(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光受信機の光ハイブリッド回路として使用される光導波路素子であって、
複数の入力チャネルと、
複数の出力チャネルと、
一方の端部に前記複数の入力チャネルが接続され、他方の端部に前記複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
を備え、
前記多モード干渉カプラは、
前記一方の端部から前記他方の端部側に向かって幅が漸減する第１部分と、前記第１部分と接続され接続部分の幅を保持したまま前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かって延びる第２部分と、前記第２部分と接続され前記一方の端部側から前記他方の端部に向かって幅が漸増する第３部分と、を有し、
前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かう方向における前記第２部分の長さと前記多モード干渉カプラの長さとの比が、１００／４４９〜１１０／４４６．３の範囲にある光導波路素子。
【請求項２】
前記第１部分の幅は、対向する一対の側部によって規定されており、前記一対の側部それぞれの形状は直線である請求項１に記載の光導波路素子。
【請求項３】
前記第３部分の幅は、対向する一対の側部によって規定されており、前記一対の側部それぞれの形状は直線である請求項１又は２に記載の光導波路素子。
【請求項４】
前記第１部分及び前記第３部分は、前記一方の端部から前記他方の端部側に向かう方向の長さが同じである請求項１〜３の何れか一項に記載の光導波路素子。
【請求項５】
光ハイブリッド回路として使用される光導波路素子であって、
複数の入力チャネルと、
複数の出力チャネルと、
一方の端部に前記複数の入力チャネルが接続され、他方の端部に前記複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
を備え、
前記多モード干渉カプラは、
前記一方の端部から前記他方の端部側に向かって幅が漸減する第１部分と、前記第１部分と接続され接続部分の幅を保持したまま前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かって延びる第２部分と、前記第２部分と接続され前記一方の端部側から前記他方の端部に向かって幅が漸増する第３部分と、を有し、前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かう方向における前記第２部分の長さと前記多モード干渉カプラの長さとの比が、１００／４４９〜１１０／４４６．３の範囲にある光導波路素子、を備えたコヒーレント光受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路素子及びそのような光導波路素子を備えた光受信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信システムにおける伝送容量を増大するために、ビットレートの向上が求められている。ビットレートを増大しないまま伝送容量を向上するために、例えば、多値位相偏移変調を使用する場合がある。
【０００３】
多値位相偏移変調として、具体的には、４値位相偏移変調（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ：ＱＰＳＫ）又は差分４値位相偏移変調（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ：ＤＱＰＳＫ）が挙げられる。
【０００４】
ＱＰＳＫ又はＤＱＰＳＫ信号光を復調するためには、例えば、光ハイブリッド回路を備えたコヒーレント光受信機が用いられる。光ハイブリッド回路は、入力されたＱＰＳＫ又はＤＱＰＳＫ信号光の位相変調状態に応じて、４つの信号光を出力し、多値化されていた情報を取り出すものであり、コヒーレント光受信機における主要な回路である。
【０００５】
そして、コストパフォーマンスに優れたコヒーレント光受信機を製造するために、光ハイブリッド回路を小型化することが求められている。
【０００６】
図１は、従来技術による光ハイブリッド回路の例１を示す図である。
【０００７】
図１に示す光ハイブリッド回路１１１は、４つの３ｄＢカプラと、９０°位相シフタとから形成される。３ｄＢカプラ同士又は３ｄＢカプラと９０°位相シフタとは、光導波路によって接続される。光ハイブリッド回路１１１は、２つの入力チャネルを用いて、ＱＰＳＫ信号光及び局部発振光（ＬＯ光）が入力される。そして、位相が９０度ずつ異なる４つの出力光が出力チャネルそれぞれから出力される。出力光は、同相成分であるＳ−Ｌ及びＳ＋Ｌ信号光、及び直交成分であるＳ−ｊＬ及びＳ＋ｊＬ信号光を含む。
【０００８】
しかし、図１に示す光ハイブリッド回路１１１は、回路を形成する要素が多いので、光ハイブリッド回路を小型化することには限界がある。
【０００９】
図２は、従来技術による光ハイブリッド回路の例２を示す図である。
【００１０】
図２に示す光ハイブリッド回路１１２は、４つの入力チャネル及び４つの出力チャネルと、矩形の４：４多モード干渉（Ｍｕｌｔｉ  Ｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）カプラとにより形成される。光ハイブリッド回路１１２は、４つの入力チャネルの内、光伝搬方向の中心軸に非対称な２つの入力チャネルを用いて、ＱＰＳＫ信号光及びＬＯ光が入力される。すると、入力された信号光は、ＭＭＩカプラ内の多モード干渉によって自己結像され、位相が９０度ずつ異なる４つの出力光が出力チャネルそれぞれから出力される。
【００１１】
光ハイブリッド回路１１２は、図１に示す光ハイブリッド回路と比べて、構造が単純であり、光伝搬方向の寸法（以下、単に素子長ともいう）を短縮できる。図２に示す矩形の光ハイブリッド回路では、素子長ＬＭＭＩが、光ハイブリッド回路の幅（光伝搬方向と直交する方向の寸法）の２乗に比例する。そこで、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路は、素子長を短縮するために、幅ＷＭＭＩを低減する必要がある。
【００１２】
しかし、入力チャネルの幅を維持したまま、幅ＷＭＭＩを低減するためには、入力チャネル間の幅ｇを低減しなくてはならない。だが、エッチング等の製造工程における加工精度の観点から、幅ｇを小さくすることには限界がある。従って、図２に示す矩形の光ハイブリッド回路の素子長を短縮することには限界がある。
【００１３】
図３は、従来技術による光ハイブリッド回路の例３を示す図である。
【００１４】
図３に示す光ハイブリッド回路１１３は、ＭＭＩカプラの両側部がバタフライテーパ状に形成される。ＭＭＩカプラの幅は、光伝搬方向に向かってテーパ状に減少した後、テーパ状に増加している。ＭＭＩカプラの入力側の幅はＷＭＭＩであって、図２に示す光ハイブリッド回路１１２と同じであるが、光伝搬方向の中央の幅がＷＭＢであって、入力側の幅ＷＭＭＩよりも狭まっている。ＭＭＩカプラの両側部は、中央部分の幅ＷＭＢの部分において、不連続点を有する。このような形状を有する光ハイブリッド回路１１３は、平均の幅を低減して、素子長の減少を図っている。
【００１５】
図４は、従来技術による光ハイブリッド回路の例４を示す図である。
【００１６】
図４に示す光ハイブリッド回路１１４は、ＭＭＩカプラの両側部が、内側に凸の放物線状に形成される。ＭＭＩカプラの幅は、光伝搬方向に向かって、連続的に減少した後、連続的に増加する。ＭＭＩカプラの入力側の幅はＷＭＭＩであって、図２に示す光ハイブリッド回路１１２と同じであるが、光伝搬方向の中央の幅がＷＭＰであって、入力側の幅ＷＭＭＩよりも狭まっている。ＭＭＩカプラの両側部は、中央の幅ＷＭＰの部分においても連続している。このような形状を有する光ハイブリッド回路１１４も、平均の幅を低減して、素子長の減少を図っている。
【００１７】
図３及び図４に示す光ハイブリッド回路は、ＭＭＩカプラの素子長を低減する。しかし、図３及び図４に示す光ハイブリッド回路に対しては、入力光を等分配して出力すること、又は出力される各信号の位相情報が入力された多値位相偏移変調信号が有する位相情報を維持すること等の光学性能に関して、更に改善が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特表２００１−５１４７６６
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｄ．Ｈｏｆｆｍａｎｎ他、”Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｉｇｈ−Ｐｏｒｔ９０°Ｈｙｂｒｉｄ  ｏｎ  ＬｉＮｂＯ３”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９８９年５月、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．５、ｐｐ．７９４−７９８
【非特許文献２】Ｅ．Ｃ．Ｍ．Ｐｅｎｎｉｎｇｓ他、”Ｕｌｔｒａｃｏｍｐａｃｔ、Ａｌｌ−Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ９０°Ｈｙｂｒｉｄ  ｏｎ  ＩｎＰ  Ｕｓｉｎｇ  Ｓｅｌｆ−Ｉｍａｇｉｎｇ”，ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９３年６月、Ｖｏｌ．５、Ｎｏ．６、ｐｐ．７０１−７０３
【非特許文献３】Ｐｉｅｒｒｅ  Ａ  Ｂｅｓｓｅ他、”Ｎｅｗ  ２×２  ａｎｄ  １×３  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ  Ｃｏｕｐｌｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｆｒｅｅ  Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  Ｒａｔｉｏｓ”、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９６年１０月、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１０、ｐｐ．２２８６−２２９３
【非特許文献４】D. S.Ｌｅｖｙ他、”Ｌｅｎｇｔｈ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｔａｐｅｒｅｄ  Ｎ×Ｎ  ＭＭＩ  Ｄｅｖｉｃｅｓ”、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９８年６月、Ｖｏｌ．１０、Ｎｏ．６、ｐｐ．８３０−８３２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本明細書は、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れた光導波路素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、本明細書で開示する光導波路素子の一形態によれば、複数の入力チャネルと、複数の出力チャネルと、一方の端部に複数の入力チャネルが接続され、他方の端部に複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、を備え、多モード干渉カプラは、一方の端部から他方の端部側に向かって幅が漸減する第１部分と、第１部分と接続され接続部分の幅を保持したまま一方の端部側から他方の端部側に向かって延びる第２部分と、第２部分と接続され一方の端部側から他方の端部に向かって幅が漸増する第３部分と、を有する。
【発明の効果】
【００２２】
上述した本明細書で開示する光導波路素子の一形態によれば、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れる。
【００２３】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２４】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、クレームされている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術による光ハイブリッド回路の例１を示す図である。
【図２】従来技術による光ハイブリッド回路の例２を示す図である。
【図３】従来技術による光ハイブリッド回路の例３を示す図である。
【図４】従来技術による光ハイブリッド回路の例４を示す図である。
【図５】本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第１実施形態を示す図である。
【図６】図５に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は、光ハイブリッド回路の多モード干渉カプラの第２部分の長さを変えた場合の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｅ）は、光ハイブリッド回路の多モード干渉カプラの第２部分の長さを変えた場合の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【図９】図３に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
【図１０】（Ａ）は、図４に示す光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【図１１】図４に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
【図１２】第１実施形態の光ハイブリッド回路の短縮率を、図３及び図４に示す光ハイブリッド回路と比較した図である。
【図１３】第１実施形態の光ハイブリッド回路の短縮率と第２部分の長さとの関係を示す図である。
【図１４】第１実施形態の光ハイブリッド回路の短縮率を０．５８にした場合の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【図１５】図４に示す光ハイブリッド回路の短縮率を０．５８にした場合の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【図１６】図５のＸ−Ｘ線拡大断面図である。
【図１７】本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第２実施形態を示す図である。
【図１８】（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、第２実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。
【図１９】（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、第２実施形態の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【図２０】本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第３実施形態を示す図である。
【図２１】（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、第３実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。
【図２２】（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図であり、（Ｂ）は、第３実施形態の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【図２３】本明細書に開示する光受信機の一実施形態を示す図である。
【図２４】図２３に示す光受信機にＱＰＳＫ信号光が入力された場合の各出力チャネルにおける透過率を示す図である。
【図２５】本明細書に開示する光受信機の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書に開示する光導波路素子としての光ハイブリッド回路は、多値位相偏移変調信号光を入力し、この入力した信号から、位相を変化させて多値化された信号を復調するために好適に用いられる。本明細書に開示する光ハイブリッド回路は、例えば、ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ等の多値位相偏移変調信号光、又は１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ等の多値振幅位相変調信号光を復調するために用いることができる。以下の説明では、ＱＰＳＫ信号光を復調する場合の光ハイブリッド回路を例として述べる。光ハイブリッド回路が備える入力チャネル及び出力チャネルの数は、入力する信号光に応じて適宜設定され得る。
【００２７】
以下、本明細書で開示する光導波路素子としての光ハイブリッド回路の好ましい第１実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【００２８】
図５は、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第１実施形態を示す図である。
【００２９】
本実施形態の光ハイブリッド回路１０は、４つの入力チャネル１１と、４つの出力チャネル１２と、一方の端部１４に４つの入力チャネル１１が接続され、他方の端部１５に４つの出力チャネル１２が接続される多モード干渉カプラ１３と、を備える。多モード干渉カプラ１３は、一方の端部１４から他方の端部１５に向かって光を伝搬する。
【００３０】
多モード干渉カプラ１３は、一方の端部１４から他方の端部１５側に向かって幅が漸減する第１部分１３ａと、この第１部分１３ａと接続され接続部分の幅を保持したまま一方の端部１４側から他方の端部１５側に向かって延びる第２部分１３ｂと、この第２部分１３ｂと接続され一方の端部１４側から他方の端部１５に向かって幅が漸増する第３部分１３ｃと、を有する。第１部分１３ａと第２部分１３ｂの接続部分の幅は、第２部分１３ｂと第３部分１３ｃの接続部分の幅と同じである。本明細書では、多モード干渉カプラ１３における一方の端部１４から他方の端部１５に向かう方向を、光伝搬方向ともいう。
【００３１】
多モード干渉カプラ１３の第１部分１３ａの幅は、幅方向の中心軸ＣＬに対称な対向する一対の側部１３ｅによって規定されており、この一対の側部１３ｅそれぞれの形状は直線である。ここで、第１部分１３ａの幅は、第１部分１３ａにおける光伝搬方向と直交する向きの長さである。このことは、第２部分１３ｂの幅及び第３部分１３ｃの幅に対しても適用される。
【００３２】
第１部分１３ａの開放されている一方の端部１４は、幅がＷＳであり、この端部１４に４つの入力チャネル１１が接続される。４つの入力チャネル１１は、光ハイブリッド回路１０の幅方向の中心軸ＣＬに対して対称に且つ等間隔に配置される。第１部分１３ａの光伝搬方向の長さはＬＭ１である。
【００３３】
多モード干渉カプラ１３の第３部分１３ｃの幅は、幅方向の中心軸ＣＬに対称な対向する一対の側部１３ｆによって規定されており、この一対の側部１３ｆそれぞれの形状も直線である。
【００３４】
第３部分１３ｃの開放されている他方の端部１５も、幅がＷＳであり、この端部１５に４つの出力チャネル１２が接続される。４つの出力チャネル１２は、光ハイブリッド回路１０の幅方向の中心軸ＣＬに対して対称に且つ等間隔に配置される。図５では、４つの出力チャネルに、Ｃｈ−１、Ｃｈ−２、Ｃｈ−３、Ｃｈ−４と番号が付されている。
【００３５】
第１部分１３ａと第３部分１３ｃとの挟まれた第２部分１３ｂは、矩形形状を有する。第２部分１３ｂの幅はＷＭであり、第２部分１３ｂの光伝搬方向の長さはＬＳＴである。
【００３６】
第１部分１３ａの幅は、光伝搬方向に向かって、ＷＳからＷＭまでテーパ状に減少する。第３部分１３ｃの幅は、光伝搬方向に向かって、ＷＭからＷＳまでテーパ状に増加する。
【００３７】
光ハイブリッド回路１０では、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃは、光伝搬方向の長さが同じである。
【００３８】
光ハイブリッド回路１０は、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃが、光ハイブリッド回路１０の光伝搬方向の中心軸（図示せず）に対して、対称に形成される。従って、４つの入力チャネル１１及び４つの出力チャネル１２も、光伝搬方向の中心軸（図示せず）に対して、対称に形成される。
【００３９】
図５では、多モード干渉カプラ１３における一方の端部１４から他方の端部１５に向かう方向が、ｚ軸の正の方向で表されている。
【００４０】
図５に示す光ハイブリッド回路１０では、第１部分１３ａ及び第２部分１３ｂを合わせたｚ軸方向の長さがＬＭ２である。また、多モード干渉カプラ１３のｚ軸方向の長さはＬＭ３で表されている。
【００４１】
光ハイブリッド回路１０には、４つの入力チャネル１１の内、幅方向の中心軸ＣＬに非対称な２つの入力チャネルを用いて、ＱＰＳＫ信号光及びＬＯ光が入力される。例えば、使用されない他の２つの入力チャネルは、形成されなくても良い。この場合には、光ハイブリッド回路１０は、２つの入力チャネル１１と、４つの出力チャネル１２とを備えることになる。
【００４２】
このように、光ハイブリッド回路１０は、光伝搬方向の中心軸に非対称な２つの入力チャネルを用いて、ＱＰＳＫ信号光及びＬＯ光が入力される。入力チャネル１１から入力したＱＰＳＫ信号光及びＬＯ光は、多モード干渉カプラ１３内で、一般モード干渉に基づく多モード干渉により自己結像して、４つの異なる信号光が出力チャネル１２それぞれから出力される。
【００４３】
光ハイブリッド回路１０は、入力チャネルの内の何れか１つから入力された光を、各出力チャネルから等分岐して出力する光学性能を有することが好ましい。また、光ハイブリッド回路１０は、出力チャネルから出力される各信号光の位相と、入力されたＱＰＳＫ信号光が有する位相との間の位相のズレが少ない光学性能を有することが好ましい。
【００４４】
光ハイブリッド回路１０では、第２部分の光伝搬方向の長さＬＳＴを調節することで、多モード干渉カプラ１３の光伝搬方向の長さ（以下、単に素子長ともいう）を短縮すると共に、優れた光学性能を提供する。
【００４５】
具体的には、多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂの光伝搬方向の長さＬＳＴは、以下のように定められることが好ましい。４つの入力チャネル１１の何れかのチャネルにＱＰＳＫ信号光が入力されて、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、３ｄＢ以内になるように長さＬＳＴが定められる。より好ましくは、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、２ｄＢ以内になるように長さＬＳＴが定められる。更に好ましくは、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光間の光強度の差が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準として、１ｄＢ以内になるように長さＬＳＴが定められる。
【００４６】
また、多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂの光伝搬方向の長さＬＳＴは、以下のように定められることも好ましい。４つの出力チャネルから出力される信号光の位相のズレは、±１０度以内になるように長さＬＳＴが定められる。具体的には、出力される信号光が同相成分であれば、その信号光の位相が、０又は１８０度に対して±１０度以内になるように長さＬＳＴが定められることが好ましい。また、出力される信号光が直交成分であれば、その信号光の位相が、９０又は２７０度に対して±１０度以内になるように長さＬＳＴが定められることが好ましい。より好ましくは、４つの出力チャネルから出力される信号光の位相のズレが、±５度以内になるように長さＬＳＴが定められる。具体的には、出力される信号光が同相成分であれば、その信号光の位相が、０又は１８０度に対して±５度以内になるように長さＬＳＴが定められることが好ましい。また、出力される信号光が直交成分であれば、その信号光の位相が、９０又は２７０度に対して±５度以内になるように長さＬＳＴが定められることが好ましい。
【００４７】
次に、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長ついて、以下に説明する。
【００４８】
まず、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの最適な素子長ＬＭＭＩと、多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩとの関係について説明する。次に、この矩形の多モード干渉カプラの素子長ＬＭＭＩを用いて、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長を表す。
【００４９】
図２に示す矩形の多モード干渉カプラの最適な素子長ＬＭＭＩは、多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩ、導波路の屈折率、励振モード数及び干渉メカニズム等に依存して決定される。この多モード干渉カプラの最適な素子長ＬＭＭＩと多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩとの関係は以下のように求められる。
【００５０】
まず、図２に示す矩形の多モード干渉カプラでは、多モード干渉カプラ内を伝搬する任意のモードにおける伝搬定数βν（ν：伝搬モードの次数）が、式（１）のように簡略化して表される。
【００５１】
【数１】
0005454256.tif 000002
【００５２】
ここで、ｋ０は信号光の真空中の波数、Ｎｅｑは多モード干渉カプラ内の導波路の屈折率、λは信号光の波長である。この場合、多モード干渉カプラ内で励振される基本モードと任意の高次モードとの伝搬定数の差は式（２）のように表される。
【００５３】
【数２】
0005454256.tif 000003
【００５４】
ここで、Ｌπは多モード干渉カプラのビート長である。図２に示す矩形の多モード干渉カプラの場合、このＬπは、式（２）を用いて、式（３）のように近似される。
【００５５】
【数３】
0005454256.tif 000004
【００５６】
このようにして、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの最適な素子長LMMIと、多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩとの関係が、式（３ａ）のように求められる。
【数４】
0005454256.tif 000005
【００５７】
次に、矩形の多モード干渉カプラの素子長LMMIを用いて、図５に示す光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長と第２部分１３ｂの長さＬＳＴとの関係を求める。
【００５８】
まず、図５に示す多モード干渉カプラ１３では、その幅がｚ軸方向に一定ではないので、基本モードと任意の高次モード間の伝搬定数の差がｚ軸方向において変化する。そこで、基本モードと任意の高次モード間の伝搬定数の差を、ｚ軸方向に０からＬＭ３までの領域について積分し、多モード干渉カプラ１３における位相の変化量Δρが式（４）のように表される。
【００５９】
【数５】
0005454256.tif 000006
【００６０】
ここで、ＷＭ（ｚ）は多モード干渉カプラ１３の幅をｚの関数で表したものである。
【００６１】
関数ＷＭ（ｚ）は、ｚ軸の３つ領域それぞれでは、式（５ａ）、式（５ｂ）、式（５ｃ）のように表される。
【００６２】
【数６】
0005454256.tif 000007
【００６３】
また、多モード干渉カプラ１３の第２部分のｚ軸方向の長さＬＳＴを、長さＬＭ３を用いて式（６）のように表す。
【００６４】
【数７】
0005454256.tif 000008
【００６５】
ここで、パラメータｆは０以上の実数である。
【００６６】
式（５ａ）、式（５ｂ）、式（５ｃ）を、式（４）に代入して積分を行った後、式（６）の関係を考慮すると、式（７）が得られる。
【００６７】
【数８】
0005454256.tif 000009
【００６８】
ここで、式（８）で表されるχＴは多モード干渉カプラ１３の形状に依存する定数であり、多モード干渉カプラ１３の幅を表すＷＳ、ＷＭ及びパラメータｆによって定められる。
【００６９】
そして、式（３）及び式（７）から、図５に示す光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＴπおよびχＴとの関係が、式（９）のように求められる。
【００７０】
【数９】
0005454256.tif 000010
【００７１】
このようにして、この矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπを用いて、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の最適なビート長ＬＴπを表すことができる。
【００７２】
式（９）に示すように、矩形の多モード干渉カプラのビート長Ｌπが一定の場合、多モード干渉カプラ１３のビート長ＬＴπとχＴとは反比例の関係になる。従って、図５に示す多モード干渉カプラ１３の素子長ＬＭ３は、χＴが増加するのと共に、短縮することが分かる。即ち、光ハイブリッド回路１０では、多モード干渉カプラ１３の第１部分１３ａ及び第３部分の幅ＷＳを、図２に示す矩形の多モード干渉カプラの幅ＷＭＭＩと同じにした場合には、多モード干渉カプラ１３の素子長ＬＭ３は、図２に示す多モード干渉カプラの素子長ＬＭＭＩよりも、１／χＴの割合に短縮される。
【００７３】
このχＴは、多モード干渉カプラ１３の幅を表すＷＳ、ＷＭと共に、パラメータｆを定めることによって決定される。同様に、第２部分１３ｂの長さＬＳＴも、式（６）に示すように、パラメータｆによって決定される。従って、ＷＳ、ＷＭが一定であれば、χＴを決定することによって、パラメータｆが決定するので、同様に、第２部分１３ｂの長さＬＳＴも決定される。ここで、式（６）における素子長ＬＭ３としては、ビート長ＬＴπが用いられる。
【００７４】
図６は、図５に示す光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３内を伝搬する波面を概略的に説明する図である。
【００７５】
図６に示すように、光ハイブリッド回路１０では、入力チャネル１１から多モード干渉カプラ１３内に入射した信号光の波面は、同心円状に湾曲して多モード干渉カプラ１３内を伝搬する。そして、多モード干渉カプラ１３内を伝搬する波面は、多モード干渉カプラ１３の中央部分において、伝搬する信号光の波数ベクトルの不連続性に起因して位相のズレが生じる。光ハイブリッド回路１０の良好な光学特性を得るためには、この位相のズレが小さいことが好ましい。
【００７６】
光ハイブリッド回路１０では、多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂの長さＬＳＴを調整することによって、この位相のズレが補償される。
【００７７】
次に、光ハイブリッド回路１０の光学特性の計算例を、図面を参照して、以下に説明する。
【００７８】
図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂの長さＬＳＴを変えた場合の各出力チャネルの透過率Ｔｒと波長λとの関係を示す図である。図７（Ａ）〜図７（Ｅ）では、４つの入力チャネル１１の内の１つから信号光を入力し、４つの出力チャネルそれぞれから出力される信号光の透過率Ｔｒが、入力される信号光の波長λに対して計算された結果が、実線で示されている。また、図７（Ａ）〜図７（Ｅ）では、別の１つの入力チャネルから信号光を入力し、４つの出力チャネルそれぞれから出力される信号光の透過率Ｔｒが、入力される信号光の波長λに対して計算された結果が、鎖線で示されている。即ち、図７（Ａ）〜図７（Ｅ）では、４本の実線と４本の鎖線により、透過率Ｔｒが示されている。この透過率Ｔｒは、４つの出力チャネル１２から出力される各信号光の光強度が、入力したＱＰＳＫ信号光の光強度を基準としたｄＢを単位として示されている。
【００７９】
また、図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラの第２部分１３ｂの長さＬＳＴを変えた場合の各出力チャネルの位相のズレと波長λとの関係を示す図である。図８（Ａ）〜図８（Ｅ）では、２つの入力チャネル１１にＱＰＳＫ信号光及びＬＯ光が入力され、４つの出力チャネルから出力される各信号光の強度から算出された位相のズレΔψが、入力される信号光の波長λに対して計算された結果が示されている。具体的には、出力される信号光が同相成分であれば、その信号光の位相と、０又は１８０度との間の差が、位相のズレΔψを意味する。また、出力される信号光が直交成分であれば、その信号光の位相と、９０又は２７０度との間の差が、位相のズレをΔψ意味する。図８（Ａ）〜図８（Ｅ）では、動作帯域が、位相のズレが±５度の所に鎖線で示されている。
【００８０】
図７（Ａ）〜図７（Ｅ）及び図８（Ａ）〜図８（Ｅ）に示す結果は、ビーム伝搬法（Ｂｅａｍ  Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ：ＢＰＭ）を用いて計算された。ＢＰＭの計算では、多モード干渉カプラの導波路領域の等価屈折率として３．２４を用い、導波路以外の領域の屈折率として１．０を用いた。また、光ハイブリッド回路１０を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、入出力チャネル間の間隔が２．３μｍ、幅ＷＳが１７．２μｍ、幅ＷＭが１３．２μｍであった。
【００８１】
ＢＰＭの計算では、まず、短縮率として１／χＴを決定し、続いてビート長ＬＴπを決定する。次に、第２部分１３ｂの長さＬＳＴ及び幅ＷＭを変化させて、各ＬＳＴに対して、最も良好な透過率を示すように素子長ＬＭ３が最適化された。結局、任意の実数であるｆ値を定め、ｆ値に対する適正な素子長ＬＭ３を求め、それぞれのデバイスに対して、透過率および位相ズレ特性の面でが一番良いものを選べばよい。
【００８２】
具体的には、図７（Ａ）及び図８（Ａ）の素子長ＬＭ３は４７７．５μｍであり、長さＬＳＴは０μｍである。図７（Ｂ）及び図８（Ｂ）の素子長ＬＭ３は４６２．８μｍであり、長さＬＳＴは５０μｍである。図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）の素子長ＬＭ３πは４４９．０μｍであり、長さＬＳＴは１００μｍである。図７（Ｄ）及び図８（Ｄ）の素子長ＬＭ３は４４６．３μｍであり、長さＬＳＴは１１０μｍである。図７（Ｅ）及び図８（Ｅ）の素子長ＬＭ３は４３６．０μｍであり、長さＬＳＴは１５０μｍである。
【００８３】
図７（Ａ）〜図７（Ｅ）及び図８（Ａ）〜図８（Ｅ）では、第２部分１３ｂの長さＬＳＴが、特に１００μｍから１１０μｍの範囲において、良好な透過率及び少ない位相のズレが得られている。即ち、広い波長の範囲に亘って、入力された信号光が４つの出力チャネルそれぞれに等分岐し且つ少ない位相のズレの信号光が出力されている。即ち、第２部分１３ｂの長さＬＳＴが１００μｍから１１０μｍの範囲にあれば、光ハイブリッド回路１０は、Ｃバンド領域において良好な光学性能を有することが分かる。
【００８４】
ここで、図７（Ａ）及び図８（Ａ）は、第２部分１３ｂの長さＬＳＴが０μｍであり、即ち、図３に示す光ハイブリッド回路の場合の透過率及び位相のズレを示している。図７（Ａ）及び図８（Ａ）に示すように、図３に示す光ハイブリッド回路は、素子長を短縮した場合には、光学特性が大きく低下することが分かる。
【００８５】
図９は、図３に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
【００８６】
図９に概略的に示すように、図３に示す光ハイブリッド回路１１３では、入力チャネルから多モード干渉カプラ内に入射した信号光の波面が、同心円状に湾曲して多モード干渉カプラ内を伝搬する。そして、多モード干渉カプラ内を伝搬する波面は、多モード干渉カプラの両側部における不連続点の部分において、位相のズレが生じる。そのため、図３に示す光ハイブリッド回路１１３では、図７（Ａ）及び図８（Ａ）に示すような光学特性を示すことになる。
【００８７】
一方、光ハイブリッド回路１０は、図６を参照して説明したように、多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂを設けることによって、第１部分１３ａと第３部分１３ｃとの間に生じる位相のズレを補償する。そして、第２部分１３ｂの長さＬＳＴを大きくすることによって、補償される位相の量が増加する。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）並びに図８（Ａ）及び図８（Ｂ）の例では、第２部分１３ｂの長さＬＳＴが小さいので、補償される位相の量が足りない状態であると考えられる。そして、図７（Ｃ）及び図７（Ｄ）並びに図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）の例では、第２部分１３ｂの長さＬＳＴが補償する位相の量が、位相のズレに対応した状態にあると考えられる。一方、図７（Ｅ）及び図８（Ｅ）の例では、第２部分１３ｂの長さＬＳＴが大き過ぎるため、過剰に位相のズレが補償された状態にあると考えられる。
【００８８】
図１０（Ａ）は、図４に示す従来の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図１０（Ｂ）は、各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）では、光ハイブリッド回路を形成する各要素の寸法は、入力チャネル１１及び出力チャネル１２の幅が２．０μｍ、入出力チャネル間の間隔が２．３μｍ、幅ＷＭＭＩが１７．２μｍ、幅ＷＭＰが１３．２μｍであった。素子長の短縮率は、７０％であった。
【００８９】
図１０（Ａ）に示すように、図４に示す光ハイブリッド回路は、広い波長の範囲に亘って、良好な透過率を有するものの、図１０（Ｂ）に示すように、位相のズレが±５度以内に収まる範囲が大幅に狭くなることが分かる。
【００９０】
図１１は、図４に示す光ハイブリッド回路内を伝搬する波面を説明する図である。
【００９１】
図１１に概略的に示すように、図４に示す光ハイブリッド回路１１４では、入力チャネルから多モード干渉カプラ内に入射した信号光の波面は、同心円状に湾曲して多モード干渉カプラ内を伝搬する。そして、多モード干渉カプラ内を伝搬する波面は、位相のズレを生じることなく、出力チャネルから出射する。しかし、図４に示す光ハイブリッド回路１１４では、図１０（Ｂ）に示すように、位相のズレに関して光学特性が良くないので、例えば、Ｃバンド領域において良好な光学性能を得ることができない。
【００９２】
図１２は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の短縮率を、図３及び図４に示す光ハイブリッド回路と比較した図である。
【００９３】
図１２では、図５に示す光ハイブリッド回路１０について、幅ＷＳと幅ＷＭとの差と、素子長の短縮率Ｒｅとの関係がカーブＣ１で示されている。カーブＣ１は、図７（Ｃ）及び図８（Ｃ）と同じ条件でＢＰＭを用いて計算された。ここで、短縮率Ｒｅは１／χＴである。
【００９４】
図１２に示すように、カーブＣ１は、ほぼ直線的に減少する。カーブＣ１の変化は、式（８）に示すように、幅ＷＳと幅ＷＭとの差が増加するのと共に１／χＴが減少することから理解できる。
【００９５】
また、図１２では、図３及び図４に示す光ハイブリッド回路についても、幅ＷＳと幅ＷＭとの差と、素子長の短縮率Ｒｅとの関係がカーブＣ２及びＣ３で示されている。図３及び図４に示す光ハイブリッド回路についても、短縮率は、式（９）を用いたのと同様にして導かれる。
【００９６】
図１２のカーブＣ１とカーブＣ２との比較から、図５に示す光ハイブリッド回路１０は、図３に示す光ハイブリッド回路よりも、同じ横軸の値に対して、優れた短縮率を有することが分かる。
【００９７】
更に、図５に示す光ハイブリッド回路１０の素子長の短縮率と長さＬＳＴとの関係を、図３に示す光ハイブリッド回路を基準として比較した結果を図１３に示す。
【００９８】
図１３は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の素子長の短縮率Ｒｅと第２部分の長さＬＳＴとの関係を示す図である。
【００９９】
図１３において、長さＬＳＴがゼロの場合は、図３に示す光ハイブリッド回路に対応する。図１３に示すように、長さＬＳＴを増加すると共に、素子長の短縮率Ｒｅが直線的に減少する。即ち、図５に示す光ハイブリッド回路１０の素子長は、長さＬＳＴを増加する程、図３に示す光ハイブリッド回路の素子長よりも更に低減することができる。
【０１００】
また、図１２に示すように、図４に示す光ハイブリッド回路は、図５に示す光ハイブリッド回路１０と同等の素子長の短縮率を有する。しかし、図４に示す光ハイブリッド回路は、図１０（Ｂ）に示すように、素子長を短縮した場合には、位相のズレに関して光学特性が良くない。
【０１０１】
また、図１２に示すように、図５に示す光ハイブリッド回路１０は、第２部分１３ｂの長さＬＳＴを１００〜１１０μｍにした場合には、ＷＳ−ＷＭ＝４μｍの時に短縮率Ｒｅが約０．７０となり、矩形の多モード干渉カプラに比べて素子長が約３０％低減される。そして、図１２に示すように、幅ＷＳと幅ＷＭとの差を更に増加させることによって、短縮率を更に低減することが可能である。
【０１０２】
しかし、多モード干渉カプラの素子長の短縮率Ｒｅと光ハイブリッド回路１０の動作帯域幅等の光学特性とは、一般にトレードオフの関係にある。そこで、光ハイブリッド回路１０の短縮率を更に低減した場合の例を、図面を参照して、以下に説明する。
【０１０３】
図１４は、光ハイブリッド回路１０の短縮率Ｒｅを０．５８にした場合の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。図１４に示す光学特性は、ＬＳＴ＝８０μｍ、ＷＳ−ＷＭ＝６μｍの場合について計算された。
【０１０４】
図１４に示すように、光ハイブリッド回路１０の動作帯域幅は、図８（Ｃ）及び図８（Ｄ）に示す動作帯域幅よりも減少している。
【０１０５】
図１５は、図４に示す光ハイブリッド回路の短縮率を０．５８にした場合の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【０１０６】
図１５に示すように、図４に示す光ハイブリッド回路は、短縮率を０．５８にした場合の位相のズレが、図５に示す光ハイブリッド回路１０よりも更に大きくなっている。従って、本実施形態の光ハイブリッド回路１０は、短縮率を０．７０から更に低減した場合には、動作帯域幅が減少するものの、図４に示す光ハイブリッド回路よりも広い動作帯域幅を有していることが分かる。
【０１０７】
図１６は、図５のＸ−Ｘ線拡大断面図である。
【０１０８】
光ハイブリッド回路１０は、基板４０上に下クラッド層４１が積層され、この下クラッド層４１上にコア層４２が積層され、このコア層４２上に上クラッド層４３が形成されている。下クラッド層４１及びコア層４２及び上クラッド層４３によって、メサ部４４が形成される。なお、光ハイブリッド回路１０では、下クラッド層４１と基板４０とが一体に形成される。
【０１０９】
図１６に示す断面図は、多モード干渉カプラ１３の第２部分１３ｂの断面図であるが、第１部分１３ａ、第３部分１３ｃ、入力チャネル１１及び出力チャネル１２も同様の断面構造を有する。即ち、下クラッド層４１及びコア層４２及び上クラッド層４３の厚さは、光ハイブリッド回路１０の全体に亘って一定である。
【０１１０】
図５に示す光ハイブリッド回路１０は、例えば、以下のように形成される。
【０１１１】
まず、基板４０上に、例えば有機金属気相成長法（以下、ＭＯＶＰＥ法ともいう）によってコア層４１が積層される。基板４０としては、ｎ型ＩｎＰ基板又はアンドープのＩｎＰ基板を用いることができる。コア層４２の形成材料としては、アンドープのＧａＩｎＡｓＰ（発光波長１．３０μｍ）を用いることができる。コア層４２の厚さは、例えば０．３μｍとすることができる。
【０１１２】
次に、コア層４２上に、上クラッド層４３がエピタキシャルに積層される。上クラッド層４３の形成材料としては、アンドープ又はｐ型ＩｎＰを用いることができる。上クラッド層４３の厚さは、例えば２．０μｍとすることができる。
【０１１３】
次に、上クラッド層４３上に、ＳｉＯ２膜等によるマスク層が形成される。
【０１１４】
次に、光露光プロセスを用いて、マスク層における光ハイブリッド回路の形成領域がパターニングされる。
【０１１５】
次に、マスク層をマスクとして、上クラッド層４３及びコア層４２及び基板４０がエッチングされて、メサ部４４が形成される。基板４０は、図１６に示すように、基板４０の表面から途中の深さまでエッチングされて、凸状の下クラッド層４１が形成される。エッチング方法としては、例えば、ＩＣＰ反応性イオンエッチング等のドライエッチングを用いることができる。また、メサ部４４の高さとしては、例えば３．０μｍとすることができる。
【０１１６】
そして、上クラッド層４３上のマスク層が除去されて、光ハイブリッド回路１０が形成される。
【０１１７】
なお、上述した光ハイブリッド回路１０の形成方法では、形成材料として、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＩｎＰを用いる例を示したが、形成材料は、これらの材料系に限らず、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のＧａＡｓ、又はＩＶ族半導体のＳｉ等を用いて、光ハイブリッド回路を形成しても良い。
【０１１８】
上述した本実施形態の光ハイブリッド回路１０によれば、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れる。
【０１１９】
また、本実施形態の光ハイブリッド回路１０は、モノリシック集積化に適している。上述したように、光ハイブリッド回路１０の多モード干渉カプラ１３の素子長は、良好な光学特性を維持しつつ、少なくとも約３０％の短縮化が可能である。
【０１２０】
また、光ハイブリッド回路１０は、入力チャネル及び出力チャネル同士の間隔を短縮することなく、多モード干渉カプラの素子長を短縮することができる。従って、従来の加工精度を有する製造工程を用いて、光ハイブリッド回路１０を形成することが可能である。
【０１２１】
次に、本明細書に開示する第２及び第３実施形態の光導波路としての光ハイブリッド回路を、図面を参照しながら以下に説明する。第２及び第３実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、図１７及び図２０において、図５と同じ構成要素に同じ符号を付してある。
【０１２２】
図１７は、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第２実施形態を示す図である。
【０１２３】
本実施形態の光ハイブリッド回路１００は、多モード干渉カプラ１３の第１部分１３ａの幅を規定する一対の側部１３ｅそれぞれの形状が、内側に凸の放物線である。同様に、光ハイブリッド回路１０は、多モード干渉カプラ１３の第３部分１３ｃの幅を規定する一対の側部１３ｆそれぞれの形状も、内側に凸の放物線である。
【０１２４】
光ハイブリッド回路１００の他の部分は、上述した第１実施形態と同様である。
【０１２５】
次に、本実施形態の光ハイブリッド回路１００の光学特性を、図面を参照して、上述した第１実施形態と比較する。
【０１２６】
図１８（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図１８（Ｂ）は、第２実施形態の光ハイブリッド回路１００の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。
【０１２７】
図１８（Ａ）は、図７（Ｃ）と同じ条件で計算された。図１８（Ｂ）は、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃの側部の形状が異なる他は、図１８（Ａ）と同じ条件で計算された。
【０１２８】
本実施形態の光ハイブリッド回路１００の透過率よりも、第１実施形態の透過率の方が優れている。即ち、第１実施形態の光ハイブリッド回路の方が、入力した信号光が、各出力チャネルに等分岐している。
【０１２９】
図１９（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図であり、図１９（Ｂ）は、第２実施形態の光ハイブリッド回路１００の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【０１３０】
図１９（Ａ）は、図８（Ｃ）と同じ条件で計算された。図１９（Ｂ）は、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃの側部の形状が異なる他は、図１９（Ａ）と同じ条件で計算された。
【０１３１】
本実施形態の光ハイブリッド回路１００よりも、第１実施形態の方が各出力信号光の位相のズレが少ない。第１実施形態の光ハイブリッド回路の出力信号光の方が、入力した信号光が有する位相を精度良く維持している。
【０１３２】
図２０は、本明細書に開示する光ハイブリッド回路の第３実施形態を示す図である。
【０１３３】
本実施形態の光ハイブリッド回路２００は、多モード干渉カプラ１３の第１部分１３ａの光伝搬方向の長さＬＭ１が、第３部分１３ｃの光伝搬方向の長さ（ＬＭ３−ＬＭ２）よりも短い。即ち、光ハイブリッド回路２００は、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃが、光ハイブリッド回路２００の光伝搬方向の中心軸（図示せず）に対して、非対称に形成される。
【０１３４】
各出力チャネル１２は、各入力チャネル１１が一方の端部１４の幅方向において接続される間隔と同じ割合で、他方の端部１５の幅方向に接続される。
【０１３５】
光ハイブリッド回路１００の他の部分は、上述した第１実施形態と同様である。
【０１３６】
次に、本実施形態の光ハイブリッド回路２００の光学特性を、図面を参照して、上述した第１実施形態と比較する。
【０１３７】
図２１（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図であり、図２１（Ｂ）は、第３実施形態の光ハイブリッド回路２００の各出力チャネルの透過率と波長との関係を示す図である。
【０１３８】
図２１（Ａ）は、図７（Ｃ）と同じ条件で計算された。図２１（Ｂ）は、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃの光伝搬方向の長さが異なる他は、図２１（Ａ）と同じ条件で計算された。
【０１３９】
本実施形態の光ハイブリッド回路２００の透過率よりも、第１実施形態の透過率の方がやや優れている。即ち、第１実施形態の光ハイブリッド回路の方が、入力した信号光が、各出力チャネルに等分岐している。
【０１４０】
図２２（Ａ）は、第１実施形態の光ハイブリッド回路の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図であり、図２２（Ｂ）は、第３実施形態の光ハイブリッド回路２００の各出力チャネルの位相のズレと波長との関係を示す図である。
【０１４１】
図２２（Ａ）は、図８（Ｃ）と同じ条件で計算された。図２２（Ｂ）は、第１部分１３ａ及び第３部分１３ｃの光伝搬方向の長さが異なる他は、図２２（Ａ）と同じ条件で計算された。
【０１４２】
本実施形態の光ハイブリッド回路２００よりも、第１実施形態の方が各出力信号光の位相のズレが少ない。第１実施形態の光ハイブリッド回路の出力信号光の方が、入力した信号光が有する位相を精度良く維持している。
【０１４３】
次に、本明細書に開示する上述した光ハイブリッド回路を備えた光受信機について、図面を参照して、以下に説明する。図２３は、本明細書に開示するコヒーレント光受信機の一実施形態を示す図である。
【０１４４】
コヒーレント光受信機３０は、上述した第１実施形態の光ハイブリッド回路１０を備えている。
【０１４５】
また、コヒーレント光受信機３０は、ＬＯ光を発生して光ハイブリッド回路１０へ出力する局部発振光発生部としてのＬＯ光源３１と、光ハイブリッド回路１０の各出力光信号を電気信号に変える光電変換部３２ａ、３２ｂと、を備える。光電変換部３２ａ、３２ｂとして、具体的には、差動型フォトダイオード（Ｂａｌａｎｃｅｄ  ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＢＰＤ）を用いている。ＢＰＤ３２ａの２つのフォトダイオードそれぞれには、同相成分の出力信号が入力され、ＢＰＤ３２ｂの２つのフォトダイオードそれぞれには、直交成分の出力信号が入力される。
【０１４６】
また、コヒーレント光受信機３０は、光電変換部３２ａ、３２ｂが出力するアナログの各電気信号を入力し、デジタル電気信号を出力するＡＤ変換部３３ａ、３３ｂと、デジタル電気信号を入力して位相を推定する位相推定部としてのデジタル演算回路３４とを、備える。
【０１４７】
光ハイブリッド回路１０としてモノシリック集積回路を用いることが、コヒーレント光受信機３０を小型化する上で好ましい。
【０１４８】
次に、コヒーレント光受信機３０の動作を以下に説明する。
【０１４９】
まず、ＱＰＳＫ信号光と、このＱＰＳＫ信号光と同期したＬＯ光が、光ハイブリッド回路１０の入力チャネル１１に入力される。
【０１５０】
光ハイブリッド回路１０内では、ＬＯ光とＱＰＳＫ信号光との相対位相差Δφに応じて、これらの信号光が多モード干渉して自己結像し、４つの出力チャネル１２それぞれから信号光が出力される。
【０１５１】
図２４は、図２３に示す光受信機にＱＰＳＫ信号光が入力された場合の各出力チャネルにおける透過率を示す図である。図２４では、（ａ）Δφ＝０、（ｂ）Δφ＝π、（ｃ）Δφ＝-π／２、（ｄ）Δφ＝π／２の場合の各出力チャネルの透過率が示されている。４つの出力光それぞれの相対位相差Δφにおける透過率の比は、（ａ）１：０：２：１、（ｂ）１：２：０：１、（ｃ）０：１：１：２、（ｄ）２：１：１：０となる。
【０１５２】
そして、各出力チャネルからの信号光がＢＰＤ３２ａ、３２ｂへ入力される。
【０１５３】
ＢＰＤ３２ａ、３２ｂでは、上部のフォトダイオードへの入力に対して＋１に相当する電流が出力され、下部のフォトダイオードへの入力に対して-１に相当する電流が出力され、上部及び下部の両方への同時入力に対しては、電流が出力されない。このように、ＢＰＤ３２ａ、３２ｂは、出力信号光を電気信号へ変換して、ＡＤ変換部３３ａ、３３ｂへ出力する。
【０１５４】
ＢＰＤ３２ａ、３２ｂが出力するアナログの電気信号を入力したＡＤ変換部３３ａ、３３ｂは、アナログの電気信号をデジタルの電気信号に変換して、デジタル演算回路３４へ出力する。
【０１５５】
デジタル演算回路３４は、デジタル電気信号を入力して位相を推定し、推定した位相を出力する。このようにして、コヒーレント受信機３０は、入力したＱＰＳＫ信号光を復調する。
【０１５６】
上述した本実施形態のコヒーレント受信機３０によれば、小さな寸法を有し、且つ光学性能に優れる。
【０１５７】
図２５は、本明細書に開示する光受信機の他の実施形態を示す図である。
【０１５８】
本実施形態の光受信機３０ａは、ＤＱＰＳＫ信号光を入力する。
【０１５９】
コヒーレント光受信機３０ａは、ＤＱＰＳＫ信号光を入力し、２つに分岐して出力する１：２ＭＭＩカプラ３５を備える。この１：２ＭＭＩカプラ３５が出力した２つの信号光は、２つの導波路３６ａ、３６ｂを伝搬して光ハイブリッド回路１０に入力する。ここで、導波路３６ａの光路長は、導波路３６ｂの光路長よりも、ＤＱＰＳＫ信号光の１ビット分の光路長だけ長くなっている。
【０１６０】
光ハイブリッド回路１０に入力した２つのＤＱＰＳＫ信号光は、互いに１ビット分だけ位相が異なっているので、光ハイブリッド回路１０内で多モード干渉して自己結像し、４つの出力チャネル１２それぞれから信号光が出力される。コヒーレント光受信機３０ａのその他の動作は、上述した実施形態と同様である。
【０１６１】
本発明では、上述した各実施形態の光ハイブリッド回路及びこのような光ハイブリッド回路を備えた光受信機は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また上述した一の実施形態または変形例における要件は、適宜、実施形態および変形例間で相互に置換可能である。例えば、直接検波を考えたとき、ＢＰＳＫ信号光を入力する場合には、出力チャネルの数は２つにする。また、８ＰＳＫ信号光を入力する場合には、出力チャネルの数は８つにする。
【０１６２】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１６３】
以上の上述した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１６４】
（付記１）
複数の入力チャネルと、
複数の出力チャネルと、
一方の端部に前記複数の入力チャネルが接続され、他方の端部に前記複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
を備え、
前記多モード干渉カプラは、
前記一方の端部から前記他方の端部側に向かって幅が漸減する第１部分と、前記第１部分と接続され接続部分の幅を保持したまま前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かって延びる第２部分と、前記第２部分と接続され前記一方の端部側から前記他方の端部に向かって幅が漸増する第３部分と、を有する、光導波路素子。
【０１６５】
（付記２）
前記第１部分の幅は、対向する一対の側部によって規定されており、前記一対の側部それぞれの形状は直線である付記１に記載の光導波路素子。
【０１６６】
（付記３）
前記第３部分の幅は、対向する一対の側部によって規定されており、前記一対の側部それぞれの形状は直線である付記１又は２に記載の光導波路素子。
【０１６７】
（付記４）
前記第１部分及び前記第３部分は、前記一方の端部から前記他方の端部側に向かう方向の長さが同じである付記１〜３の何れか一項に記載の光導波路素子。
【０１６８】
（付記５）
前記複数の入力チャネルの何れかのチャネルに多値位相偏移変調信号光が入力されて、前記複数の出力チャネルから出力される各信号光間の光強度の差が、前記多位相偏移変調信号光の光強度を基準として６ｄＢ以内になるように、前記第２部分の前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かう方向の長さが定められる付記１〜４の何れか一項に記載の光導波路素子。
【０１６９】
（付記６）
２つの前記入力チャネルと、４つの前記出力チャネルとを備える付記１〜５の何れか一項に記載の光導波路素子。
【０１７０】
（付記７）
前記光導波路素子がモノシリック集積回路である付記１〜６の何れか一項に記載の光導波路素子。
【０１７１】
（付記８）
複数の入力チャネルと、
複数の出力チャネルと、
一方の端部に前記複数の入力チャネルが接続され、他方の端部に前記複数の出力チャネルが接続される多モード干渉カプラと、
を備え、
前記多モード干渉カプラは、
前記一方の端部から前記他方の端部側に向かって幅が漸減する第１部分と、前記第１部分と接続され接続部分の幅を保持したまま前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かって延びる第２部分と、前記第２部分と接続され前記一方の端部側から前記他方の端部に向かって幅が漸増する第３部分と、を有する、光導波路素子を備えた光受信機。
【０１７２】
（付記９）
前記光導波路素子がモノシリック集積回路である付記８に記載の光受信機。
【０１７３】
（付記１０）
前記光導波路素子の各出力光信号を電気信号に変える光電変換部と、前記光電変換部が出力する各電気信号を入力して、位相を推定する位相推定部とを、備える付記９又は１０に記載の光受信機。
【０１７４】
（付記１１）
一方の端部から他方の端部に向かって光を伝搬する多モード干渉カプラであって、
前記一方の端部から前記他方の端部側に向かって幅が漸減する第１部分と、前記第１部分と接続され接続部分の幅を保持したまま前記一方の端部側から前記他方の端部側に向かって延びる第２部分と、前記第２部分と接続され前記一方の端部側から前記他方の端部に向かって幅が漸増する第３部分と、を有する、多モード干渉カプラ。
【符号の説明】
【０１７５】
１０    光ハイブリッド回路（光導波路素子）
１１    入力チャネル
１２    出力チャネル
１３    多モード干渉カプラ
１３ａ    多モード干渉カプラの第１部分
１３ｂ    多モード干渉カプラの第２部分
１３ｃ    多モード干渉カプラの第３部分
１３ｅ    第１部分の一対の側部
１３ｆ    第３部分の一対の側部
１４    一方の端部
１５    他方の端部
３０    光受信機
３１    局部発振光発生部
３２ａ、３２ｂ    差動型フォトダイオード（光電変換部）
３３ａ、３３ｂ    ＡＤ変換部
３４    デジタル演算回路（位相推定部）
３５    遅延部
４０    基板
４１    下クラッド層
４２    コア層
４３    上クラッド層
４４    メサ部
ＷＳ    多モード干渉カプラの一方の端部の幅
ＷＭ    多モード干渉カプラの第２部分の幅
ＬＭ１    第１部分の長さ
ＬＭ２    第１部分と第２部分とを合わせた長さ
ＬＭ３    多モード干渉カプラの長さ
ＣＬ    幅方向の中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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