JP7425357B2

JP7425357B2 - 光回路

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Publication number: JP7425357B2
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Inventors: 真地蔵堂; 学小熊; 悠介那須; 雄一郎伊熊
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Filing date: 2022-11-28
Publication date: 2024-01-31
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Description

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機を構成する光回路に関する。詳しくは、本発明は、シリコン導波路で形成された平面型の光９０度ハイブリッド回路に関する。

シリコン導波路による光回路は、石英など従来の材料で構成された光回路に比して回路サイズを飛躍的に小さくできる利点を有し、研究開発が盛んにおこなわれている。100Gbit/s超の次世代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、特にＤＰ－ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase-Shift Keying）などのコヒーレント受信方式が注目されている。

コヒーレント受信方式で用いられる光受信機の構成部品の中で、光９０度ハイブリッド回路に関しては、平面基板上に石英などの材料を用いて作製された平面光波回路（ＰＬＣ： planar lightwave circuit）から構成される製品が既に開発、製品化されている。光９０度ハイブリッド回路に対しても、シリコン導波路による光回路は、石英など従来の材料で構成された光回路に比して回路サイズを飛躍的に小さくできる利点を有している。

また、コヒーレント光受信機における光９０度ハイブリッド回路以外の構成部品も、シリコン導波路による光回路で同時に作製することにより、より小型高集積なコヒーレント光受信機の提供が可能となる。このような背景から、シリコン導波路で形成された光９０度ハイブリッド回路の実用化が期待されている。

図１は、光導波路で形成された光９０度ハイブリッドの第１の従来例を示す構成図である（特許文献１参照）。ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）信号の復調に用いられる光遅延干渉回路は、コヒーレント受信方式に用いられる光受信機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。

ここで、図１の従来の光９０度ハイブリッド回路に入力された光の伝搬過程を説明する。外部から入力された信号光は、信号光入力導波路１０１を介して第１の光分岐手段である光スプリッタ１０３によって２つに分岐される。外部から入力された局部発振光は、局部発振光入力導波路１０２を介して第２の光分岐手段である光スプリッタ１０４によって２つに分岐される。

光スプリッタ１０３によって２つに分岐された光は、アーム導波路１０５、１０８を介して第１および第２の光結合手段である２つの光結合器１０９、１１０に入力される。光スプリッタ１０４によって２つに分岐された光は、アーム導波路１０６、１０７を介して第１および第２の光結合手段である２つの光結合器１０９、１１０に入力される。

光結合器１０９及び光結合器１１０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１０９から出力される信号光と局部発振光との干渉光は、干渉光出力導波路１１１、１１２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１１５に出力される。光結合器１１０から出力される信号光と局部発振光との干渉光は、干渉光出力導波路１１３、１１４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１１６に出力される。

局部発振光が入力される光スプリッタ１０４は、２入力２出力の構造をもつ。ここで、光スプリッタ１０４は、２入力２出力の方向性結合器、またはＭＭＩ（Multimode Interferometer）を用いる。このとき、方向性結合器またはＭＭＩで構成された光スプリッタ１０４の２つの出力光は、その位相が互いに９０度ずれている。これにより、光結合器１０９、１１０の各々から出力導波路１１１、１１２、１１３、１１４を介して出力される干渉光を差動受光器１１５及び１１６で差分検波することができ、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になる。

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１０３で分岐された信号光を伝送する２つのアーム導波路１０５、１０８の導波路長、及び光スプリッタ１０４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１０６、１０７の導波路長を、それぞれ等長とする必要がある。さらに、４本のアーム導波路１０５～１０８すべての導波路長を、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。

国際公開第２０１１／００１６７９号

Hang Guan et al, "Compact and low loss 90° optical hybrid on a silicon-on-insulator platform", OPTICS EXPRESS, Vol. 25, No. 23, pp.28957-28968, (2017) Takeshi Fujisawa et al, "Low-loss, compact, and fabrication-tolerant Si-wire 90° waveguide bend using clothoid and normal curves for large scale photonic integrated circuits", OPTICS EXPRESS, Vol. 25, No. 8, pp.9150-9159, (2017)

シリコン導波路による光回路は、クラッドにシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの材料を用いることが一般的であり、石英などの材料を用いた導波路と比較し、コアの屈折率が高く、コアとクラッドの屈折率コントラストが大きい。このため、石英などの材料を用いた導波路と比較して、シリコン導波路を用いた光回路は、コアの導波路幅や導波路厚の変動に対する伝搬する光の実行屈折率および伝搬定数の変動が大きい。

したがって、図１で示したような２つのアーム導波路が交差し、かつアームを等長すなわちアームを伝搬する光の光路長を等長とする必要のある構造をもつ光９０度光ハイブリッドでは、石英などの低屈折率材料を用いた場合と比較してシリコン導波路を用いた場合のほうが、コア導波路の加工誤差による位相誤差がより発生しやすい。また、図１で示した光９０度ハイブリッドの構造において、光スプリッタ間を接続するアーム導波路１０５～１０８が長ければ長いほど、導波路の加工誤差の影響が大きくなり、光損失および位相誤差がより大きくなる。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、光損失および位相誤差を抑制しつつ、電気実装と光実装を容易にする、シリコン導波路による光９０度ハイブリッドを提供することにある。

本発明の一態様は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。

（構成１）
第１の入力光を等しい位相を有する第１の出力光および第２の出力光に分岐する第１の光分岐手段と、
第２の入力光を９０度の位相差を有する第３の出力光および第４の出力光に分岐する第２の光分岐手段と、
第１の出力光と第３の出力光とを合波して第１および第２の干渉光を生成する第１の光結合手段と、
第２の出力光と第４の出力光とを合波して第３および第４の干渉光を生成する第２の光結合手段
とを備えた光回路であって、
第１の光分岐手段と第２の光分岐手段は、左右に対向して配置され、それぞれに入力される第１および第２の入力光は、左右方向から入力されるようにされており、
第１の光結合手段と第２の光結合手段は、上下に背向して配置され、それぞれから生成される第１ないし第４の干渉光は、上下方向へ出力するようにされており、
第１の光分岐手段における光の伝搬方向の中心軸は、第２の光分岐手段における光の伝搬方向の中心軸と重ならず、
第１の光結合手段における光の伝搬方向の中心軸は、第２の光結合手段における光の伝搬方向の中心軸と重ならない
ように構成されたことを特徴とする光回路。

（構成２）
第１の出力光を導波する導波路、第２の出力光を導波する導波路、第３の出力光を導波する導波路、および、第４の出力光を導波する導波路が、それぞれ互いに交差しないことを特徴とする構成項１に記載の光回路。

（構成３）
第１の出力光を導波する導波路の光路長と第２の出力光を導波する導波路の光路長とが等しく、第３の出力光を導波する導波路の光路長と第４の出力光を導波する導波路の光路長とが等しいことを特徴とする構成１または２に記載の光回路。

（構成４）
第１の出力光を導波する導波路の光路長と第２の出力光を導波する導波路の光路長と第３の出力光を導波する導波路の光路長と第４の出力光を導波する導波路の光路長とが、それぞれ等しいことを特徴とする構成１または２に記載の光回路。

（構成５）
シリコン光導波路チップに形成され、
第１および第２の干渉光を差動受光する第１の光電変換部を有し、
第３および第４の干渉光を差動受光する第２の光電変換部を有し、
第１または第２の入力光が伝搬する導波路は、第１または第２の光電変換部と前記シリコン光導波路チップの端部との間を通り、
第１および第２の入力光の入力の方向が一致する
ことを特徴とする構成１ないし４のいずれか１項に記載の光回路。

以上記載したように、本発明によれば、光損失および位相誤差を抑制しつつ、電気実装と光実装を容易にする、シリコン導波路による光９０度ハイブリッドを提供することが可能となる。

従来の光９０度ハイブリッドの構成を示す図である。本発明の実施形態１の構成例１の光９０度ハイブリッドの構成を示す図である。伝搬する光のＴＥ基本モードとＴＥ１次モードの電力比と過剰損失の関係を示す図である。伝搬する光のＴＥ基本モードとＴＥ１次モードの電力比と位相差の関係を示す図である。本発明の実施形態１の構成例２の光９０度ハイブリッド回路の構成を示す図である。本発明の実施形態１の構成例３の光９０度ハイブリッド回路の構成を示す図である。本発明の実施形態１の構成例４の光９０度ハイブリッド回路の構成を示す図である。光電変換部を光導波路チップ端に配置しつつ、信号光と局部発振光の入力位置をそろえる構成を示す図である。光電変換部を光導波路チップ端に配置しつつ、信号光と局部発振光の入力位置をそろえる別構成を示す図である。本発明の実施形態２の光９０度ハイブリッド回路の構成を示す図である。本発明の実施形態２の光９０度ハイブリッド回路の別構成を示す図である。

[実施形態１]
図２に本発明の実施形態１の光９０度ハイブリッドの構成例１を示す。この構成では、光９０度ハイブリッドに左右から信号光および局部発振光がそれぞれ入力され、これらの入力光を分岐・出力する前段の光スプリッタ２０２および２１３が左右に対向して配置されている。また、各々の光スプリッタにより分岐された信号光と局部発振光の分岐光を入力、合波して、上下方向に干渉光として出力する光結合器２０６および２１９が、上下に背向して配置されている。このような構造で、光スプリッタと光結合器間を接続するアームどうしの交差を必要としない構造となっている。

ここで、図２の光９０度ハイブリッド回路に入力された光の伝搬過程を説明する。外部から入力された信号光は、信号光入力導波路２０１を介して光スプリッタ２０２によって２つに分岐される。外部から入力された局部発振光は、局部発振光入力導波路２１４を介して光スプリッタ２１３によって２つに分岐される。

光スプリッタ２０２によって２つに分岐された信号光は、アーム導波路２０３～２０５、２２５～２２３を介して２つの光結合器の２０６、２１９に入力される。

同様に、光スプリッタ２１３によって２つに分岐された局部発振光は、アーム導波路２１２～２１０、２１６～２１８を介して２つの光結合器２０６、２１９に入力される。

光結合器２０６及び光結合器２１９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２０６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２０７、２０９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２０８に出力される。

同様に、光結合器２１９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２２２、２２０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２２１に出力される。

ここで、図２の光９０度ハイブリッドにおいて、光スプリッタ２１３は図１の光９０度ハイブリッドと同様に方向性結合器またはＭＭＩからなる２入力２出力の光スプリッタであり、その２つの光出力は互いに９０度の位相差をもつ。その結果、光結合器２０６、２１９の各々から出力導波路２０７、２０９、２２２、２２０を介して出力される干渉光を、差動受光器２０８及び２２１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になる。

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２０２で分岐された信号光を伝送する２つのアーム導波路の導波路長、及び光スプリッタ２１３で分岐された局部発振光を伝送する２つのアーム導波路の導波路長を、それぞれ等長とする必要がある。さらに、４本のアーム導波路の導波路長を、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。

ここで、図２の光９０度ハイブリッドにおけるアーム導波路の導波路２０４、２１１、２１７、２２４は、曲げ角９０度の曲げ導波路を用いている。高い屈折率コントラストをもつシリコン導波路では、石英を用いた光導波路と比べ、その曲率を大幅に小さくすることが可能となる。このような曲げ導波路を用いてアームどうしの交差を用いないことで、図１で示すようなアームどうしの交差をもつ構造に比べ、光スプリッタと光結合器間を接続するアームの導波路長を短くすることができる。

したがって、図２の構造は図１の従来構造に比べ、コア導波路の加工誤差による位相誤差を小さくすることができる。また、アームどうしの交差を用いないため、導波路を交差させるための構造が不要となり、光損失を抑制できる。

以上のように、シリコン導波路を用いた光９０度ハイブリッドにおいて、入力される信号光および局部発振光がそれぞれ入力される２つの光スプリッタを対向して配置し、かつ各々のスプリッタにより分岐された信号光と局部発振光とが合波・干渉出力される２つの光結合器を背向して配置することで、光スプリッタと光結合器間を接続するアームどうしの交差を必要としない構造となり、位相誤差の低減および光損失の低減が可能となる。

（再結合）
図２の本発明の実施形態１による光９０度ハイブリッドでは、信号光が入力される光スプリッタと、局部発振光が入力される光スプリッタとが対向に配置される。このとき、それぞれの光スプリッタで生じた放射モード成分は、対向する光スプリッタへと再度入射されたうえで再結合し、局部発振光の入力部と信号光の入力部へそれぞれ伝搬する。これらの再結合された光は、局部発振光や信号光を生成する光源への戻り光となることから、コヒーレント受信機における受信特性の劣化を招く。

（高次モード成分）
また、図２の光９０度ハイブリッドにおいて、シリコン導波路を用いた光回路における曲率の小さな曲げ導波路では、伝搬する光の一部が高次モード成分や放射モード成分となり、後段に接続される要素回路への高次モード成分の入力または光損失が発生し、光回路としての性能劣化を招く。ここで、シリコン導波路が完全なシングルモード条件下であり、かつ曲げ導波路の曲率が十分に大きい設計であれば、曲げ導波路での高次モード成分は抑制される。

しかしながら、シリコン導波路において、１次モードカットオフ条件より大幅に導波路幅を小さくすると、伝搬損失が大きくなる傾向にある。そのため、厚さ220nmのシリコン導波路かつＣ帯付近の通信波長で使用する場合は、Ｃ帯での１次モードカットオフ幅付近の450nmから500nm程度の幅で設計されることが一般的である。このとき、シリコン導波路の加工誤差により１次モードカットオフ幅を超えてシリコン導波路が作製された場合、曲げ導波路により高次モード成分が励起されてしまう。

曲げ導波路の曲率を十分に大きくすることで、曲げ導波路での光損失と高次モード成分励起を抑制できるが、曲率を大きくすると、同時に曲げ導波路の導波路長が長くなり、加工誤差により光９０度ハイブリッドにおける各アーム導波路間で幅や厚みに差が生じた際の各アーム間の光路長差が大きくなり、光９０度ハイブリッドとしての位相誤差が増大しやすい。

ここで、導波路で発生した高次モード成分が、図２の光結合器２０６、２１９へ入力される場合について説明する。

図３は、２入力２出力のＭＭＩの２つの入力ポートうち片方のポートにＴＥ偏波の基本モードを入射する際の、入力されるＴＥ偏波の基本モードに対する高次モード成分の電力比（横軸）とＭＭＩの過剰損失（縦軸：ｄＢ）との関係を示した図である。

図４は、２入力２出力のＭＭＩの２つの入力ポートうち片方のポートにＴＥ偏波の基本モードを入射する際の、入力されるＴＥ偏波の基本モードに対する高次モード成分の電力比（横軸）とＭＭＩの２つの出力導波路を伝搬する光の位相差（縦軸：ｄｅｇ）との関係を示した図である。ここで、図３および図４の計算に用いたＭＭＩは、コア厚220nm、ＭＭＩ幅4μm、ＭＭＩ長58μm、クラッドはＳｉＯ２である。

図３および図４で示すように、２入力２出力ＭＭＩの片方の入力ポートに入力される入力光の高次モード成分が増大するのに伴い、光損失と位相誤差（９０度からのずれ）も増大する。このため、図２で説明したような光９０度ハイブリッドにおいて、光スプリッタで分岐された信号光と局部発振光が２つの光結合器でそれぞれ合波される際、曲げ導波路部で発生した高次モード成分が光結合器に入射されることにより光損失や位相誤差を生じることとなる。以上のことから、光９０度ハイブリッドの各アームで用いられる曲げ導波路は、光路長を短くでき、かつ高次モード成分や光損失を抑制できる構造が望ましい。

[実施形態１の構成例２]
図５は、本発明の実施形態１の構成例２に係る光９０度ハイブリッドについて説明する。図５は、本実施形態１における対向する光スプリッタ、光結合器の間の放射モードの再結合を抑制する光９０度ハイブリッドの構成を示す平面図である。

図５で、左の信号光入力導波路５０１より入力された信号光は、第１の光分岐手段である光スプリッタ５０２により分岐され、直線形状に形成された導波路５０３、５２５から、９０度の円弧形状に形成された導波路５０４、５２４および直線形状に形成された導波路５０５、５２３を介して、第１および第２の光結合手段である光結合器５０６、５１９へ入力される。

同様に図５で、右の局部発振光入力導波路５１４から入力された局部発振光は、第２の光分岐手段である光スプリッタ５１３により分岐され、直線形状に形成された導波路５１２、５１６から、９０度の円弧形状に形成された導波路５１１、５１７および直線形状に形成された導波路５１０、５１８を介して、第１および第２の光結合手段である光結合器５０６、５１９へ入力される。

このとき、光スプリッタ５１３で分岐された２つの局部発振光は、それぞれ互いに９０度の位相差をもつ。導波路５０４、５１１、５１７、５２４は光スプリッタと光結合器間を接続するアーム導波路の一部であり、円弧形状の曲線形状を有する曲げ導波路である。

１入力２出力型の光スプリッタ５０２で分岐された２つの出力光（信号光）は、光結合器５０６、５１９に入射される際に同位相である必要があり、かつ２入力２出力型の光スプリッタ５１３で分岐された２つの出力光（局部発振光）は、光結合器５０６、５１９に入力される際にその位相差が９０度でなければならない。

図５に示した実施形態１の構造においては、光スプリッタと光結合器間を接続する４経路のアーム導波路のうち、導波路５０３、５０４、５０５によって構成されるアーム導波路と、導波路５２３、５２４、５２５によって構成されるアーム導波路は、その光路長（各アーム導波路を構成する３本の導波路の光路長の和）において等長である。同様に、導波路５１０、５１１、５１２によって構成されるアーム導波路と、導波路５１６、５１７、５１８によって構成されるアーム導波路は、その光路長において等長である。これらアーム導波路２対の光路長を等長とすることにより、光９０度ハイブリッドとしての位相関係が維持される。

本構成例２では、光スプリッタ５０２、５１３により分岐される信号光と局部発振光が伝搬するアーム導波路の４つの直線形状の出力導波路のうち、一方の導波路５２５および５１２を他方の導波路５０３および５１６に比べて長く形成してある。かつまた、光結合器５０６および５１９に接続されるアーム導波路の４つの直線形状の入力導波路のうち、一方の導波路５０５および５１８を他方の導波路５１０および５２３に比べて長く形成してある。

このように、各光スプリッタの出力導波路および光結合器の入力導波路の各２本のうち、一方を他方に比して長くすることにより、信号光が入力される光スプリッタ５０２と局部発振光が入力される光スプリッタ５１３との、光の伝搬方向の中心軸（図５のｃ５０２、ｃ５１３で示す、スプリッタの２つの出力導波路の間の線）どうしが互いに重ならない、ずれた構造となる。

これらの対向して配置された光スプリッタ５０２および５１３の、光の伝搬方向の中心軸にずれを設けることで、一方の光スプリッタより放射される放射モードが対向配置された他方の光スプリッタにそれぞれ再結合されることを抑制できる。２つの中心軸Ｃ５０２、Ｃ５１３は、必ずしも平行にずれる必要は無く、放射モードの再結合が抑制される程度に光軸が互いに重ならなければ充分である。これにより対抗する光スプリッタどうしの放射モードの再結合を抑制することができ、光９０度ハイブリッドを含めたコヒーレント受信機の受信特性の劣化を抑制できる。

同様に、光結合器５０６における光の伝搬方向の中心軸（Ｃ５０６）も、光結合器５１９における光の伝搬方向の中心軸（Ｃ５１９）と重ならない、ずれた構造とする。これにより背向する光結合器どうしの放射モードの再結合を抑制することができ、光９０度ハイブリッドを含めたコヒーレント受信機の受信特性の劣化をさらに抑制できる。要すれば、対向する２つの光分岐手段と、背向する２つの光結合手段を備えた光９０度ハイブリッド回路において、光軸が互いに重ならないように、光分岐手段と光結合手段を配置している。

なお、以下の実施例を含め４経路の各アーム導波路を構成する３つの導波路における直線と曲線の部分の区別は、説明及び設計・実装上の便宜のためのものであって必須なものでは無く、対向する光分岐手段または背向する光結合手段における光の伝搬方向の中心軸が重ならないことが要点であって、例えば曲線導波路のみで各アーム導波路を構成することも可能である。

[実施形態１の構成例３]
図６は、実施形態１の構成例３として、対向する光スプリッタ、背向する光結合器の間の放射モードの再結合を抑制する光９０度ハイブリッドの構造において、アーム導波路の曲げ導波路にオフセットを設けた構成例を示す平面図である。

ここでのオフセットとは、曲げ導波路の導波路幅はそのままに、４つの曲げ導波路の円弧の曲率半径をわずかに小さく（例えば曲率半径として、数nmから数十nm程度小さくする。）して、曲げの中心側にずらして配置することである。オフセットを設けた円弧により描画される曲げ導波路では、図８に示すように円弧形状の曲げ導波路と前後の導波路部分との接続部分において、導波路幅方向にわずかに食い違いが生じるが、曲げ導波路では光ビームの中心が曲げの外側にずれるため、前後の直線導波路部分との整合がとれ、オフセットを設けない場合に比して光損失および高次モードを抑制できる。

アーム導波路の曲げ導波路の円弧形状の前後の接続部分に、このようなオフセットを設けることにより、光損失および高次モードを抑制できる。

各アーム導波路で用いる円弧形状の曲げ導波路６０４、６１１、６１７、６２４にオフセットを設けることで、同曲げ導波路で発生する光損失および高次モードを抑制することができる。

図６で、左の信号光入力導波路６０１より入力された信号光は、第１の光分岐手段である光スプリッタ６０２により分岐され、直線形状に形成された導波路６０３、６２５から、９０度の円弧形状に形成された導波路６０４、６２４および直線形状に形成された導波路６０５、６２３を介して、第１および第２の光結合手段である光結合器６０６、６１９へ入力される。

同様に図６で、右の局部発振光入力導波路６１４から入力された局部発振光は、第２の光分岐手段である光スプリッタ６１３により分岐され、直線形状に形成された導波路６１２、６１６から、９０度の円弧形状に形成された導波路６１１、６１７および直線形状に形成された導波路６１０、６１８を介して、第１および第２の光結合手段である光結合器６０６、６１９へ入力される。

このとき、光スプリッタ６１３で分岐された２つの局部発振光は、それぞれ互いに９０度の位相差をもつ。

また、図６においては、図５で示した構造と同様に、光スプリッタ６０２、６１３の４ついの直線形状の出力導波路のうち、一方の導波路６２５、６１２を他方の導波路６０３、６１６に比して長く形成してある。かつまた、光結合器６０６、６１９の４つの直線形状の入力導波路のうち一方の導波路６０５、６１８を他方の導波路６１０、６２３に比して長く形成している。

１入力２出力型の光スプリッタ６０２で分岐された２つの信号光が伝搬する２本のアーム導波路（６０３～６０５、６２５～６２３）が、その光路長（各アーム導波路を構成する３本の導波路の光路長の和）において等長であり、かつ光スプリッタ６１３で分岐された２つの局部発振光が伝搬する２本のアーム導波路（６１２～６１０、６１６～６１８）が、その光路長において等長である。

以上のような構造により、対向する光スプリッタまたは光結合器の中心軸にずれを設け、互いに重ならない配置としつつ、対向する光スプリッタどうしの放射モードの再結合による光９０度ハイブリッドの受信特性の劣化を抑制でき、さらにアーム導波路の曲げ導波路にオフセットを設けることにより、各光スプリッタ間を接続するアーム導波路で用いられる曲げ導波路の光路長を短くしつつ、同曲げ導波路で発生する光損失および位相誤差を抑制することができ、光９０度ハイブリッドにおける光損失および位相誤差を一層抑制することができる。

[実施形態１の構成例４]
図７は、実施形態１の構成例４として、アーム導波路で用いられる曲げ導波路を、クロソイド曲線によって描画される曲線部分を含む曲げ導波路とした、光９０度ハイブリッドの構造を示す図である。

図７で、左の信号光入力導波路７０１より入力された信号光は、第１の光分岐手段である光スプリッタ７０２により分岐され、直線形状に形成された導波路７０３、７２５から、クロソイド曲線形状に形成された導波路７０４、７２４および直線形状に形成された導波路７０５、７２３を介して、第１および第２の光結合手段である光結合器７０６、７１９へ入力される。

同様に図７で、右の局部発振光入力導波路７１４より入力された局部発振光は、第２の光分岐手段である光スプリッタ７１３により分岐され、直線形状に形成された導波路７１２、７１６から、クロソイド曲線形状に形成された導波路７１１、７１７および直線形状に形成された導波路７１０、７１８を介して、第１および第２の光結合手段である光結合器７０６、７１９へ入力される。

このとき、光スプリッタ７１３で分岐された２つの局部発振光は、それぞれ互いに９０度の位相差をもつ。

ここで、クロソイド曲線とは、曲率( 曲率半径の逆数)が曲線長に比例して一様に増大または減少して変化する螺旋状の曲線であるが、クロソイド曲線を用いた曲げ導波路は、同サイズの円弧を用いた曲げ導波路に比して低損失かつ高次モードを抑制できることが知られている。クロソイド曲線を用いた曲げ導波路に関しては、非特許文献２に詳しい。本変形例２では、クロソイド曲線の区間の両端における接線が９０度の角度差となる曲線形状を、曲げ導波路の曲線形状として用いている。

図７の構成例４では図６で示した構成例３の構造と同様に、各スプリッタ間を接続する４本のアーム導波路で用いられる曲げ導波路７０４、７１１、７１７、７２４を、端部において傾きが９０度異なるクロソイド曲線の形状の曲げ導波路とすることで、曲げ導波路で発生する高次モードを抑制できる。

また、図５および図６で示した実施形態１の構成例２，３と同様に、光スプリッタ７０２、７１３の４つの直線形状の出力導波路のうち、一方の導波路７２５、７１２を他方の導波路７０３、７１６に比して長く形成し、かつ光結合器７０６、７１９の４つの直線形状の入力導波路のうち、一方の導波路７０５、７１８を他方の導波路７１０、７２３に比して長く形成してある。かつ光スプリッタ７０２で分岐された２つの信号光が伝搬する２本のアーム導波路（７０３～７０５、７２５～７２３）が、その光路長において等長であり、かつ光スプリッタ７１３で分岐された２つの局部発振光が伝搬する２本のアーム導波路（７１０～７１２、７１６～７１８）が、その光路長において等長である。

以上のような構造により、対向する光スプリッタまたは背向する光結合器の中心軸にずれを設け、互いに重ならない配置としつつ、対向する光スプリッタまたは光結合器どうしの放射モードの再結合による光９０度ハイブリッドの受信特性の劣化を抑制でき、さらにアーム導波路で用いられる曲げ導波路をクロソイド曲線の形状することで、各光スプリッタ間を接続するアーム導波路で用いられる曲げ導波路の光路長を短くしつつ、同曲げ導波路で発生する光損失および位相誤差を抑制することができ、光９０度ハイブリッドにおける光損失および位相誤差を更に一層抑制することができる。

［実施形態２］
本発明の実施形態１の光９０度ハイブリッドの構造を用いる際、図２のように信号光と局部発振光の入射の向きは互いに対向している。これら入射の向きを同方向にそろえることができれば、光９０度ハイブリッドを含むコヒーレント光受信機へ信号光と局部発振光とをファイバアレイ等を用いてまとめて光接続できるため、部品点数を削減でき実装コストを低減できる。さらに、光電変換部の電気実装容易性および高周波特性の向上のためには、光電変換部を光回路チップの端部にまとめることが好ましい。

信号光と局部発振光の入射の向きを同方向にそろえつつ、光電変換部を光回路チップの端部にまとめるためには、図８で示すように信号光入力導波路４０３と光結合器から光電変換部４０９へ接続する干渉光出力導波路４０６、４０７を交差させるか、あるいは図９のように局部発振光入力導波路４１３と光結合器から光電変換部４１９へ接続する干渉光出力導波路４１６、４１７を交差させる必要がある。

ここで、図８、図９の点線で囲んだ回路４０１、４１１は、それぞれ２つの光スプリッタと２つの光結合器、４つのアーム導波路からなる回路であり、図２で示した光９０度ハイブリッドにおける光電変換部を除いた構造の概略図である。このとき、図８においては信号光が、図９においては局部発振光が、それぞれ２本の導波路と交差することで、光損失を生じてしまう。

図８および図９に示した光９０度ハイブリッドの構造では、光電変換部における電気実装容易性および高周波特性の向上のため光電変換部を光導波路チップ端部に配置し、かつ信号光と局部発振光の光入力部における光接続容易性向上のため信号光と局部発振光の入力位置を揃える構造を示した。この構造では、信号光を入力する導波路と光電変換部へ接続される導波路とが交差する箇所、あるいは局部発振光を入力導波路と光電変換部へ接続される導波路とが交差する箇所が生じる。信号光または局部発振光が交差を計２か所通過することから、光損失が増大することが問題であった。

図１０、図１１には、本発明の実施形態２として、光９０度ハイブリッドの導波路どうしが交差せず、かつ信号光と局部発振光の入力位置および入力の向きを揃えることができ、かつ光電変換部を光導波路チップ端部に配置することが可能となる構造を示す。

図１０、図１１には、それぞれ信号光入力導波路８０３、８１２および局部発振光入力導波路８０２、８１３が示される。また、それぞれ２つの光スプリッタと２つの光結合器、４経路のアーム導波路からなる回路８０１、８１１が示され、これは図２，５，６，７の各々で示した光９０度ハイブリッドにおける光電変換部を除いた構造の概略図となっている。図１０、図１１には、光電変換部８０８、８０９、８１８、８１９が示され、光回路チップ端部８１０、８２０も示されている。

図１０に示すように、信号光入力導波路８０３を、チップ端部８１０と光電変換部８０９の間を迂回させるように通すことにより、光導波路どうしの交差を回避することができる。このとき、信号光入力導波路８０３は、チップ端部８１０と光電変換部８０９の間を通すだけではなく、チップ端部８１０と光電変換部８０８の間を通すことでも同様の効果が得られる。

また、図１１に示すように、局部発振光と信号光の入力の位置関係を図１０と反転させ、局部発振光入力導波路８１３をチップ端部８２０と光電変換部８１９との間を迂回させるように通すことにより、光導波路どうしの交差を回避することができる。このとき、信号光入力導波路８１３は、チップ端部８２０と光電変換部８１９の間を通すだけではなく、チップ端部８２０と光電変換部８１８の間を通すことでも同様の効果が得られる。なお、図１０，１１で示すように、光電変換部８０８、８０９および８１８、８１９はチップ端部８１０および８２０に隣接して配置することがでる。

以上のように、光９０度ハイブリッドへの入力光である信号光または局部発振光の入力導波路を、チップ端部と光電変換部の間を通すことにより、光導波路どうしの交差を回避することができ、光損失の増大することなく、信号光と局部発振光の入力位置を揃えることができ、光入力部の光接続容易性を向上させられる。同時に、光電変換部を光回路チップ端部に隣接して配置することができ、電気および光実装の容易性の向上と高周波特性の向上に寄与することができる。

以上述べたように、本発明によれば光損失および位相誤差を抑制しつつ、電気実装と光実装を容易にする、シリコン導波路による光９０度ハイブリッドを提供することが可能となる。

１０１、２０１、５０１、６０１、７０１、４０３、４１２、８０３、８１２信号光入力導波路
１０２、２１４、５１４、６１４、７１４、４０２、４１３、８０２、８１３局部発振光入力導波路
１０３、１０４、２０２、２１３、５０２、５１３、６０２、６１３、７０２、７１３光スプリッタ
１１１～１１４、２０７、２０９、２２０、２２２、４０４～４０７、４１４～４１７、５０７、５０９、５２０、５２２、６０７、６０９、６２０、６２２、７０７、７０９、７２０、７２２、８０４～８０７、８１４～８１７干渉光出力導波路
１０５～１０８、２０３～２０５、２１０～２１２、２１６～２１８、２２３～２２５、
５０３～５０５、５１０～５１２、５１６～５１８、５２３～５２５、６０３～６０５、６１０～６１２、６１６～６１８、６２３～６２５、７０３～７０５、７１０～７１２、７１６～７１８、７２３～７２５、（アーム）導波路
２１５、５１５、６１５、７１５入力導波路
１０９、１１０、２０６、２１９、５０６、５１９、６０６、６１９、７０６、７１９光結合器
１１５、１１６、２０８、２２１、５０８、５２１、６０８、６２１、７０８、７２１差動受光部
４０８、４０９、４１８、４１９、８０８、８０９、８１８、８１９光電変換部
４０１、４１１、８０２、８１３回路
４１０，４２０、８１０、８２０チップ端部

Claims

第１の入力光を等しい位相を有する第１の出力光および第２の出力光に分岐する第１の光分岐手段と、
第２の入力光を９０度の位相差を有する第３の出力光および第４の出力光に分岐する第２の光分岐手段と、
前記第１の出力光と前記第３の出力光とを合波して第１および第２の干渉光を生成する第１の光結合手段と、
前記第２の出力光と前記第４の出力光とを合波して第３および第４の干渉光を生成する第２の光結合手段
とを備えた光回路であって、
前記第１の光分岐手段と前記第２の光分岐手段は、左右に対向して配置され、それぞれに入力される前記第１および第２の入力光は、左右方向から入力されるようにされており、
前記第１の光結合手段と前記第２の光結合手段は、上下に背向して配置され、それぞれから生成される前記第１ないし第４の干渉光は、上下方向へ出力するようにされており、
前記第１の光分岐手段における光の伝搬方向の中心軸は、前記第２の光分岐手段における光の伝搬方向の中心軸と重ならず、
前記第１の光結合手段における光の伝搬方向の中心軸は、前記第２の光結合手段における光の伝搬方向の中心軸と重ならない
ように構成されたことを特徴とする光回路。
前記第１の出力光を導波する導波路、前記第２の出力光を導波する導波路、前記第３の出力光を導波する導波路、および、前記第４の出力光を導波する導波路が、それぞれ互いに交差しないことを特徴とする請求項１に記載の光回路。
前記第１の出力光を導波する導波路の光路長と前記第２の出力光を導波する導波路の光路長とが等しく、前記第３の出力光を導波する導波路の光路長と前記第４の出力光を導波する導波路の光路長とが等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。
前記第１の出力光を導波する導波路の光路長と前記第２の出力光を導波する導波路の光路長と前記第３の出力光を導波する導波路の光路長と前記第４の出力光を導波する導波路の光路長とが、それぞれ等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の光回路。
シリコン光導波路チップに形成され、
前記第１および第２の干渉光を差動受光する第１の光電変換部を有し、
前記第３および第４の干渉光を差動受光する第２の光電変換部を有し、
前記第１または前記第２の入力光が伝搬する導波路は、前記第１または前記第２の光電変換部と前記シリコン光導波路チップの端部との間を通り、
前記第１および前記第２の入力光の入力の方向が一致する
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光回路。