ａ〜４２ｄとは、幅方向における中心を一致させて接続されている。従って、４×４カプラ４０の幅をＷとして、第ｋ_２出力部４２（ｋ_２は１、２、３又は４）に接続される出力導波路部２１０、２２０、２３０又は２４０は、４×４カプラ４０の長さ方向に沿った一方の側面（第１入力部４１ａ側の側面４０ｃ）から、Ｗ／８＋（ｋ_２−１）Ｗ／４の位置に、接続端２１０ａ、２２０ａ、２３０ａ又は２４０ａの中心を合わせて形成される。

【0057】

第１の光ハイブリッド回路１００をコヒーレント検波に用いる場合、第１入力導波路部１１０には、第１の光として信号光が入力される。信号光には、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が含まれる。信号光は、入力ポート部１１１を経て偏波変換部１１２に送られる。信号光に含まれる基本モードのＴＭ偏波は、偏波変換部１１２において１次モードのＴＥ偏波に変換されて、接続部１１３に送られる。信号光に含まれる基本モードのＴＥ偏波は、偏波変換部１１２においてモード変換及び偏波変換されずに、基本モードのＴＥ偏波のまま接続部１１３に送られる。基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を含む信号光は、接続部１１３及び入力テーパ部１１４を順次に経て、４×４カプラ４０の第１入力部４１ａに送られる。

【0058】

また、第２入力導波路部１２０には、第２の光として局発光が入力される。信号光と同様に、局発光には、基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波が含まれる。局発光は、入力ポート部１２１を経て偏波変換部１２２に送られる。局発光に含まれる基本モードのＴＭ偏波は、偏波変換部１２２において１次モードのＴＥ偏波に変換されて、接続部１２３に送られる。局発光に含まれる基本モードのＴＥ偏波は、偏波変換部１２２においてモード変換及び偏波変換されずに、基本モードのＴＥ偏波のまま接続部１２３に送られる。基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を含む局発光は、接続部１２３及び入力テーパ部１２４を順次に経て、４×４カプラ４０の第３入力部４１ｃに送られる。

【0059】

４×４カプラ４０に送られた信号光と局発光とは、４×４カプラ４０においてミキシングされる。そして、これら信号光及び局発光の干渉光が第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄからそれぞれ出力される。なお、第２出力部４２ｂ及び第３出力部４２ｃからは、信号光と、９０度（π／２）の位相差関係を与えられた局発光との干渉光が出力される。第１出力部４２ａ及び第４出力部４２ｄからは、信号光と、位相差関係を与えられない局発光との干渉光が出力される（JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.28, NO.9, MAY 1, 2010 pp.1323-1331参照）。

【0060】

４×４カプラ４０の各入力部４１ａ〜４１ｄに入力される光に対する、各出力部４２ａ〜４２ｄから出力される光の位相差φ（ｘ、ｙ）は、共通する位相分を除いて、下式（２）及び（３）で表される。ここで、Ｎ＝４である。また、ψ_０は、入力光の位相を示す。また、ｘは第１〜第４入力部４１ａ〜４１ｄの番号を示し、ｙは第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの番号を示す。従って、ここでは、ｘは１〜４の整数であり、ｙは１〜４の整数である。そして、第ｘ入力部４１から入力される光に対する、第ｙ出力部４２から出力される光の位相差について、ｘ＋ｙが偶数の場合は下式（２）で表され、ｘ＋ｙが奇数の場合は下式（３）で表される。

【0061】

φ（ｘ、ｙ）＝π＋φ_{Ｎ−（ｙ−ｘ）／２}＝ψ_０＋π＋｛π（ｙ−ｘ）（２Ｎ−ｙ＋ｘ）｝／４Ｎ ・・・（２）
φ（ｘ、ｙ）＝π＋φ_{Ｎ−（ｙ＋ｘ−１）／２}＝ψ_０＋｛π（ｙ＋ｘ−１）（２Ｎ−ｙ−ｘ＋１）｝／４Ｎ ・・・（３）
また、第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃに入力される光を干渉させた場合の、第ｙ出力部からの出力パワーＰ（ｙ）は、下式（４）で表される。

【0062】

Ｐ（ｙ）＝［Ｐ_１^１／２ｅｘｐ｛ｉφ（１，ｙ）｝＋Ｐ_３^１／２ｅｘｐ｛ｉφ（３，ｙ）＋ｉφ_０｝］［Ｐ_１^１／２ｅｘｐ｛−ｉφ（１，ｙ）｝＋Ｐ_３^１／２ｅｘｐ｛−ｉφ（３，ｙ）−ｉφ_０｝］／４＝［Ｐ_１＋Ｐ_３＋２（Ｐ_１Ｐ_３）^１／２ｃｏｓ｛ｉφ（１，ｙ）−ｉφ（３，ｙ）−ｉφ_０｝］／４ ・・・（４）
ここで、φ_０は、第１入力部４１ａに入力される光と第３入力部４１ｃに入力される光との位相差を、Ｐ_１は、第１入力部４１ａに入力される光の入力パワーを、Ｐ_３は、第３入力部４１ｃに入力される光の入力パワーを、それぞれ示す。

【0063】

上式（４）から、上式（４）のｃｏｓ中の、第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの出力パワーＰ（ｙ）の位相は、それぞれ０＋φ_００、π／２＋φ_００、３π／２＋φ_００及びπ＋φ_００となる。ここで、φ_０＝−３π／４−φ_００としている。

【0064】

この結果、第１出力部４２ａからの出力光の位相に対して、第２出力部４２ｂからの出力光では＋π／２、第３出力部４２ｃからの出力光では＋３π／２、及び第４出力部４２ｄからの出力光では＋πの位相差の関係となる（Appl. Opt 33, pp.3905）。

【0065】

従って、第１出力部４２ａからの出力光と第４出力部４２ｄからの出力光との間にはπの位相差が生じる。また、第２出力部４２ｂからの出力光と第３出力部４２ｃからの出力光との間にはπの位相差が生じる。そして、第１出力部４２ａからの出力光と第２出力部４２ｂからの出力光との間にはπ／２の位相差が生じる。また、第３出力部４２ｃからの出力光と第４出力部４２ｄからの出力光との間にはπ／２の位相差が生じる。

【0066】

第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄから出力される光は、それぞれ対応する第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０に送られる。

【0067】

ここで、４×４カプラ４０に入力される信号光及び局発光には、それぞれ基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波が含まれる。従って、４×４カプラ４０では、基本モードのＴＥ偏波同士の干渉、１次モードのＴＥ偏波同士の干渉、及び基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波との干渉がそれぞれ生じ、各干渉光が第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄからそれぞれ出力される。

【0068】

これら干渉光のうち、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波との干渉光は、第１入力部４１ａへの入力及び第３入力部４１ｃへの入力の位相差にかかわらず、第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄから均等に４等分されて出力されることが、シミュレーションにより判明した。この結果、基本モードのＴＥ偏波と１次モードのＴＥ偏波との干渉光については、バランスフォトダイオード（バランスＰＤ）の作用によって相殺される。

【0069】

また、クラッド２０のうち、少なくとも光導波路コア３０の側面を被覆する部分を、下部クラッド２１よりも屈折率の低い材料（ここでは、上部クラッド２２を空気）とし、幅方向からの光閉じ込め効果を大きくすることによって、基本モードのＴＥ偏波同士の干渉光及び１次モードのＴＥ偏波同士の干渉光それぞれについて、４×４カプラ４０の第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄからの各出力にほとんどばらつきが生じないことがシミュレーションによって判明した。このシミュレーションについては詳細を後述する。

【0070】

従って、第１の光ハイブリッド回路１００では、図１１を参照して説明した従来の光ハイブリッド回路と等価な機能を有しつつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対して動作可能とする、すなわち偏波無依存とすることができる。

【0071】

（特性評価）
発明者は、３次元ビーム伝播法（ＢＰＭ：Ｂｅａｍ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて、第１の光ハイブリッド回路１００の特性を評価するシミュレーションを行った。

【0072】

このシミュレーションでは、第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０からそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を含む光を入力し、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０のそれぞれから出力される、基本モードのＴＥ偏波、及び基本モードのＴＭ偏波から変換された１次モードのＴＥ偏波の強度を取得した。また、このシミュレーションでは、光導波路コア３０はＳｉを材料として、下部クラッド２１はＳｉＯ_２を材料として、それぞれ構成した。また、上部クラッド２２は空気とした。光導波路コア３０は、全体的に厚さを２２０ｎｍとした。また、４×４カプラ４０について、幅を６．７９μｍ及び長さを７４．６μｍとした。また、第１入力導波路部１１０の入力テーパ部１１４の４×４カプラ４０との接続端及び第２入力導波路部１２０の入力テーパ部１２４の４×４カプラ４０との接続端、並びに各出力導波路部２１０〜２４０の４×４カプラ４０との接続端の幅を、それぞれ１．５μｍとした。第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０に入力する光は、波長１５５０ｎｍを想定した。

【0073】

シミュレーションの結果を図４に示す。図４は、第１の光ハイブリッド回路１００における、各出力導波路からの出力と位相差の関係を示す図である。図４では、横軸に位相差（度）を取って示し、縦軸に出力強度を取って示している。図４において、曲線４０１は、基本モードのＴＥ偏波の第１出力導波路部２１０からの出力強度を、曲線４０２は、基本モードのＴＥ偏波の第２出力導波路部２２０からの出力強度を、曲線４０３は、基本モードのＴＥ偏波の第３出力導波路部２３０からの出力強度を、曲線４０４は、基本モードのＴＥ偏波の第４出力導波路部２４０からの出力強度を、それぞれ示している。また、図４において、曲線４１１は、１次モードのＴＥ偏波の第１出力導波路部２１０からの出力強度を、曲線４１２は、１次モードのＴＥ偏波の第２出力導波路部２２０からの出力強度を、曲線４１３は、１次モードのＴＥ偏波の第３出力導波路部２３０からの出力強度を、曲線４１４は、１次モードのＴＥ偏波の第４出力導波路部２４０からの出力強度を、それぞれ示している。

【0074】

図４に示すように、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波ともに、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０からの出力光は、上述した所望の位相関係を示している。そして、各出力導波路部２１０〜２４０において、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波ともに出力の高低比が、０．６ｄＢ以内となった。この結果から、基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換することで、第１の光ハイブリッド回路１００では、偏波無依存に動作させられることが確認された。

【0075】

（第２の光ハイブリッド回路）
図５及び図６を参照して、この発明の第２実施形態に係る光ハイブリッド回路（以下、第２の光ハイブリッド回路とも称する）について説明する。図５は、第２の光ハイブリッド回路を示す概略的平面図である。なお、図５では、光導波路コアのみを示してあり、支持基板及びクラッドを省略している。また、図６は、図５に示す構造体をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切り取った概略的端面図である。なお、図６では、ハッチングを省略してある。第２の光ハイブリッド回路は、クラッドの構成、並びに入力導波路部及び出力導波路部と４×４カプラとの配置において、上述した第１の光ハイブリッド回路と相違する。第１の光ハイブリッド回路と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0076】

第２の光ハイブリッド回路２００では、下部クラッド２１及び上部クラッド２２が、共通の材料で形成されている。下部クラッド２１及び上部クラッド２２は、光導波路コア３０よりも屈折率の低い、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を材料として形成されている。

【0077】

また、第２の光ハイブリッド回路２００では、第１入力導波路部１１０の接続端１１０ａの幅方向における中心Ｐ−１１０と、第１入力部４１ａの幅方向における中心Ｐ−４１ａとが、ずれた位置に配置される。また、第２入力導波路部１２０の接続端１２０ａの幅方向における中心Ｐ−１２０と、第３入力部４１ｃの幅方向における中心Ｐ−４１ｃとが、ずれた位置に配置される。第１入力導波路部１１０の接続端１１０ａの中心Ｐ−１１０と、第１入力部４１ａの中心Ｐ−４１ａとのずれ量、及び第２入力導波路部１２０の接続端１２０ａの中心Ｐ−１２０と、第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ｃとのずれ量は、共通である。なお、これらずれ量は、第１入力導波路部１１０の接続端１１０ａが、４×４カプラ４０の、第１入力部４１ａ側の側面４０ｃからはみ出さないように設定される。

【0078】

従って、４×４カプラ４０の幅をＷ、並びに第１入力導波路部１１０の接続端１１０ａ及び第２入力導波路部１２０の接続端１２０ａの幅をともにＷ_１として、第ｋ_１入力部４１（ｋ_１は１又は３）に接続される入力導波路部１１０又は１２０は、４×４カプラ４０の長さ方向（すなわち、ここでは入力部４１ａ〜４１ｄから出力部４２ａ〜４２ｄに向かう方向）に沿った一方の側面（第１入力部４１ａ側の側面４０ｃ）から、α＋（ｋ_１−１）Ｗ／４（ただし、（Ｗ／８−Ｗ_１／２）≦α≦（Ｗ／４−Ｗ_１／２）かつα≠Ｗ／８）の位置に、接続端１１０ａ又は接続端１２０ａの中心Ｐ−１１０又はＰ−１２０を合わせて形成される。

【0079】

さらに、第２の光ハイブリッド回路２００では、各出力導波路部２１０〜２４０の接続端２１０ａ〜２４０ａの幅方向における中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、各出力部４２ａ〜４２ｄの幅方向における中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとが、ずれた位置に配置される。各出力導波路部２１０〜２４０の接続端２１０ａ〜２４０ａの中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、各接続される出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとのずれ量は、共通である。なお、これらずれ量は、第１出力導波路部２１０の接続端２１０ａが、４×４カプラ４０の、第１出力部４２ａ側の側面４０ｃからはみ出さないように、かつ第４出力導波路部２４０の接続端２４０ａが、４×４カプラ４０の、第４出力部４２ｄ側の側面４０ｄからはみ出さないように設定される。

【0080】

従って、４×４カプラ４０の幅をＷ、並びに各出力導波路部２１０〜２４０の接続端２１０ａ〜２４０ａの幅を共通のＷ_２として、第ｋ_２出力部４２（ｋ_２は１、２、３又は４）に接続される出力導波路部２１０、２２０、２３０又は２４０は、４×４カプラ４０の長さ方向に沿った一方の側面（第１入力部４１ａ側の側面４０ｃ）から、β＋（ｋ_２−１）Ｗ／４（ただし、（Ｗ／８−Ｗ_２／２）≦β≦（Ｗ／４−Ｗ_２／２）かつβ≠Ｗ／８）の位置に、接続端２１０ａ、２２０ａ、２３０ａ又は２４０ａの中心Ｐ−２１０、Ｐ−２２０、Ｐ−２３０又はＰ−２４０を合わせて形成される。

【0081】

ここで、第１入力導波路部１１０の中心Ｐ−１１０と、第１出力導波路部２１０の中心Ｐ−２１０とは、互いに対向して配置される。また、第２入力導波路部１２０の中心Ｐ−１２０と、第３出力導波路部２３０の中心Ｐ−２３０とは、互いに対向して配置される。従って、中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０と中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃとのずれ量、及び中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとのずれ量は、共通である。すなわち、上式α＋（ｋ_１−１）Ｗ／４及びβ＋（ｋ_２−１）Ｗ／４において、α＝βである。

【0082】

このような配置で各入力導波路部１１０及び１２０並びに各出力導波路部２１０〜２４０と４×４カプラ４０とを接続することによって、下部クラッド２１及び上部クラッド２２を共通の材料で形成しても、基本モードのＴＥ偏波同士の干渉光及び１次モードのＴＥ偏波同士の干渉光それぞれについて、４×４カプラ４０の第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄからの各出力にほとんどばらつきが生じないことがシミュレーションによって判明した。このシミュレーションについては詳細を後述する。

【0083】

従って、上述した第１の光ハイブリッド回路１００と同様に、第２の光ハイブリッド回路２００では、図１１を参照して説明した従来の光ハイブリッド回路と等価な機能を有しつつ、ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対して動作可能とする、すなわち偏波無依存とすることができる。

【0084】

（特性評価）
発明者は、３次元ＢＰＭを用いて、第２の光ハイブリッド回路２００の特性を評価するシミュレーションを行った。

【0085】

このシミュレーションでは、第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０からそれぞれ基本モードのＴＥ偏波及び基本モードのＴＭ偏波を含む光を入力し、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０のそれぞれから出力される、基本モードのＴＥ偏波、及び基本モードのＴＭ偏波から変換された１次モードのＴＥ偏波の強度を取得した。また、このシミュレーションでは、光導波路コア３０はＳｉを材料として、クラッド２０（下部クラッド２１及び上部クラッド２２）はＳｉＯ_２を材料として、それぞれ構成した。光導波路コア３０は、全体的に厚さを２２０ｎｍとした。また、４×４カプラ４０について、幅を６．８１μｍ及び長さを７５．１μｍとした。また、第１入力導波路部１１０の入力テーパ部１１４の４×４カプラ４０との接続端及び第２入力導波路部１２０の入力テーパ部１２４の４×４カプラ４０との接続端、並びに各出力導波路部２１０〜２４０の４×４カプラ４０との接続端の幅を、それぞれ１．５μｍとした。第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０は、４×４カプラ４０の側面４０ｃ側にずらしてあり、第１入力部４１ａの中心Ｐ−４１ａに対する第１入力導波路部１１０の中心Ｐ−１１０のずれ量及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ｃに対する第２入力導波路部１２０の中心Ｐ−１２０のずれ量、並びに第１出力部４２ａの中心Ｐ−４２ａに対する第１出力導波路部２１０の中心Ｐ−２１０のずれ量、第２出力部４２ｂの中心Ｐ−４２ｂに対する第２出力導波路部２２０の中心Ｐ−２２０のずれ量、第３出力部４２ｃの中心Ｐ−４２ｃに対する第３出力導波路部２３０の中心Ｐ−２３０のずれ量及び第４出力部４２ｄの中心Ｐ−４２ｄに対する第４出力導波路部２４０の中心Ｐ−２４０のずれ量を、それぞれ１２．５ｎｍとした。第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０に入力する光は、波長１５５０ｎｍを想定した。

【0086】

また、このシミュレーションでは、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０を、それぞれ第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃ、並びに第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄと一致させ、かつ第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０、４×４カプラ４０並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の寸法を上記設計から変更した光ハイブリッド回路（以下、他の構成例による回路）の特性についても評価した。

【0087】

他の構成例による回路では、４×４カプラ４０について、幅を１９．２μｍ及び長さを５９２μｍとした。また、第１入力導波路部１１０の入力テーパ部１１４の４×４カプラ４０との接続端及び第２入力導波路部１２０の入力テーパ部１２４の４×４カプラ４０との接続端、並びに各出力導波路部２１０〜２４０の４×４カプラ４０との接続端の幅を、それぞれ４．２μｍとした。その他の寸法については、上述した第２の光ハイブリッド回路２００の設計と同様とした。

【0088】

シミュレーションの結果を図７及び図８に示す。図７は、第２の光ハイブリッド回路２００における、各出力導波路からの出力と位相差の関係を示す図である。また、図８は、他の構成例による回路における、各出力導波路からの出力と位相差の関係を示す図である。図７及び図８では、横軸に位相差（度）を取って示し、縦軸に出力強度を取って示している。図７において、曲線７０１は、基本モードのＴＥ偏波の第１出力導波路部２１０からの出力強度を、曲線７０２は、基本モードのＴＥ偏波の第２出力導波路部２２０からの出力強度を、曲線７０３は、基本モードのＴＥ偏波の第３出力導波路部２３０からの出力強度を、曲線７０４は、基本モードのＴＥ偏波の第４出力導波路部２４０からの出力強度を、それぞれ示している。また、図７において、曲線７１１は、１次モードのＴＥ偏波の第１出力導波路部２１０からの出力強度を、曲線７１２は、１次モードのＴＥ偏波の第２出力導波路部２２０からの出力強度を、曲線７１３は、１次モードのＴＥ偏波の第３出力導波路部２３０からの出力強度を、曲線７１４は、１次モードのＴＥ偏波の第４出力導波路部２４０からの出力強度を、それぞれ示している。また、図８において、曲線８０１は、基本モードのＴＥ偏波の第１出力導波路部２１０からの出力強度を、曲線８０２は、基本モードのＴＥ偏波の第２出力導波路部２２０からの出力強度を、曲線８０３は、基本モードのＴＥ偏波の第３出力導波路部２３０からの出力強度を、曲線８０４は、基本モードのＴＥ偏波の第４出力導波路部２４０からの出力強度を、それぞれ示している。また、図８において、曲線８１１は、１次モードのＴＥ偏波の第１出力導波路部２１０からの出力強度を、曲線８１２は、１次モードのＴＥ偏波の第２出力導波路部２２０からの出力強度を、曲線８１３は、１次モードのＴＥ偏波の第３出力導波路部２３０からの出力強度を、曲線８１４は、１次モードのＴＥ偏波の第４出力導波路部２４０からの出力強度を、それぞれ示している。

【0089】

図７及び図８に示すように、第２の光ハイブリッド回路２００及び他の構成例による回路において、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波ともに、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０からの出力光は、上述した所望の位相関係を示している。そして、第２の光ハイブリッド回路２００及び他の構成例による回路ともに、各出力導波路部２１０〜２４０において、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波ともに出力の高低比が、０．６ｄＢ以内となった。

【0090】

図７の結果から、第２の光ハイブリッド回路２００では、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、それぞれ第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃ、並びに第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとをずらすことによって、下部クラッド２１及び上部クラッド２２を共通の材料で形成しても、偏波無依存に動作させられることが確認された。

【0091】

また、図８の結果から、下部クラッド２１及び上部クラッド２２を共通の材料で形成し、かつ第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、それぞれ第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃ、並びに第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとを一致させた場合であっても、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０、４×４カプラ４０並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の寸法を大きく設計することによって、偏波無依存に動作させられること確認された。

【0092】

以上より、第２の光ハイブリッド回路２００では、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０を、４×４カプラ４０に対してずらして配置することによって、ずらさない場合よりも回路の小型化に有利であることが確認された。

【0093】

次に、発明者は、３次元ＢＰＭを用いて、第２の光ハイブリッド回路２００における、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、それぞれ第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃ、並びに第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとのずれ量と、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０からの出力のばらつきに関するシミュレーションを行った。

【0094】

このシミュレーションでは、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、それぞれ第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃ、並びに第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとのずれ量を変更しつつ、第１入力導波路部１１０及び第２入力導波路部１２０からそれぞれ基本モードのＴＭ偏波を入力し、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０のそれぞれから出力される、基本モードのＴＭ偏波から変換された１次モードのＴＥ偏波の強度を取得した。そして、各第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０のうち、最も高い出力のピークを示す出力導波路部と最も低い出力のピークを示す出力導波路部とで、各ピーク間の比（ばらつき）を取得した。

【0095】

シミュレーションの結果を図９に示す。図９は、第２の光ハイブリッド回路２００における、第１及び第２入力導波路部１１０及び１２０の中心Ｐ−１１０及びＰ−１２０、並びに第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０の中心Ｐ−２１０〜Ｐ−２４０と、それぞれ第１入力部４１ａ及び第３入力部４１ｃの中心Ｐ−４１ａ及びＰ−４１ｃ、並びに第１〜第４出力部４２ａ〜４２ｄの中心Ｐ−４２ａ〜Ｐ−４２ｄとのずれ量と、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０からの出力のばらつきとの関係を示す図である。図９では、横軸にずれ量（ｎｍ）を取って示し、縦軸に出力のばらつきを取って示している。

【0096】

図９に示すように、ずれ量が１２．５ｎｍのとき、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０からの出力のばらつきが、最も低減されることが確認された。

【0097】

（バランスＰＤとの接続）
上述した第１の光ハイブリッド回路１００（図１参照）又は第２の光ハイブリッド回路２００（図５参照）とバランスＰＤとの接続について説明する。

【0098】

バランスＰＤの動作はモード次数に依存しない。従って、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を含む、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０からの出力光は、多モード導波路を介してバランスＰＤに入力することができる。

【0099】

しかし、偏波多重により、ＴＥ偏波とＴＭ偏波とに異なる信号を乗せた光を、信号光として用いる場合には、これら異なる信号それぞれに対してコヒーレント検波を実施すべく、基本モードのＴＥ偏波と、ＴＭ偏波から変換された１次モードのＴＥ偏波とを分離してバランスＰＤに入力する必要がある。

【0100】

そこで、異なる信号が偏波多重された信号光を用いる場合における、第１の光ハイブリッド回路１００又は第２の光ハイブリッド回路２００とバランスＰＤとの接続について、図１０を参照して説明する。図１０は、第１の光ハイブリッド回路１００又は第２の光ハイブリッド回路２００とバランスＰＤとの接続の一例を示す概略的平面図である。なお、図１０では、光導波路コアのみを示してあり、支持基板及びクラッドを省略している。また、図１０では、上述した第１の光ハイブリッド回路１００及び第２の光ハイブリッド回路２００の第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０のみを示してあり、その他の構成要素を省略している。

【0101】

ここでは、第１の光ハイブリッド回路１００又は２の光ハイブリッド回路２００は、４つのバランスＰＤ８０−１〜４と接続されている。各バランスＰＤ８０は、それぞれ一対のＰＤ８１及びＰＤ８２を備えて構成される。各バランスＰＤ８０が備えるＰＤ８１及び８２は、それぞれ並んで配置される。バランスＰＤ８０では、ＰＤ８１及びＰＤ８２に光が入力されることによって、これら光を受光する。

【0102】

第１出力導波路部２１０は、接続導波路部５１、分岐部７１及び接続導波路部６１を経て、バランスＰＤ８０−１のＰＤ８１と接続される。また、第１出力導波路部２１０は、接続導波路部５１、分岐部７１及び接続導波路部６２を経て、バランスＰＤ８０−２のＰＤ８１と接続される。

【0103】

第２出力導波路部２２０は、接続導波路部５２、分岐部７２及び接続導波路部６３を経て、バランスＰＤ８０−３のＰＤ８１と接続される。また、第２出力導波路部２２０は、接続導波路部５２、分岐部７２及び接続導波路部６４を経て、バランスＰＤ８０−４のＰＤ８１と接続される。

【0104】

第３出力導波路部２３０は、接続導波路部５３、分岐部７３及び接続導波路部６５を経て、バランスＰＤ８０−３のＰＤ８２と接続される。また、第３出力導波路部２３０は、接続導波路部５３、分岐部７３及び接続導波路部６６を経て、バランスＰＤ８０−４のＰＤ８２と接続される。

【0105】

第４出力導波路部２４０は、接続導波路部５４、分岐部７４及び接続導波路部６７を経て、バランスＰＤ８０−１のＰＤ８２と接続される。また、第４出力導波路部２４０は、接続導波路部５４、分岐部７４及び接続導波路部６８を経て、バランスＰＤ８０−２のＰＤ８２と接続される。

【0106】

接続導波路部５１〜５４及び６１〜６８、並びに分岐部７１〜７４は、それぞれ光導波路コアとして構成される。

【0107】

接続導波路部５１〜５４は、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を伝播可能な幅で形成されている。また、接続導波路部６１、６３、６５及び６７は、少なくとも１次モードまでのＴＥ偏波を伝播可能な幅で形成されている。また、接続導波路部６２、６４、６６及び６８は、シングルモード導波路として形成されている。

【0108】

分岐部７１〜７４は、例えば方向性結合器として構成されている。分岐部７１〜７４は、それぞれ入力される基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を分離して出力する。

【0109】

第１出力導波路部２１０から出力される基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部５１を経て分岐部７１に入力される。分岐部７１は、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を分離し、１次モードのＴＥ偏波を接続導波路部６１に、基本モードのＴＥ偏波を接続導波路部６２にそれぞれ送る。１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６１を経て、バランスＰＤ８０−１のＰＤ８１に入力される。また、基本モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６２を経て、バランスＰＤ８０−２のＰＤ８１に入力される。

【0110】

第２出力導波路部２２０から出力される基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部５２を経て分岐部７２に入力される。分岐部７２は、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を分離し、１次モードのＴＥ偏波を接続導波路部６３に、基本モードのＴＥ偏波を接続導波路部６４にそれぞれ送る。１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６３を経て、バランスＰＤ８０−３のＰＤ８１に入力される。また、基本モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６４を経て、バランスＰＤ８０−４のＰＤ８１に入力される。

【0111】

第３出力導波路部２３０から出力される基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部５３を経て分岐部７３に入力される。分岐部７３は、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を分離し、１次モードのＴＥ偏波を接続導波路部６５に、基本モードのＴＥ偏波を接続導波路部６６にそれぞれ送る。１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６５を経て、バランスＰＤ８０−３のＰＤ８２に入力される。また、基本モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６６を経て、バランスＰＤ８０−４のＰＤ８２に入力される。

【0112】

第４出力導波路部２４０から出力される基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部５４を経て分岐部７４に入力される。分岐部７４は、基本モードのＴＥ偏波及び１次モードのＴＥ偏波を分離し、１次モードのＴＥ偏波を接続導波路部６７に、基本モードのＴＥ偏波を接続導波路部６８にそれぞれ送る。１次モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６７を経て、バランスＰＤ８０−１のＰＤ８２に入力される。また、基本モードのＴＥ偏波は、接続導波路部６８を経て、バランスＰＤ８０−２のＰＤ８２に入力される。

【0113】

このように、第１〜第４出力導波路部２１０〜２４０とバランスＰＤ８０−１〜４とを接続することにより、各バランスＰＤ８０において、ＰＤ８１及び８２に入力される各光の位相差がπとなる。そして、バランスＰＤ８０−１及び２に入力される光と、バランスＰＤ８０−３及び４に入力される光との位相差はπ／２となる。さらに、１次モードのＴＥ偏波をバランスＰＤ８０−１及び３に、基本モードのＴＥ偏波をバランスＰＤ８０−２及び４に分けて入力することができる。

【符号の説明】

【0114】

１０：支持基板
２０：クラッド
３０：光導波路コア
４０：４×４カプラ
８０：バランスＰＤ
１００：第１の光ハイブリッド回路
１１０：第１入力導波路部
１２０：第２入力導波路部
２００：第２の光ハイブリッド回路
２１０：第１出力導波路部
２２０：第２出力導波路部
２３０：第３出力導波路部
２４０：第４出力導波路部

【要約】

【課題】ＴＥ偏波及びＴＭ偏波の双方に対して動作可能な光ハイブリッド回路を提供する。
【解決手段】第１入力導波路部は、４×４カプラの第１入力部に接続される。第２入力導波路部は、４×４カプラの第３入力部に接続される。第１入力導波路部は、入力された基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＥ偏波のまま出力し、かつ入力された基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力する。第２入力導波路部は、入力された基本モードのＴＥ偏波を基本モードのＴＥ偏波のまま出力し、かつ入力された基本モードのＴＭ偏波を１次モードのＴＥ偏波に変換して出力する。４×４カプラは、第１入力部に入力される光と第３入力部に入力される光との干渉光を、第１出力部及び第４出力部から出力し、かつ第１入力部に入力される光と、第３入力部に入力される光に対しπ／２の位相差関係を与えた光との干渉光を、第２出力部及び第３出力部から出力する。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】