特許 7380329 光回路デバイス、及び光受信機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-07

(45)【発行日】2023-11-15

(54)【発明の名称】光回路デバイス、及び光受信機

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/125 20060101AFI20231108BHJP

   G02B 6/122 20060101ALI20231108BHJP

   G02B 6/14 20060101ALI20231108BHJP

【ＦＩ】

G02B6/125 301

G02B6/122 311

G02B6/14

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020033970

(22)【出願日】2020-02-28

(65)【公開番号】P2021135460

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2022-10-28

(73)【特許権者】

【識別番号】309015134

【氏名又は名称】富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】岡 徹

【審査官】大西 孝宣

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第１０１２６４９８（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００４１７２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１２／０８６８４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭６３－２２４５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１４２３０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０７９０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／０２４４５９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２ － ６／１４

Ｇ０２Ｆ １／００ － １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１ － ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の入力光を９０度の位相差を持つ２つの出力に分岐する第１光カプラと、
第２の入力光を１８０度の位相差を持つ２つの出力に分岐する第２光カプラと、
第１出力ポートと第２出力ポートを有する第３カプラであって、前記第１光カプラの一方の出力と前記第２光カプラの一方の出力を合波して、第１光信号を前記第１出力ポートから出力し、前記第１光信号と１８０度の位相差を持つ第２光信号を前記第２出力ポートから出力する第３光カプラと、
第３出力ポートと第４出力ポートを有する第４カプラであって、前記第１光カプラの他方の出力と前記第２光カプラの他方の出力を合波して、第３光信号を前記第３出力ポートから出力し、前記第３光信号と１８０度の位相差を持つ第４光信号を前記第４出力ポートから出力する第４光カプラと、
を有し、
前記第３光カプラで前記第１光信号を出力する前記第１出力ポートと前記第２光信号を出力する前記第２出力ポートの位置関係と、前記第４光カプラで前記第３光信号を出力する前記第３出力ポートと前記第４光信号を出力する前記第４出力ポートの位置関係は、逆になっている、
光回路デバイス。

【請求項2】

前記第１光カプラの前記一方の出力を、前記第３光カプラの第１入力ポートに接続する第１の光導波路と、
前記第１光カプラの前記他方の出力を、前記第４光カプラの第３入力ポートに接続する第２の光導波路と、
前記第２光カプラの前記一方の出力を、前記第３光カプラの第２入力ポートに接続する第３の光導波路と、
前記第２光カプラの前記他方の出力を、前記第４光カプラの第４入力ポートに接続する第４の光導波路と、
を有し、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、前記第３の光導波路、及び前記第４の光導波路は交差しない、請求項１に記載の光回路デバイス。

【請求項3】

前記第１の光導波路、前記第２の光導波路、前記第３の光導波路、及び前記第４の光導波路の少なくともひとつに挿入される位相シフタ、
を有する請求項２に記載の光回路デバイス。

【請求項4】

前記第２光カプラは、第１導波路セグメント、前記第１導波路セグメントと所定の間隔で近接する第２導波路セグメント、前記第１導波路セグメントから連続する第３導波路セグメント、及び、前記第２導波路セグメントから連続する第４導波路セグメントを有し、
前記第２導波路セグメントは、光軸方向に幅が変化するテーパ導波路であり、
前記第３導波路セグメントと前記第４導波路セグメントは、互いに離隔する方向に延びている、請求項１～３のいずれか１項に記載の光回路デバイス。

【請求項5】

前記第２光カプラは、ＴＥ１モードを発生するＴＥ１発生器と、前記ＴＥ１モードの光を、同じ割合で、かつ位相が１８０度異なる２つのＴＥ０モードに分割する１入力２出力光カプラとを有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の光回路デバイス。

【請求項6】

前記ＴＥ１発生器は、ＴＥ０モードの入力光をＴＥ奇モードに変換する第１モード変換部と、前記ＴＥ奇モードをＴＥ１に変換する第２モード変換部を有する、請求項５に記載の光回路デバイス。

【請求項7】

前記ＴＥ１発生器は、ＴＭ０モードの入力光を、高次偏波変換によりＴＥ１モードに変換する、請求項５に記載の光回路デバイス。

【請求項8】

前記ＴＥ１発生器は、上部コアと下部コアを有する導波路で形成され、前記上部コアと前記下部コアの幅方向の形状が異なっている、請求項７に記載の光回路デバイス。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか１項に記載の光回路デバイスを有する光受信機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光回路デバイス、及び光受信機に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、高速大容量の通信が可能なコヒーレント光通信が基幹網等へ導入されている。コヒーレント光通信では、光電界の直交する２つの位相情報であるＩ信号とＱ信号を用いて単位時間当たりに伝送可能な通信量を増やしている。

【0003】

Ｉ信号とＱ信号を含む信号光を受信機で受信するには、受信時の位相の基準となる参照光と、信号光を混ぜ合わせて、Ｉ信号とＱ信号に分離する。この機能を有する光導波路デバイスは、「９０度光ハイブリッド」と呼ばれている。

【0004】

図１は、９０度光ハイブリッドの機能図である。９０度光ハイブリッドに入力された信号光と参照光は、それぞれ２分割され、分割された光成分の間に、９０度の位相差が与えられる。入力光と同じ位相の成分がＩ成分、入力光と９０度の位相差を持つ成分がＱ成分である。２分割され、位相差が与えられた信号光と参照光は、混合されて、９０度ずつ位相がシフトした４つの光信号Ｉｐ、Ｉｎ、Ｑｐ、Ｑｎが、９０度光ハイブリッドから出力される。

【0005】

信号の「ｐ」と「ｎ」は相補的な出力を表わす。ＩｐとＩｎは、１８０度の位相差をもち、ＱｐとＱｎは、１８０度の位相差をもつ。Ｉｐ、Ｉｎ、Ｑｐ、及びＱｎの出力ポートは、光検出器アレイの入力に接続され、４つの光成分は電気信号に変換される。光電気変換後にＩｐとＩｎの差、及びＱｐとＱｎの差をとることで、Ｉ信号とＱ信号が得られる。

【0006】

基板型の光導波路デバイスで９０度光ハイブリッドを実現する方法として、１×２カプラと２×２カプラを組み合わせた構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。１×２カプラと２×２カプラの組み合わせは、４×４ＭＭＩ（Multi-Mode Interferometer；マルチモード干渉計）と比較して、利用するモードの数が少なく、モード間干渉の波長依存性の影響が小さい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許第１０１２６２９８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

光トランスポートネットワークの標準化団体であるＯＩＦ（Optical Internetworking Forum）によって策定されたコヒーレントレシーバでは、９０度光ハイブリッドの４つの出力ポートの配置に対応して、電気段への入力も、Ｉｐ、Ｉｎ、Ｑｐ、及びＱｎの順に配置されている。

【0009】

１×２カプラと２×２カプラを組み合わせた公知の構成を、標準化仕様のコヒーレントレシーバに適用すると、９０度光ハイブリッドの４つの出力ポートと、電気段への入力の配置設計とが整合しない。ポート間の配置関係の不整合を補償するために光配線を引き回すと、クロストークや光損失が生じる。後段のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）の設定を変えることで、９０度光ハイブリッドの出力ポートと光電気変換部の位置関係の不整合を補うことも考えられるが、ＤＳＰの設定変更のための手間が増える。

【0010】

本発明は、簡単な構成で、光回路デバイスのポート間の位置関係を整合させて、光損失を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

開示の一つの態様では、光回路デバイスは、
第１の入力光を９０度の位相差を持つ２つの出力に分岐する第１光カプラと、
第２の入力光を１８０度の位相差を持つ２つの出力に分岐する第２光カプラと、
前記第１光カプラの一方の出力と前記第２光カプラの一方の出力を合波して、第１光信号、及び前記第１光信号と１８０度の位相差を持つ第２光信号を出力する第３光カプラと、
前記第１光カプラの他方の出力と前記第２光カプラの他方の出力を合波して、第３光信号、及び前記第３光信号と１８０度の位相差を持つ第４光信号を出力する第４光カプラと、を有する。

【発明の効果】

【0012】

簡単な構成で、光回路デバイスのポート間の位置関係が整合し、光損失を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】９０度光ハイブリッドの機能図である。

【図2】公知の９０度光ハイブリッドの構成で生じる技術課題を説明する図である。

【図3】２×２ＭＭＩと位相対称カプラの電界の伝達関数を示す図である。

【図4】図２の構成で生じる技術課題を説明する図である。

【図5】実施形態の光回路デバイスの模式図である。

【図6】図５の光回路デバイスで用いられる位相反転カプラの機能ブロック図である。

【図7】実施形態の光回路デバイスを用いたときの光配線を示す図である。

【図8】Ｉ信号とＱ信号の位相差を示す図である。

【図9A】位相反転カプラの構成例である。

【図9B】図９ＡのＩ－Ｉ'断面図である。

【図10】位相反転カプラの異なる位置での伝搬状態を示す電界シミュレーション図である。

【図11】位相反転カプラの別の構成例である。

【図12】図１１の位相反転カプラで用いられるＴＥ１発生器の構成例である。

【図13】ＴＥ１発生器の別の構成例である。

【図14】図１３のＴＥ１発生器でのモード変換を説明する図である。

【図15】光回路デバイスの変形例である。

【図16】実施形態の光回路デバイスを用いた光受信機の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

実施形態の光回路デバイスについて説明する前に、発明者が見出した技術課題を、より詳しく説明する。

【0015】

図２は、公知の９０度光ハイブリッドの構成で生じる技術課題を説明する図である。図２は、上述した特許文献で提案されている光回路の構成を、わかりやすい形に描き直したものである。光回路は、ひとつの１×２カプラと、３つの２×２カプラＣ２～Ｃ４が、光導波路で接続されている。

【0016】

１×２カプラは、位相対称カプラＣ１、またはＹ分岐光スプリッタである。上記の特許文献では、「位相対称カプラ」は、入力光を２つの同じ位相の光信号に分割する光カプラであると定義されている。位相対称カプラＣ１の入力ポートに、参照光が入力されて、２分割される。分割された参照光の一方は、２×２カプラＣ２の一方の入力ポートに接続され、他方は、２×２カプラＣ３の一方の入力ポートに接続される。

【0017】

信号光は、２×２カプラＣ４の一方の入力ポートに入力されて、２分割される。分割された信号光の一方は、２×２カプラＣ２の他方の入力ポートに接続され、他方の光は、２×２カプラＣ３の他方の入力ポートに接続される。

【0018】

２×２カプラＣ２は、参照光と信号光を干渉させて、出力ポートＰ２とＰ３から、Ｉｎ信号とＩｐ信号を出力する。２×２カプラＣ３は、参照光と信号光を干渉させて、出力ポートＰ１とＰ４から、Ｑｎ信号とＱｐ信号を出力する。

【0019】

参照光は、√Ｉ_LO*ｅ^j(ω_LOｔ-θ_LO)で表される。信号光は、√Ｉ_sig*ｅ^j(ω_sigｔ-θ_sig)で表される。Ｉ_LOとＩ_sigは、参照光と信号光のパワー、ω_LOとω_sigは、参照光と信号光の角周波数、θ_LOとθ_sigは、参照光と信号光の位相である。

【0020】

図３は、２×２ＭＭＩと、位相対称カプラＣ１の電界の伝達関数を示す。位相対称カプラＣ１では、「１」に正規化された信号が入力されると、２つの出力ポートのそれぞれから１／√２の信号が同相で出力される。

【0021】

２×２ＭＭＩでは、一方の入力ポートに「１」に正規化された信号が入力されると、バーポートの出力は１／√２となり、クロスポートの出力は、１／√２*ｅ^i(-π／２)となる。

【0022】

図３のカプラの機能に基づくと、図２で参照光を位相対称カプラＣ１に入力し、信号光を２×２カプラＣ４の一方の入力ポートに入力すると、出力ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４から出力される光パワーは、式（１）で示される。

【0023】

【数1】

【0024】

Ｐ１とＰ４の出力は相補的であり、Ｐ１からＱｎが出力され、Ｐ４からＱｐが出力される。Ｐ２とＰ３の出力は相補的であり、Ｐ２からＩｎが出力され、Ｐ３からＩｐが出力される。最終的なＩ信号はＰ３－Ｐ２で求められ、Ｑ信号はＰ４－Ｐ１で求められる。

【0025】

【数2】

【0026】

コヒーレントレシーバでは、Ｉｐ、Ｉｎ、Ｑｐ、Ｑｎの光出力を電気信号に変換した後に、ＩｐとＩｎの差分、及びＱｐとＱｎの差分が取得される。電気段への入力、すなわち光検出器ＰＤの出力を、ＯＩＦで規格化されているＩｐ、Ｉｎ、Ｑｐ、Ｑｎの順で配置すると、光配線に不都合が生じる。

【0027】

図４は、図２の構成で生じる技術課題を示す。２×２カプラＣ２のポートＰ２から出力される光信号Ｉｎを、Ｉｎの電気信号を生成するＰＤ－Ｉｎに接続し、ポートＰ３から出力される光信号Ｉｐを、Ｉｐの電気信号を生成するＰＤ－Ｉｐに接続する。

【0028】

光信号ＩｐをＰＤ－Ｉｐへ導くために、光配線がＰＤの配列を迂回し、配線長が長くなる。これは損失の増大につながる。

【0029】

配線長を短くするために、光導波路を交差させる設計も考えられるが、交差によるクロストークや損失の増大が生じる。

【0030】

＜実施形態の構成＞
図５は、実施形態の光回路デバイス１１の模式図である。光回路デバイス１１は、位相反転カプラ１１１と、２×２カプラ１１２、１１３、及び１１４を有し、全体として、９０度光ハイブリッドとして機能する。公知の構成と異なり、光回路デバイス１１は、一方の入力光を２分岐する光スプリッタとして、位相反転カプラ１１１を用いる。ここで、「位相反転カプラ」とは、入力された光を、同じ割合で、位相が１８０°異なる２つの光に分割するカプラをいう。

【0031】

図６は、位相反転カプラ１１１の機能を示す。「１」に正規化された光が、位相反転カプラ１１１に入力されると、２分岐されて、一方の出力ポートから、１／√２の光が出力され、他方の出力ポートから、－１／√２の光が出力される。

【0032】

位相反転カプラ１１１の２つの出力光の位相差は、正確に１８０度（πラジアン）である必要はなく、許容される誤差を含んでいてもよい。ＯＩＦの標準化仕様では、Ｉ信号とＱ信号の位相差として、９０度±７．５度の誤差を許容しているので、位相反転カプラ１１１の２つの出力の間の位相差も、１８０度±７．５度の誤差を含んでいてもよい。

【0033】

２×２カプラ１１２～１１４の機能は、図３で示したとおりである。２×２カプラ１１２～１１４のバーポートとクロスポートに現れる光信号の位相差も、ある程度の誤差を含んでいてもよい。

【0034】

図５に戻って、位相反転カプラ１１１に参照光が入力されて、互いに１８０°の位相差をもつ２つの光が出力される。位相反転カプラ１１１は、出力される２つの光の間に１８０度の位相差を与える点に特徴がある。

【0035】

位相反転カプラ１１１の一方の出力は、光導波路１１５によって、２×２カプラ１１２の一方の入力に接続される。位相反転カプラ１１１の他方の出力は、光導波路１１７によって、２×２カプラ１１３の一方の入力に接続される。

【0036】

信号光は、２×２カプラ１１４の一方の入力ポートから入力されで、２分岐される。２×２カプラ１１４は、２つの出力を持つ光スプリッタであるが、図３の伝達関数で示されるように、出力される２つの光の間に、９０度の位相差を与える。

【0037】

２×２カプラ１１４の一方の出力は、光導波路１１６によって、２×２カプラ１１２の他方の入力に接続される。２×２カプラ１１４の他方の出力は、光導波路１１８によって２×２カプラ１１３の他方の入力に接続される。

【0038】

２×２カプラ１１２は、２つの入力ポートと、２つの出力ポートをもち、２×２カプラ１１４の一方の出力と、位相反転カプラ１１１の一方の出力を合波する光コンバイナである。

【0039】

２×２カプラ１１３は、２つの入力ポートと、２つの出力ポートをもち、２×２カプラ１１４の他方の出力と、位相反転カプラ１１１の他方の出力を合波する光コンバイナである。

【0040】

位相反転カプラ１１１と、２×２カプラ１１２、１１３、１１４を接続する光導波路１１５～１１７は、互いに交差しないので、交差導波路による過剰損失を防止できる。光導波路１１５と光導波路１１６は、同じ長さであってもよい。光導波路１１７と光導波路１１８は、同じ長さであってもよい。

【0041】

参照光は、√Ｉ_LO*ｅ^j(ω_LOｔ-θ_LO)で表され、信号光は、√Ｉ_sig*ｅ^j(ω_LOｔ-θ_LO)で表される。位相反転カプラ１１１を用いる場合、図６の電界の伝達関数と、図３の２×２ＭＭＩカプラの電界の伝達関数に基づいて、出力ポートＰ１～Ｐ４での光パワーを計算すると、式（２）になる。

【0042】

【数3】

【0043】

式（２）のＰ２とＰ３の出力を、式（１）のＰ２、Ｐ３と比較すると、ｃｏｓの項の正負の符号が反対になっている。プラス符号のＰ２の出力はＩｐであり、マイナス符号のＰ３の出力はＩｎである。最終的なＩ信号は、Ｐ２－Ｐ３で求められる。

【0044】

Ｐ１とＰ４の出力関係は図２と同じであり、Ｐ１からＱｎが出力され、Ｐ４からＱｐが出力される。最終的なＱ信号は、Ｐ４－Ｐ１で求められる。

【0045】

【数4】

【0046】

図７は、光回路デバイス１１を用いたときの光配線を示す。標準化仕様のコヒーレントレシーバでは、電気段への入力を生成する光検出器は、ＰＤ－Ｉｐ、ＰＤ－Ｉｎ、ＰＤ－Ｑｐ、ＰＤ－Ｑｎの順に配置されている。

【0047】

Ｉｐ信号を出力するポートＰ２は、光配線３２によって、Ｉｐの電気信号を生成するＰＤ－Ｉｐに接続される。Ｉｎ信号を出力するポートＰ３は、光配線３３によって、Ｉｎの電気信号を生成するＰＤ－Ｉｎに接続される。

【0048】

Ｑｐ信号を出力するポートＰ４は、光配線３４によって、Ｑｐの電気信号を生成するＰＤ－Ｑｐに接続される。Ｑｎ信号を出力するポートＰ１は、光配線３１によって、Ｑｎの電気信号を生成するＰＤ－Ｑｎに接続される。

【0049】

このレイアウトで、光配線３１～３４は、迂回や交差せずに、光回路デバイス１１の出力ポートＰ１～Ｐ４を、対応する光検出器ＰＤに最短距離で接続できる。配線レイアウトがシンプルになり、クロストークや光損失が抑制される。また、光電気変換機能を含む光受信フロントエンド回路を、小型化することができる。

【0050】

図８は、Ｉ信号とＱ信号の位相差を示す図である。Ｉ信号は、光電気変換後のＩｐ信号とＩｎ信号の差分で求められ、式（２）から、
Ｉ＝Ｐ２－Ｐ３＝(Ｉ_sigＩ_LO)^1/2×ｃｏｓ（φ_０）
となる。

【0051】

Ｑ信号は、光電気変換後のＱｐ信号とＱｎ信号の差分で求められ、式（２）から、
Ｑ＝Ｐ４－Ｐ１＝(Ｉ_sigＩ_LO)^1/2×ｃｏｓ（φ_０－π／２）
となる。

【0052】

式（２）に規定されるように、φ_０＝（ω_sig－ω_LO）ｔ－（θ_sig－θ_LO）である。ここで、ω_sigとω_LOは、それぞれ信号光と参照光の角周波数、θ_sigとθ_LOは、信号光と参照光の位相である。Ｉ信号とＱ信号のφ_０に、φ_０＝（ω_sig－ω_LO）ｔ－（θ_sig－θ_LO）を代入すると、図８に示すとおり、位相関係が互いに９０度シフトしたＩ信号とＱ信号が得られる。

【0053】

光回路デバイス１１を用いることで、簡単な配線設計で光損失を抑制し、受信信号からＩ信号とＱ信号を正しく取り出すことができる。光回路デバイス１１で用いられる位相反転カプラ１１１は、入射光を同じ割合で２つに分割し、かつ、２つの光を１８０度前後の位相差で出力することができれば、どのような構成でもよい。以下で、位相反転カプラ１１１の構成例をいくつか呈示する。

【0054】

＜位相反転カプラの構成例＞
図９Ａ、及び図９Ｂは、位相反転カプラ１１１の構成例１として、位相反転カプラ１１１Ａを示す。図９Ａは平面図、図９Ｂは、図９ＡのＩ－Ｉ'断面図である。位相反転カプラ１１１Ａは、方向性結合器として形成される。

【0055】

位相反転カプラ１１１Ａは、第１導波路セグメントＷＧ１と、ＷＧ１と並列に配置される第２導波路セグメントＷＧ２を有する。第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２は、間隔Ｇ１で、互いに近接して配置される。第１導波路セグメントＷＧ１の導波路幅は一定であり、第２導波路セグメントＷＧ２は、光軸方向に幅が変化するテーパ型導波路である。

【0056】

方向性結合器の断面Ａの位置をＰ０、断面Ｂの位置をＰ８とする。断面Ａから断面Ｂまでの距離が、テーパ長である。断面Ａで、第２導波路セグメントＷＧ２の幅はｗ１、第１導波路セグメントＷＧ１の幅はｗ３である（ｗ１＞ｗ３）。第２導波路セグメントＷＧ２は、断面Ｂで幅がｗ３となるように、徐々に細くなる。第１導波路セグメントＷＧ１は、断面Ａから断面Ｂまで、同じ幅ｗ３を維持する。断面Ｂでは、第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２の幅は同じである。

【0057】

図９Ｂに示すように、第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２は、基板２０１の上に、高屈折率材料で形成されたコアである。コアは、低屈折率材料のクラッド２０４で周囲を囲まれている。クラッド２０４は、同じ材料で形成される上部クラッド２０３と下部クラッド２０２を含んでいてもよいし、上部クラッド２０３を空気層としてもよい。

【0058】

第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２が、同じ高さｈを有する場合、断面Ｂでの第１導波路セグメントＷＧ１の断面積と、第２導波路セグメントＷＧ２の断面積は等しくなる。断面Ｂで、第１導波路セグメントＷＧ１は、第３導波路セグメントＷＧ３となり、第２導波路セグメントＷＧ２は、第４導波路セグメントＷＧ４となって、互いに離隔する方向に分岐する。

【0059】

第１導波路セグメントＷＧ１から、光が入力されるとする。入射光が断面Ａから断面Ｂに伝搬する過程で、エバネッセント効果により、光の一部はクラッドに染み出して、徐々に第２導波路セグメントＷＧ２に結合する。断面Ｂで、第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２の断面サイズが同じになり、光は同じ割合で２分岐される。

【0060】

エバネッセント結合に基づく導波路間の結合を考えると、奇モードの光は、導波路の幅方向（または横方向）に反対称の電界分布をもつ。断面Ｂでは、第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２の間で、電界分布の位相がπだけシフトする。

【0061】

図１０は、位相反転カプラ１１１Ａの電界分布のシミュレーション結果である。シミュレーションのパラメータは以下のとおりである。第１導波路セグメントＷＧ１と、第２導波路セグメントＷＧ１を、高さ２２０ｎｍのシリコン（Ｓｉ）コアで形成し、Ｓｉコアの周囲を、ＳｉＯ_２のクラッドで取り囲む。第２導波路セグメントＷＧ２の断面Ａでの幅ｗ１は４８０ｎｍ、断面Ｂでの幅ｗ３は４００ｎｍである。第１導波路セグメントＷＧ１、第３導波路セグメントＷＧ３、及び第４導波路セグメントＷＧ４の幅ｗ３は４００ｎｍである。第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２の間隔Ｇ１は２００ｎｍ、光軸方向のテーパ長は１００μｍである。

【0062】

図１０の（Ａ）の位置Ｐ０（断面Ａ）で、ＴＥ奇モードの光が第１導波路セグメントＷＧ１に入力される。ＴＥ奇モードは、電界の主成分が基板２０１と水平、かつ導波路の幅方向に振動する導波モードのうち、実効屈折率が２番目に高いモードである。ＴＥモードのうち、実効屈折率が最も高いモードは、ＴＥ偶モードである。

【0063】

ＴＥ奇モードは、実効屈折率がＴＥ偶モードよりも低いため、断面Ａ（位置Ｐ＝０）では、導波路サイズが小さい第１導波路セグメントＷＧ１に電界分布が局在する。この局在した光は、導波路が孤立している場合のＴＥ０と同じとなる。導波路サイズが小さい第１導波路セグメントＷＧ１にＴＥ０の光を入力することで、テーパ型方向性結合器におけるＴＥ奇モードへ変換可能である。

【0064】

図１０の（Ｂ）の位置Ｐ６で、第２導波路セグメントＷＧ２の導波路幅は、徐々に第１導波路セグメントＷＧ１の幅ｗ３に近づき、第１導波路セグメントＷＧ１から染み出したＴＥ奇モードのエバネッセント光が、第２導波路セグメントＷＧ２に結合する。第２導波路セグメントＷＧ２の幅は緩やかに遷移するため、電界分布は、連続性を保って断熱的に変化する。

【0065】

電界分布の「断熱的」な変化とは、導波路構造が十分に穏やかに変化するときに、入力された導波モードが、同一モードを維持したまま、エネルギーの増減なしに別の状態に遷移することをいう。

【0066】

図１０の（Ｃ）の位置Ｐ８（断面Ｂ）で、第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２の断面サイズは、同じになる。ＴＥ奇モードの電界は、第１導波路セグメントＷＧ１と第２導波路セグメントＷＧ２に均等に存在し、かつ、ＴＥ奇モードの反対称の電界分布により、２つの導波路間で、光の位相は１８０度異なる。第２導波路セグメントＷＧ２の電界分布が暗く示されているのは、位相反転により、強度がマイナスで表されているからである。

【0067】

図９に戻って、断面Ｂで、第１導波路セグメントＷＧ１に連続する第３導波路セグメントＷＧ３と、第２導波路セグメントＷＧ２に連続する第４導波路セグメントＷＧ４を徐々に離間することで、２つの光出力の位相がπだけシフトした位相反転カプラが実現する。

【0068】

図９、及び図１０で、ＴＥモードの光を入力しているが、ＴＭモードの光、すなわち電界の主成分が基板２０１と垂直な方向に振動する光を入力する場合も位相反転カプラ１１１Ａは成立する。

【0069】

図１１は、位相反転カプラ１１１の別の例として、位相反転カプラ１１１Ｂを示す。位相反転カプラ１１１Ｂは、１×２カプラ１２２と、ＴＥ１発生器１２１の組み合わせである。１×２カプラ１２２は、１×２ＭＭＩ、Ｙ分岐導波路などである。

【0070】

一般的に、１×２ＭＭＩやＹ分岐導波路にＴＥ１を入力すると、位相がπだけシフトした２つのＴＥ０が出力される。これを利用して、１×２カプラ１２２の前段にＴＥ１発生器１２１を配置することで、入力光（ＴＥ０またはＴＭ０）を、位相が互いに反転する２つのＴＥ０出力に変換することが可能である。

【0071】

図１２は、図１１で用いられるＴＥ１発生器１２１の構成例である。ＴＥ１発生器１２１Ａは、ＴＥ０モードの光を、ＴＥ１モードの光にモード変換する。

【0072】

ＴＥ１発生器１２１Ａは、第１モード変換部８０と、第２モード変換部９０を有する。第１モード変換部８０は、平行導波路８１と、テーパ導波路８２を有する。平行導波路８１とテーパ導波路８２は、所定の間隔をもって、隣接して配置される。

【0073】

第２モード変換部９０は、平行導波路８１から連続する平行導波路９１と、テーパ導波路８２から連続する平行導波路９２と、平行導波路９１，９２を接続する結合導波路９３を有する。結合導波路９３の幅は、好ましくは、平行導波路９１の幅、平行導波路９２の幅、及び２つの導波路の間隔を足し合わせた幅よりも広く設定されている。

【0074】

第１モード変換部８０で、平行導波路８１にＴＥ０の光が入力される。この入力端で、テーパ導波路８２の幅は、平行導波路８１の幅よりも広く、２つの導波路間でモード結合はほとんど生じない。ＴＥ０の導波モードのうち、ＴＥ偶モードよりも実効屈折率の小さいＴＥ奇モードは、幅の狭い平行導波路８１に局在する。

【0075】

テーパ導波路８２の幅が徐々に狭くなって、平行導波路８１の幅に近づくことで、ＴＥ奇モードが徐々にテーパ導波路８２に結合する。テーパ導波路８２の長さを十分に長くとることで、ほとんどパワーまたはエネルギーの損失なしに、平行導波路８１に入力されたＴＥ０を、ＴＥ奇モードに変換可能である。

【0076】

第２モード変換部９０で、平行導波路９１と平行導波路９２のＴＥ奇モードの電界分布は、結合導波路９３で、ＴＥモードの電界分布に遷移する。ＴＥ奇モードは、導波路の幅方向の電界分布が、反対称関数となり、２つのピークをもつ。ＴＥモードのうち、２番目に実効屈折率の高いＴＥ１モードも、幅方向の電界成分が反対称で２つのピークをもつ。ＴＥ奇モードとＴＥ１モードの電界分布の類似性から、平行導波路９１及び９２から結合導波路９３に伝搬した光は、ＴＥ１モードの光に変換され、結合導波路９３から、ＴＥ１モードの光が出力される。

【0077】

図１３は、ＴＥ１発生器の別の構成例として、ＴＥ１発生器１２１Ｂを示す。ＴＥ１発生器１２１Ｂは、入力されたＴＭ０を、ＴＥ１に変換して出力する。

【0078】

ＴＥ１発生器１２１Ｂは、上部コア１３１と下部コア１３２を有する導波路１３０で形成される。

【0079】

光軸方向の位置Ｚ＝０で、上部コア１３１と下部コア１３２の幅は等しく、ｗ１１である。光軸方向の中央部の位置Ｚ＝０．５で、下部コア１３２の幅ｗ１４は、開始点の幅ｗ１１と等しいが（ｗ１４＝ｗ１１）、上部コア１３１の幅は、ｗ１３まで低減される（ｗ１３＜ｗ１１）。

【0080】

位置Ｚ＝０．５からＺ＝１までは、上部コア１３１の幅は一定である（ｗ１３＝ｗ１２）。一方、下部コア１３２の幅は、ｗ１４からｗ１２まで、徐々に減少する。Ｚ＝１の位置で、上部コア１３１と下部コア１３２は、同じ幅ｗ１２となる。

【0081】

Ｚ＝０からＺ＝１の区間にわたって、上部コア１３１の幅と下部コア１３２の幅が異なり、導波路１３０は高さ方向の中心に対して非対称の形状を有する。

【0082】

図１４は、図１３のＴＥ１発生器１２１Ｂにおけるモード変換を説明する図である。ＴＭ０モードとＴＥ１モードの屈折率を、ＴＥ１発生器１２１Ｂの光軸方向の位置Ｚの関数として示す。実線は、図１３の系を導波するモードのうち、２番目に大きい実効屈折率を示し、破線は、３番目に大きい実効屈折率を示す。実効屈折率が一番大きいＴＥ０は省略されている。

【0083】

Ｚ＝１で、導波路１３０にＴＭ０モードの光が入力されると、光は、上部コア１３１と下部コア１３２で形の異なる導波路１３０を伝搬する。Ｚ＝１では、ＴＭ０モードの実効屈折率は、ＴＥ１モードの実効屈折率よりも高い。Ｚ＝０では、ＴＥ１モードの実効屈折率は、ＴＭ０モードの実効屈折率よりも高い。ＴＭ０モードは、磁界の主要成分が、光伝搬方向と直交する面内で、基板と垂直方向に振動し、Ｚの位置にかかわらず、実効屈折率の変化が小さい。

【0084】

一方、ＴＥ１モードは、電界の主要成分が、光伝搬方向と直交する面内で、基板と水平方向に振動する。ＴＥ１モードの実効屈折率は、Ｚ＝１からＺ＝０に向かって、大きく変化する。

【0085】

上部コア１３１と下部コア１３２の断面形状が異なる導波路１３０では、光軸方向の中央（Ｚ＝０．５）付近で、ＴＭ０モードとＴＥ１モードの実効屈折率の大小関係が入れ替わる。この領域では、個別のＴＭ０モードとＴＥ１モードが存在しないＴＭ０－ＴＥ１ハイブリッドモードとなる。ＴＭ０モードとＴＥ１モードのカップリングを利用して、断熱的に偏波変換が行われる。

【0086】

図１３に戻って、Ｚ＝１で導波路１３０に入力されたＴＭ０モードは、Ｚ＝０で、ＴＥ１モードで出力される。このＴＥ１発生器１２１Ｂも、位相反転カプラ１１１ＢのＴＥ１発生器１２１として有効に用いられる。

【0087】

＜光回路デバイスの変形例＞
図１５は、変形例として、光回路デバイス１１Ａを示す。光回路デバイス１１Ａの基本構成は、図５の光回路デバイス１１と同じであるが、隣接する光カプラを接続する光導波路に、位相シフタ１１９が挿入されている。位相シフタ１１９は、たとえば電圧駆動のシフタであり、印加される電圧を制御することで、導波路の屈折率を変化させて、光の伝搬速度、すなわち位相を制御する。

【0088】

図１５の例では、２×２カプラ１１３と２×２カプラ１１４を接続する光導波路１１８に位相シフタ１１９が挿入されているが、光導波路１１５～１１８の少なくともひとつに位相シフタを挿入してもよい。

【0089】

位相シフタ１１９を用いることで、製造誤差等により光導波路の光路長が所望の値からずれたときに、光路長のずれを補償して、Ｉ信号とＱ信号の位相差を９０度に保つことができる。

【0090】

＜光受信機への適用例＞
図１５は、実施形態の光回路デバイス１１を用いた光受信機１の構成例である。光受信機１は、光受信フロントエンド回路１０と、信号処理回路２０を有する。光回路デバイス１１は、光受信フロントエンド回路１０で、９０度光ハイブリッド１１Ｘ、及び１１Ｙ（以下、適宜、「９０度光ハイブリッド１１」と総称する）に用いられる。

【0091】

光受信機１は、一例として、ＤＰ－ＱＰＳＫ（偏波多重直交位相変調：Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）方式の受信機である。光伝送路から受信される信号光（ＳＩＧＮＡＬ）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で、互いに直交する２つの偏波に分離され、Ｘ偏波用の９０度光ハイブリッド１１Ｘと、Ｙ偏波用の９０度光ハイブリッド１１Ｙに入力される。

【0092】

局発光源ＬＯから出力される参照光は、ビームスプリッタ（ＢＳ）で２つに分岐され、Ｘ偏波用の９０度光ハイブリッド１１Ｘと、Ｙ偏波用の９０度光ハイブリッド１１Ｙに入力される。

【0093】

９０度光ハイブリッド１１Ｘ、及び１１Ｙの各々で、上述した位相反転カプラ１１１が用いられており、参照光は、位相反転カプラ１１１で、１８０度の位相差をもつ２つの光に分割される。信号光は、２×２カプラ１１４で、９０度の位相差をもつ２つの光に分割される。

【0094】

分割された光成分は２×２カプラ１１２及び１１３で混合され、９０度ずつ位相がシフトした４つの光信号Ｉｐ、Ｉｎ、Ｑｐ、Ｑｎが出力される。

【0095】

互いに１８０度の位相差をもつＩｐ信号とＩｎ信号は、光検出器の組１２ａで検出される。光検出器の組１２ａから出力される光電流は、トランスインピータンスアンプを含む増幅回路１３ａで電圧信号に変換されて、信号処理回路２０に出力される。

【0096】

互いに１８０度の位相差をもつＱｐ信号とＱｎ信号は、光検出器の組１２ｂで検出される。光検出器の組１２ｂから出力される光電流は、トランスインピータンスアンプを含む増幅回路１３ｂで電圧信号に変換されて、信号処理回路２０に出力される。

【0097】

位相反転カプラ１１１を用いることで、９０度光ハイブリッド１１の４つの出力ポートの配列と、電気段（光検出器の組１２ａ、１２ｂ、及び増幅回路１３ａ、１３ｂ）への入力の配列が一致し、光配線長が最短化されている。

【0098】

Ｙ偏波用の９０度光ハイブリッド１１Ｙでも、同様の動作が行われる。９０度光ハイブリッド１１Ｙの４つの出力ポートの配列と、電気段（光検出器の組１２ｃ、１２ｄ、及び増幅回路１３ｃ、１３ｄ）への入力の配列が一致して、光配線長が最短化されている。

【0099】

増幅回路１３ａ～１３ｄから出力されるアナログ電気信号は、信号処理回路２０のアナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）２１ａ～２１ｄでデジタルサンプリングされ、ＤＳＰ２５で波形歪の補償を受けて、復元される。

【0100】

以上、特定の構成例に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した構成例に限定されない。光回路デバイス１１の光導波路を形成する際に、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）基板のＳｉ層を利用してＳｉコアを形成し、ＢＯＸ（Buried Oxide）層のＳｉＯ_２をクラッドに用いてもよい。コアとクラッドの屈折率の差が大きいので、コアへの光閉じ込めが強く、小さな曲げ半径でも光損失を抑制することができる。

【0101】

本発明の構成は、シリコン基板上に堆積したシリカガラスをエッチングしたＰＬＣ（Planer Lightwave Circuit:プレーナ光波回路）や、ＩｎＰ，ＧａＡｓ等の化合物半導体材料を用いた光回路にも、適用可能である。

【符号の説明】

【0102】

１ 光受信機
１０ 光受信フロントエンド回路
１１ 光回路デバイス
１１Ｘ、１１Ｙ ９０度光ハイブリッド
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ 位相反転カプラ（第２光カプラ）
１１２ ２×２カプラ（第３光カプラ）
１１３ ２×２カプラ（第４光カプラ）
１１４ ２×２カプラ（第１光カプラ）
１１５ 光導波路（第３光導波路）
１１６ 光導波路（第１光導波路）
１１７ 光導波路（第４光導波路）
１１８ 光導波路（第２光導波路）
１１９ 位相シフタ
１２１、１２１Ａ、１２１Ｂ ＴＥ１発生器
１２２ １×２カプラ
２０ 信号処理回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】