JP2000321447A - 平坦な周波数応答を有する低損失光波長分割装置 - Google Patents

平坦な周波数応答を有する低損失光波長分割装置

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JP2000321447A
JP2000321447A JP11315658A JP31565899A JP2000321447A JP 2000321447 A JP2000321447 A JP 2000321447A JP 11315658 A JP11315658 A JP 11315658A JP 31565899 A JP31565899 A JP 31565899A JP 2000321447 A JP2000321447 A JP 2000321447A
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optical
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optical waveguide
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Dong-Kyoon Han
東均 韓
Hyoun-Soo Kim
賢洙 金
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 平坦な周波数応答を有する低損失光波長分割
装置を提供する。 【解決手段】 複数の入力光導波管に入力される異なる
波長を有する光信号を結合または分離して多数の出力光
導波管へ出力するＡＷＧ光波長多重化装置／分割化装置
において、入力光導波管で結合された入力光信号のパワ
ーを分割する第１スラブ導波管と、第１スラブ導波管か
ら入力された光信号が隣接する導波管で一定の位相差を
有するよう導波するよう配列した光導波管の回折格子
と、そこから出力される光信号の波長を結合または分離
して出力導波管に出力する第２スラブ導波管と、第２ス
ラブ導波管と出力導波管との間に挿入されて平坦な周波
数応答を得るためのテーパ導波管と、から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、波長分割多重化
(ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing)システム
で使用する光波長多重化装置／分割化装置(optical wav
elength mutiplexer/demultiplexer)に係り、特に、平
坦な周波数応答を有するとともに、素子の挿入損失を極
小化できる光波長分割化装置(optical wavelength demu
ltiplexer)に関する。
【０００２】
【従来の技術】光導波管を配列した回折格子(Arrayed W
aveguide Grating：ＡＷＧ)構造を用いた波長多重化装
置／分割化装置(ＡＷＧ光波長分割化装置)の動作は、配
列した光導波管を回折格子(diffraction grating)と見
なすという条件下に、入射する光の回折による分散特性
(dispersion characteristic)を記述した回折格子方程
式(grating equation)で説明することができる。
【０００３】このようなＡＷＧ光波長分割装置は、ＷＤ
Ｍシステムで異なる波長の光信号を結合又は分離するた
めの光学装置である。また、回折格子方程式は、最終出
力平面で補強干渉を起こす条件を求める式であり、ＡＷ
Ｇ光波長分割装置を構成する三つの部分、即ち第１スラ
ブ導波管(slab waveguide)、ＡＷＧ、及び第２スラブ導
波管の位相変化の和が、この条件となる。ここで、最終
出力平面とは、第２スラブ導波管と出力導波管との境界
面を言う。光信号が入力導波管の中心に入射されたと仮
定すれと、回折格子方程式は数式１で表される。
【数１】ｎｓｄｓｉｎθ＋ｎｃΔＬ＝ｍλ
【０００４】ここで、ｎｓ、ｎｃはそれぞれ第１、第２
スラブ導波管とＡＷＧの有効屈折率を示し、ｄはＡＷＧ
のピッチ、ｍは回折次数、ΔＬはＡＷＧでそれぞれ隣接
し異なる長さを有する光導波管の長さの差、λは波長を
示す。
【０００５】中心動作周波数λｏは数式１でθ＝０であ
る場合の波長であり、数式２で定義される。
【数２】
【０００６】数式１から、角分散度(angular dispersio
n)、即ち、波長変化による光の回折角度の変化式が得ら
れる。これは数式１の両辺を波長λで微分することによ
り導き出され、数式３により表される。
【数３】
【０００７】このように光の波長が変化するに従って波
面(wavefront)の方向が変化し、第２スラブ導波管内の
像平面(image plane)上に形成される干渉縞(interferen
ce pattern)のメインローブ(main lobe)の位置が変化す
る。
【０００８】光波長分割装置の周波数応答は、第２スラ
ブ導波管の像平面上に形成される干渉縞と第２スラブ導
波管に接続される出力導波管のモードとの間の重畳積分
(overlap integration)で求められる。
【０００９】しかしながら、一般の光波長分割装置で
は、干渉縞と出力導波管のモードがガウス(Gausian)形
態を有するため、ガウス周波数応答を表すことになる。
このガウス周波数応答を有する光波長分割装置がシステ
ムに適用されると、システムソースとして機能するレー
ザダイオード(ＬＤ：Laser Diode)の周波数変化を正確
に制御する必要がある。そして、この光波長分割装置が
直列接続されると、周波数応答の帯域幅が順次縮められ
てしまうため、システムの設置費及び保守費の増加を招
いてしまう。
【００１０】このような問題点は、各チャネルの周波数
応答を平坦にすることで解決され、その方法として以下
の技術が開示されている。
【００１１】第１の方法は、ＡＷＧでの光経路差(optic
al path length)を調節する方法である。この方法は、L
ucent TechnologiesのCorrado Dragoneによって発明さ
れ、米国特許番号第５,４６７,４１８号の‘FREQUENCY
ROUTING DEVICE HAVING A SPATIALLY FILTERED OPTICAL
GRATING FOR PROVIDING AN INCREASED PASSBAND WIDT
H’に詳細に開示されている。この方法によると、平坦
な出力形態を得るために、第２スラブ導波管に入射する
光のフィールド分布(field distribution)を、シンク関
数(sinc function)の形態として、第２スラブ導波管で
発生する回折現象を出力面で発生する入射光のフーリエ
変換(Fourier Transform)として考える。したがって、
入射光が要求する出力の逆フーリエ変換に相当するシン
ク関数形態を有するよう調節される。また、入射光の形
態を得るために、ＡＷＧ領域の少なくとも一部分で半波
長に相当する波長差を有するようＡＷＧの導波管長さを
調節し、そのエンベロープ(envelope)に基づいて意図的
に損失を与える。これにより全素子は、ＡＷＧに与える
意図的な損失に相当する分だけの挿入損(intentionallo
ss)を有することになる。
【００１２】第２の方法は、素子の第１スラブ導波管に
接続される入力導波管にパラボラホーン導波管(parabol
ic horn waveguide)を適用して平坦な周波数応答特性を
得る方法である。この方法は、日本ＮＴＴ社のK.Okamot
oによって出願され、‘FLATSPECTRAL RESPONSE ARRAYED
WAVEGUIDE GRATING MULTIPLEXER WITH PARABOLIC WAVE
GUIDE HORNS’、Electrics、32,pp.1961-1962、1996に詳
細に開示されている。これによれば、パラボラホーン導
波管は、第１スラブ導波管の入力面での導波管モード形
態が第２スラブ導波管の出力像平面でそのまま再生(rec
onstruction)される光波長分割装置の特性を用いて、入
力導波管モードの形態をダブルピーク形状にし、出力面
で重畳積分による最終周波数応答を平坦化させる。この
方法は、第１の方法のように意図的な損失を与える必要
はないが、像平面上に形成されるダブルピークイメージ
と出力導波管のローカルモードの不一致から生ずる損失
を避けることができない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】このように、上述した
従来の方法では、出力導波管モードを維持しながら、像
平面上に形成される像だけを変化させるため、ガウス周
波数応答を有する場合に比べて２〜４dBの追加損失が必
然的に存在するという問題点がある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、このような問
題点を解決するために案出されたもので、第２スラブ導
波管と出力導波管との間にテーパ導波管を適用して低損
失のＡＷＧ光波長分割装置を提供するものである。
【００１５】また、本発明は、第２スラブ導波管と出力
導波管との間にテーパ導波管を適用して平坦な周波数応
答を有するＡＷＧ光波長分割器を提供する。
【００１６】さらに、本発明では、第２スラブ導波管と
出力導波管との間にテーパ導波管を適用して、平坦な周
波数応答を有するとともに従来技術で生じる追加挿入損
を解消するＡＷＧ光波長分割装置を提供する。
【００１７】さらにまた、本発明では１以上の入力光導
波管に入力される異なる波長を有する光信号を結合また
は分離して複数の出力光導波管へ出力するＡＷＧ光波長
多重化装置／分割化装置において、入力光導波管から出
力される結合された入力光信号のパワーを分割する第１
スラブ導波管と、この第１スラブ導波管へ出力された光
信号を隣接した導波管で一定の位相差を持って導波する
よう配列された光導波管回折格子と、この配列光導波管
回折格子から出力される光信号の波長を結合または分離
して出力導波管へ出力する第２スラブ導波管と、この第
２スラブ導波管と出力導波管との間に挿入されて平坦な
周波数応答を得るためのテーパ導波管と、から構成され
ることを特徴とする低損失光波長分割装置を提供する。
【００１８】そのテーパ導波管は線形テーパ導波管であ
るとよく、光信号導波中にモード間パワー交換が生じな
いよう断熱構造であるとよい。また、テーパ導波管は、
第２スラブ導波管の出力端で多重モード構造を有するよ
うにするとよい。
【００１９】さらに、そのテーパ導波管の一端部が、出
力導波管の入力端部と同一サイズでそれぞれ接続されて
光信号を導波するようにするとよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づき詳細に説明する。なお、図面中で、同一な
構成要素及び部分には、可能な限り同一符号を共通使用
するものとし、関連する周知技術については適宜説明を
省略する。また、以下の説明では具体的な特定事項を示
しているが、これに限られることなく本発明を実施でき
ることは、当該技術分野における通常の知識を有する者
には自明である。
【００２１】図１に、本発明の一実施形態におけるＡＷ
Ｇを用いた平坦な周波数応答を有する光波長分割装置チ
ップの拡大図を示す。また、図２には、本発明の一実施
形態におけるＡＷＧ光波長分割装置パターンの拡大図を
示す。
【００２２】図１に示すように、光波長分割装置は、基
板１０上に多数の工程を経てて形成された導波管パター
ンを有する。ここで導波管パターンとは、光信号が経由
する導波管を意味する。ＡＷＧ光波長分割装置は、異な
る波長を有する光信号が入力される少なくとも一本以上
の入力導波管１１０と、入力導波管１１０から出力され
る光パワー(optical power)を分離する第１スラブ導波
管１１２と、第１スラブ導波管１１２の出力端に接続さ
れており、隣接する導波管で入力された光信号が一定の
位相差をを持つよう導波するＡＷＧ１１４と、このＡＷ
Ｇ１１４の出力端に接続されて出力される光信号の波長
を結合または分離して出力導波管１１８へ出力する第２
スラブ導波管１１６と、第２スラブ導波管１１６の出力
端と出力導波管１１８との間に挿入されて平坦な周波数
応答を得るために設けられるテーパ導波管(図２、図３
参照)と、を含む。
【００２３】このような構造を有するＡＷＧ光波長分割
装置の動作は次の通りである。一本以上の入力導波管１
１０に入力された光信号は、第１スラブ導波管１１２を
通過して異なる長さを有する複数の導波管を備えたＡＷ
Ｇ１１４に入射される。このＡＷＧ１１４を通過した光
信号は異なる位相を有するようになる。第２スラブ導波
管１１６に入力された異なる位相を有する光信号は、補
強及び干渉によって複数の出力導波管のうちの一つにそ
の像(self-imaging)が結ばれて出力される。
【００２４】図２に基づき本例のＡＷＧ光波長分割装置
の動作原理を詳細に説明する。ＡＷＧ光波長分割装置
は、波長変化によってその波面(wavefront)の方向を変
える光導波管を配列した回折格子を実現したものであ
る。波長変化によって像の結ばれる焦点平面(又は、像
平面)で干渉縞のメインピークが移動する程度を示す線
形分散は数式４で表される。
【数４】
【００２５】ここで、ｆはスラブ導波管の焦点距離、ｍ
は回折次数、ｄはＡＷＧのピッチ、ｎｓはスラブ導波管
の有効屈折率である。
【００２６】数式４によると、ＡＷＧ光波長分割装置に
入射される光信号の波長分布が第２スラブ導波管２１６
の像平面上に空間的に結ばれ、像平面に予め定められた
間隔で多数本の出力導波管２１８を接続すると、この出
力導波管２１８の位置によって定められた波長間隔を有
する光波長分割装置を実現することができる。
【００２７】複数のＡＷＧ２１４から出力された異なる
位相を持つ光信号は、第２スラブ導波管２１６を通過す
る間、フラウンホファー回折(Fraunhofer diffraction)
に従う。このようにして、干渉縞は像平面上に形成され
る。このフラウンホファー回折は、入力光信号と回折図
形との関係をフーリエ変換で記述することができるた
め、入力光信号と出力回折図形のいずれか一方だけを知
ることができれば、フーリエ変換又は逆フーリエ変換を
用いて他方の光信号の大きさと位相を算出することがで
きる。
【００２８】図３に、本発明の一実施形態における第２
スラブ導波管３１６と出力導波管３１８との間に挿入さ
れるテーパ導波管３１７を示す。このテーパ導波管３１
７は、光波長分割装置の平坦な周波数応答を得ると共
に、低損失を実現するために挿入される。
【００２９】以下、テーパ導波管３１７について詳細に
説明する。テーパ導波管３１７は、第２スラブ導波管の
出力端と出力導波管３１８との間に挿入するように適用
される。本例では、出力導波管３１８の先端部分を加工
して、多数の導波モードを有する多重モードテーパ導波
管３１７を構成している。また、テーパ導波管３１７
は、光信号導波中にモード間でパワー交換が生じないよ
う断熱構造とすることが望ましい。このようなテーパ導
波管３１７は入射光の受光角(acceptance angle)を拡大
させるため、光損失が最低限に抑えられる。第２スラブ
導波管と接続されているテーパ導波管の先端３１７ａ
は、多重モードを有する構造であり、出力導波管３１８
と接続された後端３１７ｂは出力導波管３１８と同一の
サイズとされる。
【００３０】図４Ａに、従来のＡＷＧ光波長分割装置に
おいて像平面上に形成されるフォーカルフィールド(FOC
AL FIELD)と出力導波管の０次ローカルモードフィール
ド(LOCAL MODE FIELD(FUNDAMENTAL MODE))のグラフを示
す。図４Ａから、従来のＡＷＧ光波長分割装置が、ダブ
ルピーク形態を有する干渉縞を像平面上に形成すること
が確認できる。これと対比させて図４Ｂに、本発明の一
実施形態であるＡＷＧ光波長分割装置において像平面上
に形成されるフォーカルフィールド(FOCAL FIELD)と出
力導波管の０次ローカルモードフィールド(LOCAL FIEL
D)のグラフを示す。図４Ｂから、本発明の一実施形態で
あるＡＷＧ光波長分割装置が、出力導波管のローカルモ
ードと同一形態を有する干渉縞を像平面上に形成するこ
とが確認できる。本発明のＡＷＧ光波長分割装置は、平
坦な周波数応答を得ることができ、また、第２スラブ導
波管に接続された出力導波管の入力端部分においてテー
パ構造を有する点にその特徴がある。図４Ａ及び図４Ｂ
において、グラフの横軸は、像平面上に形成された像の
位置(POSITION ON IMAGE PLANE（μｍ）)を示す。この
ように像平面上に形成された像は、第２スラブ導波管か
ら出力された光のイメージである。
【００３１】テーパ(taper)導波管は多数の導波モード
を有する多重モード導波管であり、例えば、本発明で
は、出力導波管の導波モードが十分に広いため、テーパ
導波管の０次モード(fundamental mode)とフォーカルプ
レーン(focal plane)とで、干渉縞間のモードの不一致
を最小化することになり、損失が最小限に抑えられる。
【００３２】図２及び図３に示すように、本発明の一実
施形態におけるＡＷＧ光波長分割装置では、平坦な周波
数応答を得るために、１.５μm波長帯の１６チャネルＡ
ＷＧ波長分割装置として設計されており、チャネル導波
管幅は６.５μm、コア層とクラッド層との屈折率差は
０.７５％に設計されている。また、、出力導波管部分
で線形テーパの幅(Ｗ)を２５.３μm、テーパ部分の長さ
(Ｌ)を４８００μmに設計し、周波数応答特性を計算す
るために二次元ビーム伝達方法(beam propagation meth
od)を用いた。なお、テーパ導波管の大きさは、これに
限定されることなく、テーパ導波管の大きさを適宜変更
することによって、多様なテーパ導波管を実現すること
ができる。
【００３３】図５に、本発明の一実施形態における像平
面上に形成される干渉縞と多数の多重導波モード重畳積
分(overlap integral)を波長に応じて示したグラフを示
す。像平面上に形成された干渉縞が出力導波管で五つの
モード(０次モード〜４次モード)とそれぞれ結合され
る。グラフの横軸は、正規化した波長(NOROMALIZED WAV
ELENGUT(μｍ))を示す。本発明は多重モード結合のため
にテーパ導波管の先端、即ち像平面上に断熱性テーパ(a
diabatic taper)導波管構造を採用しており、０次モー
ドを除いた光信号の高次モードは導波管を通過して遮断
(cuf off)又は放射される。この結果、中央が凹んだ形
態を有する最終周波数応答が得られる。この中央が凹ん
だ形態(centrally-dipped profile)は、各チャネルの中
央波長で偶数モードが結合されたパワーの遮断に基因す
るものである。また、この中央が凹んだ形態が周波数応
答の平坦化を増加する容易となる。
【００３４】図６に、計算式によって得た本発明の一実
施形態による周波数応答特性のグラフを示す。このグラ
フの横軸は、正規化した波長の大きさ(NORMALIZED WAVE
LENGTH(μｍ))を示し、縦軸は、損失(LOSS(dB))を示
す。図６に示すように、その計算式によって得た挿入損
失は１.１６dBであり、３dB帯域幅では７２.３GHzであ
る。
【００３５】なお、最終光ファイバ結合損失、曲線導波
管損失、導波損失についての説明は省略したが、既存の
方法に比べて相当改善された挿入損失を示している。
【発明の効果】以上から、本発明によると、第２スラブ
導波管と出力導波管との間にテーパ導波管を適用するこ
とによって、像平面上で平坦な周波数応答を得ると共
に、追加挿入損失の発生が最小限に抑えられる。また、
本発明に適用されたテーパ導波管は、既存の光学装置に
容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるＡＷＧ光波長分割
装置チップを示す斜視図。
【図２】本発明の一実施形態におけるＡＷＧ光波長分割
装置の導波管パターンを示す平面図。
【図３】本発明の一実施形態における出力テーパ導波管
を示す拡大図。
【図４Ａ】従来技術による像平面に表れたフォーカルフ
ィールドと出力導波管の０次ローカルモードフィールド
とを比較したグラフ。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態による像平面に表れたフ
ォーカルフィールドと出力テーパの０次ローカルモード
フィールドとを比較したグラフ。
【図５】本発明の一実施形態による出力導波管のローカ
ルモードとフォーカルフィールドのパワー重畳積分を示
すグラフ。
【図６】本発明の一実施形態による損失特性を示すグラ
フ。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １以上の入力光導波管に入力される異な
    る波長を有する光信号を結合または分離して複数の出力
    光導波管へ出力するＡＷＧ光波長多重化装置／分割化装
    置において、 入力光導波管から出力される結合された入力光信号のパ
    ワーを分割する第１スラブ導波管と、この第１スラブ導
    波管へ出力された光信号を隣接した導波管で一定の位相
    差を持って導波するよう配列された光導波管回折格子
    と、この配列光導波管回折格子から出力される光信号の
    波長を結合または分離して出力導波管へ出力する第２ス
    ラブ導波管と、この第２スラブ導波管と出力導波管との
    間に挿入されて平坦な周波数応答を得るためのテーパ導
    波管と、から構成されることを特徴とする低損失光波長
    分割装置。
  2. 【請求項２】 テーパ導波管が線形テーパ導波管である
    請求項１記載の低損失光波長分割装置。
  3. 【請求項３】 テーパ導波管は、光信号導波中にモード
    間パワー交換が生じないよう断熱構造を有する請求項１
    又は請求項２に記載の低損失光波長分割装置。
  4. 【請求項４】 テーパ導波管は、第２スラブ導波管の出
    力端で多重モード構造を有する請求項１〜請求項３いず
    れか１項に記載の低損失光波長分割装置。
  5. 【請求項５】 テーパ導波管の一端部が、出力導波管の
    入力端部と同一サイズでそれぞれ接続されて光信号を導
    波する請求項１〜請求項４いずれか１項に記載の低損失
    光波長分割装置。
JP11315658A 1999-05-11 1999-11-05 平坦な周波数応答を有する低損失光波長分割装置 Pending JP2000321447A (ja)

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Cited By (3)

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