JP7075747B2 - 光波長合分波器 - Google Patents

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Description

本発明は光波長合分波器に関する。
近年の通信需要の拡大や高精細動画の配信要求の高まりを受けて、将来の光通信ネットワークには１００Ｔｂｐｓ以上の高速化と大容量化とが期待されている。高速大容量通信を支える技術は波長多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）であり、重要なデバイスは光波長合分波器である。光合分波器の中でも、平面基板上に形成された導波路から構成されるアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ）は、小型集積性や量産性に優れ、同一プロセス、同一工程数で作製できるため、特性のバラツキが小さいという利点がある。
また、例えば１ｃｈあたり１００Ｇｂｐｓのような高速な変調方式を伴う通信においては、非常に広帯域な帯域幅が必要とされている。ＡＷＧの帯域特性は一般にフラットトップ形状になっており、光源の波長がずれる程度を補償することは可能であるが、高速な変調方式に必要とされる帯域特性を確保するためには、更に帯域特性を広げる必要があり、これを満足するためには周波数間隔を今より広くする必要がある。しかしながら周波数間隔を広くしようとすると、利用する波長範囲における総ｃｈ数が少なくなり総容量が少なくなるため、周波数間隔を維持しながら帯域特性を広げることが望ましい。
従来のＡＷＧ１００の構成の一例を図４に示す。図４において（ａ）はＡＷＧ１００の全体構成を示している。このＡＷＧ１００は１対多の双方向光素子であって、１つの入出力導波路１０１と、２つのスラブ導波路１０２、１０４と、１つの入出力導波路１０１と１つのスラブ導波路１０２の間に設けられたパラボラ導波路１０６と、２つのスラブ導波路１０２、１０４の間に設けられたアレイ導波路１０３と、複数の導波路を含む入出力導波路群１０５とを備えている。図４（ｂ）に入出力導波路群１０５とスラブ導波路１０４との接続部を示している。図４（ｂ）に示すように、入出力導波路群１０５はテーパー導波路で構成されている。
K. Okamoto and A. Sugita,"Flat spectral response arrayed-waveguide grating multiplexer with parabolic waveguide horns" Electronics Letters, vol. 32, pp.1661-1662, (1996)
しかしながら、ＡＷＧにおいては図４（ｂ）に示すように、複数の導波路を含む入出力導波路１０５においては隣接する導波路との機械的間隔（ピッチ）は分波しようとする多重信号の周波数間隔（チャネル周波数間隔）で規定されている。したがって、従来のＡＷＧにおいては、入出力導波路１０５の各導波路の幅を広げても、隣接する導波路とのチャネル周波数間隔までが限界であり、ＡＷＧの入出力導波路の各導波路の幅をチャネル周波数間隔より広くすることは困難であった。例えば、フラットタイプＡＷＧにおける、３ｄＢ帯域幅は一般的には概ねチャネル周波数間隔の７５％、最大でも２００％が限界であった。
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、入出力導波路の隣接する導波路との間の間隔を入力信号のチャネル周波数間隔より広くすることができる光波長合分波器を提供することにある。
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、チャネル数Ｎ、チャネル周波数間隔Δｆの多重光信号を波長λNごとの光信号に分波する光波長合分波器であって、入力された多重光信号を２つの入力に分岐して、それぞれを２つの導波路から出力する入力導波路と、前記２つの導波路の他端に一端が接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路の他端に接続され、所定間隔で長さが異なる導波路長の複数の導波路を有するアレイ導波路と、前記アレイ導波路に一端が接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路の他端に接続されたそれぞれ複数の導波路を含む２つの導波路群を有する出力導波路とを備え、前記２つの導波路のうちの一方の導波路の前記第１のスラブ導波路との接続位置をチャネル周波数間隔Δｆだけ他方の導波路に近づけたときの２つの導波路の中心位置が第１のスラブ導波路の接続端面における中心位置と一致するように、前記２つの導波路が配置されると共に、前記出力導波路の２つの導波路群の間の中心位置が第２のスラブ導波路の中心位置と一致するように前記２つの導波路群が配置され、前記他方の導波路の前記第１のスラブ導波路との接続位置と該第１のスラブ導波路の接続端面における中心位置との間隔は、前記導波路群の前記第２のスラブ導波路との接続位置と該第２のスラブ導波路の接続端面における中心位置との間隔と等しく設定され、前記２つの導波路群のそれぞれにおいて隣接する導波路の間の間隔は、前記チャネル周波数間隔の２倍に設定されることを特徴とする光波長合分波器である。
第１の実施形態の光波長合分波器の構成例を示す図である。 第２の実施形態の光波長合分波器の構成例を示す図である。 実施例１で用いる光波長合分波器の構成の一例を示す図である。 従来のＡＷＧ型光波長合分波器の構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本実施形態の光波長合分波器の構成を示す図である。本実施形態の光波長合分波器は、波長数（チャネル数）がＮ、チャネル周波数間隔Δｆ（ＧＨｚ）の多重光信号を波長λNごとの光信号に分波するものとして説明する。本実施形態の光波長合分波器１は、図１に示すように、第１の入出力導波路１０と、第１のスラブ導波路２０と、アレイ導波路３０と、第２のスラブ導波路４０と、第２の入出力導波路５０とを備えた、いわゆるＡＷＧにより構成される。第１の入出力導波路は、２つの入出力１２、１３に分岐されており、２つの入出力１２、１３は２つのパラボラ導波路１４、１５を介して第１のスラブ導波路２０の所定の位置に接続している。また、第２の入出力導波路５０は２つの導波路群５１、５２により構成されており、２つの導波路群５１、５２は第２のスラブ導波路４０の所定の位置に接続している。第２のスラブ導波路４０に接続する部分の第２の入出力導波路５０は直線導波路であるが、図４（ｂ）の従来構造の例のようにテーパー導波路でも良い。
アレイ導波路３０は、長さが所定長ΔＬで異なる複数の導波路が扇型の円周に沿って複数並列するように配置されており、一番外周側に配置された導波路の長さが一番長く、一番内周側に配置された導波路の長さが一番短い。本明細書では、アレイ導波路３０が扇型に配列されており、光波長合分波器１自体も光導波方向とは垂直に外周側内周側で識別される扇型に構成されているものとして説明する。
第１の入出力導波路１０は、１つの入出力１１をＹ分岐により２つの入出力１２、１３に分岐された構成である。第１の入出力導波路１０には、波長数（チャネル数）がＮ、チャネル周波数間隔Δｆの多重光信号を入力することができる。
第１の入出力導波路１０の２つの入力のうちの一方の入出力１２はパラボラ導波路１４と接続され、さらにパラボラ導波路１４は、第１のスラブ導波路２０の接続端面における中心位置から外周側に所定の離間間隔ΔＷＧＨｚずれた位置に接続されており、他方の入出力１３はパラボラ導波路１５と接続され、さらにパラボラ導波路１５は、第１のスラブ導波路２０の接続端面における中心位置から内周側、すなわちパラボラ導波路１４とは反対側に所定の間隔（ΔＷ＋Δｆ）ＧＨｚずれた位置に接続されている。いいかえると、２つのパラボラ導波路１４、１５のうちの１つのパラボラ導波路１５をチャネル周波数間隔Δｆだけもう１つのパラボラ導波路１４に近づけたとき、２つのパラボラ導波路１４、１５の中心位置が第１のスラブ導波路２０の接続端面における中心位置と一致するように、２つのパラボラ導波路１４、１５は配置されている。この離間間隔ΔＷは、入力される光信号のチャネル数Ｎおよびチャネル周波数間隔Δｆに基づいて十分大きく設定される。例えば、離間間隔ΔＷは、チャネル周波数間隔Δｆの４倍以上に設定することが好ましい。
第２の入出力導波路５０は、２つの導波路群５１、５２を有している。２つの導波路群５１、５２には、光波長合分波器１に入力される光信号のチャネル数Ｎに基づいて、それぞれＮ／２本の導波路が設けられている。導波路群５１は、その中心位置が第２のスラブ導波路４０の接続端面における中心位置から内周側に離間間隔ΔＷＧＨｚずれた位置となるように、第２のスラブ導波路４０に接続している。導波路群５２は、その中心位置が第２のスラブ導波路４０の接続端面における中心位置から外周側に離間間隔ΔＷＧＨｚずれた位置となるように、第２のスラブ導波路４０に接続している。すなわち、導波路群５１、５２のそれぞれの中心位置が第２のスラブ導波路４０の中心位置と一致するように導波路群５１、５２が配置される。ここで、第２の入出力導波路５０に接続される２つの導波路群５１、５２のそれぞれの中心位置の離間間隔ΔＷは、第１のスラブ導波路２０に接続される第１の入出力導波路１０（パラボラ導波路１４、１５）の中心位置からの離間間隔ΔＷと同じに設定される。２つの出力導波路群５１、５２のそれぞれＮ／２本の導波路の配置間隔Ｐ（ピッチ）は、入力される光信号のチャネル周波数間隔Δｆに基づいて、Ｐ＝２Δｆのピッチで配置される。
また、光波長合分波器１のＦＳＲは、２つの導波路群５１、５２の第２のスラブ導波路４０の接続端面における中心位置からの離間距離ΔＷとチャネル周波数間隔Δｆに基づいて十分大きく設定することができる。
次に動作について説明する。本実施形態の光波長合分波器では、第１の入出力導波路１０には、波長λ1、λ2、λ3・・・λNのＮチャネルの多重光信号が入力される。入力されたＮ多重光信号はＹ分岐を経て２つのパラボラ導波路１４、１５から第１のスラブ導波路２０に入力される。第１のスラブ導波路２０に対して異なる位置から入力された光信号は、アレイ導波路３０により、波長ごとに異なる位相に変調がなされ、第２のスラブ導波路４０に入力される。第２のスラブ導波路に入力された光信号は、波長分波されて第２の入出力導波路５０に出力される。
第１の入出力導波路１０に入力された波長λ1、λ2、λ3・・・λNのＮチャネルの多重光信号は、波長λ1、λ2・・・の光信号が順に、第２の入出力導波路５０の２つの導波路群５１、５２のそれぞれに交互に出力される。導波路群５１には、奇数番目の波長λ1、λ3、λ5・・・が出力され、導波路群５２には、偶数番目の波長λ2、λ4、λ6・・・が出力される。
このように本実施形態の光波長合分波器では、第２の入出力導波路５０の導波路群５１、５２のそれぞれにおいては、第１の入出力導波路１０から入力された波長λ１、λ２、λ３・・・λＮの光信号が１つ飛ばしの順番で出力される。したがって、導波路群５１、５２のそれぞれにおける導波路間隔Ｐは、チャネル周波数間隔Δｆの２倍のＰ＝２Δｆに設定することが可能となる。
また、本実施形態の光波長合分波器において、第２の入出力導波路から光信号を入力すると、上記とは逆の動作により合波器として機能することができる。この場合、導波路群５１から入力された光信号は、第１の入出力導波路１０のパラボラ導波路１４に接続し、導波路群５２から入力された光信号は、第１の入出力導波路１０のパラボラ導波路１５に接続する。
本実施形態の光波長合分波器によれば、隣接する導波路間隔Ｐを入力チャネル周波数間隔の２倍まで広くすることができるので、出力導波路幅を十分広く作製できる。したがって、波長がずれても広帯域な伝送特性が維持できる。
本実施形態の光波長合分波器によれば、１つのＡＷＧに２つの入力を配置する構成で、透過帯域の広い光波長合分波器を実現できる。本実施形態の光波長合分波器は１つのＡＷＧに作製できるため、小型化が容易なだけではなく、精密設計に基づき作製でき、特性も各チャネル間でばらつくことがないため、歩留まり良く、均一な特性に作製できるためコスト低減効果もある。
（第２の実施形態）
第１の実施形態の説明では、入力導波路の２つの入力と第１のスラブ導波路との間にパラボラ導波路を設けた構成について説明した。しかしながら、このパラボラ導波路を設けず、入力導波路の２つの入力と第１のスラブ導波路とを直接接続した構成としてもよい。
図２は、第２の実施形態の光波長合分波器の構成例を示す図である。本実施形態の光波長合分波器は、図２に示すように、パラボラ導波路を設けず、入力導波路の２つの入出力１２、１３と第１のスラブ導波路２０とを直接接続した以外は第１の実施形態の構成と同様であるので、その説明を省略する。２つの入出力１２、１３の第１のスラブ導波路２０との接続位置は、第１の実施形態における２つのパラボラ導波路１４、１５の第１のスラブ導波路２０との接続位置と同様に設定することができる。
この実施形態の光波長合分波器では、第１のスラブ導波路２０への入力が直線導波路となるので、２次モードが励起せず、ＡＷＧの帯域特性がガウス形状となる点で上記第１の実施形態の光波長合分波器とは異なるが、それ以外は同様の動作となる。第１の実施形態におけるパラボラ導波路では、２次モードが励起するため透過帯域がフラットになり透過損失の点で有利ではあるが、第２の実施形態の直線導波路であっても、波長ずれに対しても広帯域な伝送特性を実現することできる。
本実施形態の光波長合分波器によれば、１つのＡＷＧに２つの入力を配置する構成で、透過帯域の広い光波長合分波器を実現できる。本実施形態の光波長合分波器は１つのＡＷＧに作製できるため、小型化が容易なだけではなく、精密設計に基づき作製でき、特性も各チャネル間でばらつくことがないため、歩留まり良く、均一な特性に作製できるためコスト低減効果もある。
次に上記実施形態の光波長合分波器の具体的構成例について説明する。図３は本実施例の光波長合分波器の構成の一例を示す図である。本実施例では、第１の実施形態の光波長合分波器を例に挙げて説明するが、パラボラ導波路１４、１５を設けない以外は、第２の実施形態の光波長合分波器でも同様に構成することができる。本実施例では、光波長合分波器において、チャネル数Ｎ＝１０、チャネル周波数間隔Δｆ＝３７．５ＧＨｚの光信号（λ1～λ10）が多重化された多重化光信号を波長ごとの光信号に分波した。本実施例では、中心位置からの所定の間隔はΔＷ＝３００ＧＨｚに設定し、光波長合分波器のＦＳＲは２ΔＷ＋Δｆ＝６３７．５ＧＨｚに設定した。
第１の入出力導波路１０の２つのパラボラ導波路１４、１５は、第１のスラブ導波路２０の入力端における中心位置を挟んで、パラボラ導波路１４は中心位置から外周側に３００ＧＨｚ離れた位置に、パラボラ導波路１５は中心位置から内周側に３３７．５ＧＨｚ離れた位置にそれぞれ配置される。
第２の入出力導波路５０の２つの導波路群５１、５２のそれぞれの中心位置は、第２のスラブ導波路４０の出力端における中心位置を挟んで、導波路群５１は中心位置から内周側に３００ＧＨｚ離れた位置に、導波路群５２は中心位置から外周側に３００ＧＨｚ離れた位置にそれぞれ配置される。
まず、光波長合分波器１に、光信号（λ1～λ10）が多重化された多重化光信号が第１の入出力導波路１０に入力されると、２つの入出力１２、１３に分岐される。２つに分岐された１０チャネルの光信号（λ1～λ10）は、パラボラ導波路１４とパラボラ導波路１５からそれぞれ第１のスラブ導波路２０に導波される。第１のスラブ導波路２０に導波された光は、アレイ導波路３０を経由して、第２のスラブ導波路４０に入力され、第２の入出力導波路５０に出力される。
第２のスラブ導波路４０と第２の入出力導波路５０との接続部においては、パラボラ導波路１４から入力された光信号は、第２の入出力導波路５０の導波路群５１に接続し、パラボラ導波路１５から入力された光信号は、第２の入出力導波路５０の導波路群５２に接続される。ここで、導波路群５１には、パラボラ導波路１４から入力された光λ1～λ10のうち、λn（ｎは１から９の奇数：奇数チャネル）の光信号のみが出力され、導波路群５２にはパラボラ導波路１５から入力された光λ1～λ10のうち、λn+1（ｎは１から９の奇数：偶数チャネル）の光信号のみが出力される。
このようにチャネル周波数間隔３７．５ＧＨｚ（λn+1－λn＝３７．５ＧＨｚ）の光信号は２つの出力群λ1、λ3、λ5、λ7、λ9とλ2、λ4、λ6、λ8、λ10とに２分され、それぞれの導波路群５１、５２に入力される。それぞれの出力群におけるチャネル周波数間隔は７５ＧＨｚ（λn+2－λn＝７５ＧＨｚ）となり、各導波路群５１、５２における隣接導波路間隔Ｐは２分された光信号λn、λn+1（ｎは１から５の整数）のチャネル周波数間隔の２倍に等しいので、チャネル周波数間隔すなわちＰ＝７５ＧＨｚに設定できる。
１ 光波長合分波器
１０ 第１の入出力導波路
１２、１３ 入出力
２０ 第１のスラブ導波路
３０ アレイ導波路
４０ 第２のスラブ導波路
５０ 第２の入出力導波路
５１、５２ 導波路群

Claims (3)

  1. チャネル数Ｎ、チャネル周波数間隔Δｆの多重光信号を波長λNごとの光信号に分波する光波長合分波器であって、
    入力された多重光信号を２つの入力に分岐して、それぞれを２つの導波路から出力する入力導波路と、
    前記２つの導波路の他端に一端が接続された第１のスラブ導波路と、
    前記第１のスラブ導波路の他端に接続され、所定間隔で長さが異なる導波路長の複数の導波路を有するアレイ導波路と、
    前記アレイ導波路に一端が接続された第２のスラブ導波路と、
    前記第２のスラブ導波路の他端に接続されたそれぞれ複数の導波路を含む２つの導波路群を有する出力導波路とを備え、
    前記２つの導波路のうちの一方の導波路の前記第１のスラブ導波路との接続位置は前記第１のスラブ導波路の接続端面における中心位置から外周側に所定の離間間隔（ΔＷ）ＧＨｚずれた位置に、他方の導波路の前記第１のスラブ導波路との接続位置は前記一方の導波路とは反対側に所定の間隔（ΔＷ＋Δｆ）ＧＨｚずれた位置に配置されると共に、前記出力導波路の２つの導波路群の間の中心位置が第２のスラブ導波路の中心位置と一致するように前記２つの導波路群が配置され、
    前記他方の導波路の前記第１のスラブ導波路との接続位置と該第１のスラブ導波路の接続端面における中心位置との間隔は、前記導波路群の前記第２のスラブ導波路との接続位置と該第２のスラブ導波路の接続端面における中心位置との間隔と等しく設定され、前記２つの導波路群のそれぞれにおいて隣接する導波路の間の間隔は、前記チャネル周波数間隔の２倍に設定されることを特徴とする光波長合分波器。
  2. 前記２つの導波路は、パラボラ導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波器。
  3. 前記アレイ導波路の複数の導波路は扇型の円周に沿って複数並列するように配置され、前記２つの入力のうちの一方の入力は、前記扇型の内周側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長合分波器。
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