JP2000347065A - 光装置 - Google Patents
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Abstract
を5倍以上増大させるように自由空間と導波光学系を組
み合わせたルータを実現する。 【解決手段】 光装置は、M個(M>1)の波長チャネ
ルを有する入力波長分割多重(WDM)信号を受信する
光アレイ導波路ルータ(AWR)100と、AWR10
0からのWDM信号を出力するN出力(1<N<M)の
1次元アレイ102とを有する。各出力n(1≦n≦
N)は、WDM信号の複数の波長チャネルn,n+N,
n+2N,...,n+[M/N−1]Nを有する部分的
に分離化された信号を含む。自由空間光波長チャネルデ
マルチプレクサ301,302,303が、それぞれの
部分分離化信号を受信し、それからM個の波長チャネル
を生成する。これらのM個の波長チャネルはそれぞれ、
M個の出力のうちの相異なる出力から出力される。
Description
DM)システムにおいて使用される多重波光ルータに関
し、特に、このようなルータにより処理可能な波長チャ
ネルの数を増大させるように自由空間と導波光学系を組
み合わせたルータに関する。
現在、集積光アレイ導波路ルータ(AWR:arrayed wa
veguide router)を用いて、複数の波長信号を単一のフ
ァイバ上に多重化するとともに、ファイバを通じて受信
される信号を分離化している。しかし、WDM伝送シス
テムにおいて使用されるチャネル数が増大するにつれ
て、適当なAWRを設計および製造するのはますます困
難になる。その場合に困難な点としては、平坦な通過帯
域を形成することや、多くの出力ラインからのチャネル
間クロストークを抑圧することがある。今日の技術を使
用すれば、50GHz間隔で128チャネルのルータを
製造することは可能なはずであるが、さらにチャネル数
を増大させるにはおそらく新たなアプローチが必要であ
ろう。
使用可能なチャネル数を増大させる技術が必要とされて
いる。
によれば、WDM伝送システムで使用されるチャネル数
を5倍以上増大させるように自由空間と導波光学系を組
み合わせたルータが実現される。本発明の発明者が認識
したところによれば、アレイ導波路ルータ(AWR)の
部分的分離化特性を自由空間光ルータと組み合わせるこ
とにより、入力WDM信号を完全に分離化することがで
きる。この2段ルータを用いて、1次元および2次元の
いずれのアレイにおいても、出力波長信号を得ることが
できる。
M個(M>1)の波長チャネルを有する入力波長分割多
重(WDM)信号を受信する光アレイ導波路ルータ(A
WR)と、AWRからのWDM信号を出力するN出力
(1<N<M)の1次元アレイとを有する。各出力n
(1≦n≦N)は、WDM信号の複数の波長チャネル
n,n+N,n+2N,...,n+[M/N−1]Nを
有する部分的に分離化された信号を含む。自由空間光波
長チャネルデマルチプレクサが、それぞれの部分分離化
信号を受信し、それからM個の波長チャネルを生成す
る。これらのM個の波長チャネルはそれぞれ、M個の出
力のうちの相異なる出力から出力される。
長チャネルデマルチプレクサは、1つ以上のレンズと透
過または反射グレーティングの組合せを用いて実現され
る。本発明の他の特徴によれば、M個の出力は、ファイ
バの1次元アレイや、ファイバまたはミラー素子の2次
元アレイで終端することが可能である。別の特徴によれ
ば、ミラー素子アレイの各ミラー素子は、関連する波長
を反射して、装置を通りもとのAWRまたは第2のAW
Rに戻すように独立に制御され、多重化された波長信号
のスイッチングなどの制御を実現する。
レイ導波路ルータ(AWR)のブロック図である。この
ようなAWRは、米国特許第5,136,671号(発
行日:1992年8月4日)に記載されている。図にお
いて、AWRは、入力導波路110、第1自由空間領域
111、複数のチャープ導波路112、第2自由空間領
域113、および複数の出力導波路102を有する。最
初に、入力WDM信号は4つの波長1〜4を含むと仮定
する。図示のように、AWRデバイス100は、デバイ
スの自由スペクトルレンジ(FSR)内に含まれるWD
M入力信号101の4つの波長1〜4を、4つの異なる
出力102へ分離する。通常、AWRは、FSR内に制
限された波長範囲で用いられる。ここでは、AWRは、
16個の波長を含むWDM信号を受信し、追加波長はF
SRの外側にあると仮定する。この状況では、WDM信
号は16個の波長を含むため、FSRの外側の追加波長
もまた、波長ルータの「ラップアラウンド」性により、
出力のうちの1つへルーティングされる。
ルと、これらの波長が、図1のAWRの4つの出力チャ
ネル102にどのように巡回的に分配される(すなわ
ち、どのようにラップアラウンドする)かを示すグラフ
である。図示のように、FSRの4倍の波長レンジにわ
たる16個の波長チャネルを含む広いスペクトルのWD
M入力信号に対して、4個の出力ポートはそれぞれ
(約)1FSRだけ離れた4個の波長を出力することに
なる。すなわち、図2に示すように、出力ポート1は、
波長1、5、9、および13を含み、出力ポート2は、
波長2、6、10、および14を含み、などとなる。一
般的には、M個(M>1)の波長チャネルを有する入力
波長分割多重(WDM)信号を受信すると、N個(1<
N<M)の出力の1次元アレイで、各出力n(1≦n≦
N)は、WDM信号のチャネルn,n+N,n+2
N,...,n+[M/N−1]Nを含むことになる。
合わされた波長は、もちろん、各ポートごとに別のAW
Rを用いて個々の波長にさらに分離することができる。
このような構成は、"Composite optical router with h
ierarchical routing levelsand increased port capac
ity"という発明の名称の米国特許出願(出願日:199
7年4月2日、発明者:M. Nuss, J. Start, and J. A.
Walker)に記載されている。本発明の発明者の認識し
たところでは、AWRのこの部分的分離化特性を自由空
間光ルータと組み合わせることにより、入力WDM信号
を完全に分離化することができる。本発明による新規な
2段光ルータは、有効に処理されるチャネル数を5倍以
上に増大させるように、導波光学系段を自由空間段と組
み合わせる。
AWRのすべての部分分離化出力ポート信号を、平面回
折格子(グレーティング)を通して最終分離化出力面に
投影することによって自由空間光波長を分離化し、完全
に分離化された波長の2次元(2D)アレイスポットを
生成する。図示のように、16波長WDM入力信号はA
WR100(図1)の入力で受信され、4個の出力10
2からの部分分離化1次元信号アレイ102はレンズ3
01でコリメートされる。コリメートされた1次元信号
アレイ102は、透過型平面回折格子(グレーティン
グ)302に送られる。グレーティング302は、1次
元信号アレイ102のそれぞれの部分分離化信号を個々
の波長に分離化する。その結果、分離化された波長信号
λ1〜λ16の2次元アレイが得られ、これらの波長はレ
ンズ303により出力ファイバアレイ304へ集光され
る。波長信号λ1〜λ16の2次元アレイの集光された光
スポット間隔(レイアウトパターン)は平面305に示
される。
レーティング302の向きおよび空間周波数に依存す
る。図3に示すように、グレーティング302は、グレ
ーティングを用いたラスタ走査波長スポットの長方形ア
レイを形成する。ここで、グレーティングラインは、部
分分離化波長出力の行にほぼ平行である。
は、波長分離化焦点面305に位置する2次元ファイバ
アレイ304の個々のファイバに送られ、各波長が出力
ファイバのうちの1つに結合するようにされる。2次元
ファイバアレイ304は、シングルモードファイバ結合
に必要な精度で製造し位置合わせ(アラインメント)す
るのは困難であるが、このようなアレイは、例えば、面
内にV溝アラインメント構造を有するシリコン基板のス
タックとして組み立てたファイバを用いて製造すること
ができる。このような2Dアレイは、文献において周知
であり、シングルモードおよびマルチモードファイバ用
のアレイコネクタを製造するために使用されている(例
えば、A. R. Mickelson, N. R. Basavanhally, and Y.
C. Lee,"Optoelectronic Packaging", John Wiley & So
ns, 1997, Chapter 9, Section4、を参照)。アライン
メントの都合、小型化、単純化および頑強性のために、
図3に示す透過型グレーティング302よりもむしろ反
射型回折格子を使用するのが好ましい場合もある。
って行われるのとほぼ同一の分離化機能を実行する反射
型グレーティング401を用いた、本発明による導波/
自由空間波長ルータの組合せのもう1つの実施例を示
す。この構成では、レンズ301は、部分分離化信号ア
レイ102と、グレーティング401から反射された分
離化信号アレイ402の両方のために使用される。この
構成では、単一のレンズ301が、信号の1次元アレイ
102をコリメートしてグレーティング401へ送り、
そこで信号は反射され回折される。反射され回折された
2次元の信号は、レンズ301により集光されて、分離
化された信号アレイ402を形成し、これがファイバア
レイ304に送られる。
に分離化された複数の波長信号102は、グレーティン
グ501を用いることにより1次元アレイへ送られる。
グレーティング501の向きは、部分分離化導波路出力
102の行にほぼ直交する。図示のように、部分分離化
信号アレイ102は、レンズ301によってコリメート
され、反射型グレーティング501に送られる。反射型
グレーティング501の直交する向きにより、部分分離
化導波路出力102のそれぞれの波長は、部分分離化信
号アレイ102に平行な1次元アレイ(502〜50
5)に分離化される。1次元アレイ502〜505の平
行アラインメントにより、AWR100を有する導波路
基板510は、分離化出力のための導波路511として
も使用することができる。この構成により、2Dファイ
バアレイを使わずに済む。1次元出力ファイバアレイ5
12は、従来のAWRで用いられるのと同じシリコンオ
プティカルベンチのアラインメント技術を用いてAWR
に接続される。なお、図5に示した導波路レイアウトは
例示であり、チャネル間クロストーク、曲げおよび交差
損失のような多くの考慮点が、実際のレイアウトで用い
られる導波路形状を規定することになる。
出力ファイバアレイ512を、レンズ201からの1次
元スポットアレイ513に直接に結合することにより、
2度目に導波路基板510に結合することによる追加損
失が避けられる。これは、単に、導波路基板510の下
に1次元出力ファイバアレイ512を配置することによ
って実現される。このような構成では、水平導波路51
1は不要であり、出力ファイバアレイ512は、部分分
離化導波路出力102の真下にくることになる。
ションでは、多波長信号を分離化し、各波長を独立に操
作した後、再び多重化する必要がある。空間光学系に基
づき、微小機械傾斜ミラーを用いた1つの従来技術の光
波長合分波スイッチ(OADM)が、"Reconfigurable
Wavelength Division Multiplex Add/Drop Using Micro
mirrors"という発明の名称の米国特許出願(出願日:1
997年11月12日、発明者:V. A. Aksyuk et a
l.)に記載されている。図6に、本発明による、導波/
自由空間波長ルータと、微小機械傾斜ミラースイッチの
2次元アレイの組合せを用いた実現されるWDM合分波
スイッチの例を示す。
は、入力(IN)ポートにおいて受信WDM信号をAW
R1に結合する。AWR1およびAWR2は、AWR1
00と同じように実現され動作する。なお、明確化のた
め、図6には、AWR1からの4個の部分分離化出力6
05のうちの1つのみからの波長を示す。AWR1から
の部分分離化出力605は、レンズ606によりコリメ
ートされて透過型平面回折格子(グレーティング)60
7に送られ、グレーティング607は1次元信号アレイ
607aを生成する。レンズ608は、この1次元信号
アレイを集光し、微小機械傾斜ミラースイッチ610の
2次元(2D)アレイの対応する列609に送る。AW
R1からの他の部分分離化出力605a〜605c(図
示せず)もまた、レンズ606によりコリメートされて
透過型平面回折格子607に送られ、グレーティング6
07は、AWR1からの部分分離化出力605a〜60
5cのそれぞれに対して1次元信号アレイ607aを生
成する。こうして、グレーティング607は、分離化波
長信号の2次元アレイを形成し、これはレンズ608に
よって、微小機械傾斜ミラースイッチ610の2次元
(2D)アレイのそれぞれの列609、609a〜60
9cに集光される。微小機械傾斜ミラースイッチ610
は、前掲のV. A. Aksyuk et al.の文献に記載されてい
るように実現することが可能である。それぞれの傾斜ミ
ラー素子は、同じパス(例えば607a)に沿って入射
波長を反射するように独立に制御され、または、異なる
パス611aへ波長を偏向させるように傾斜される。傾
斜ミラー素子は、電気信号(図示せず)を用いて独立に
制御される。
に送られる電気信号(図示せず)によって制御されて第
1角だけ傾斜していると仮定すると、パス608−2上
の波長信号は、パス608−2に沿って反射され、レン
ズ608、グレーティング607、レンズ606を通
り、パス605を通じてAWR1に戻り、サーキュレー
タ601に出力され、そこで、PASS(通過)ポート
を出る。これは、図6のOADMを通って「通過」する
波長がたどるパスを示す。これに対して、ミラー素子6
09−2が動作(傾斜)していない場合、パス608−
2上の波長信号はレンズ611へ反射される。レンズ6
11は、ミラーアレイ610の非動作ミラー素子から反
射されたすべての信号をグレーティング612に集光
(611a)し、グレーティング612は、これらの波
長を合成して合成信号612aをレンズ613に送る。
レンズ613は、信号614をAWR2のポート615
に集光する。AWR2の出力は、サーキュレータ602
に出力され、そこで、DROP(分波)ポートを出る。
これは、図6のOADMによって「分波」される波長が
たどるパスを示す。
605a〜605cのすべての「分波」される波長は、
微小機械傾斜ミラースイッチの2次元(2D)アレイ6
10のそれぞれの列609、609a〜609cから反
射され、同じくレンズ611によって透過型平面回折格
子612に集光され、グレーティング612は、1次元
信号アレイ612aを生成する。次に、レンズ613
は、これらの信号をそれぞれAWR2の対応するポート
に集光し、AWR2は、それらの信号を1つの合成信号
に合成し、この合成信号はサーキュレータ602に結合
され、そこで、DROPポートを出る。
ュレータ602のADDポートに入り、AWR2を通じ
てレンズ613に結合され、グレーティング612、レ
ンズ611を通り、アレイ610内のその波長に対応す
るミラー素子に至る。「合波」波長に対応するミラー素
子は動作(検車)しており、「合波」波長を、「通過」
パスに沿って反射し、この波長は、レンズ608、グレ
ーティング607、レンズ606、AWR2、サーキュ
レータ601を通り、サーキュレータ601のINポー
トからの「通過」波長とともに、サーキュレータ601
のPASSポートを出る。
ンに応じて、2Dミラー素子アレイ610を用いて個々
の波長信号を処理することにより、光を図3の2Dファ
イバアレイ304に結合すること(これは実現するのが
困難あるいは高価である)が不要になる。さらに、2D
ミラーデバイスアレイ610は、損失のある反射器(リ
フレクタ)として構成することが可能であり、これによ
り、米国特許第5,745,271号に記載されている
デバイスと同様に機能するように、個々の波長信号の強
度を減衰させるために使用することができる。プレーナ
製造技術のため、ミラーデバイスの2Dアレイ610の
設計および製造は、ファイバの2Dアレイに接続するよ
りもずっと容易に実現される。
イ導波路ルータ)への入力スペクトルがFSR(自由ス
ペクトルレンジ)を超え、AWRからの各出力がほぼF
SRだけ離れた複数の信号を伝送することができる場合
に特に有用である。プレーナ製造技術は、出力チャネル
のピッチ(図2の202を参照)が出力チャネルの各
「ラップアラウンド」ごとにわずかに変化するときに必
要な正確なチャネル間隔に整合する能力を提供する。
は、前掲の従来技術の空間光学系に基づくOADMに比
べて次の点で改善されている。 (1)処理可能なチャネル数が増大する(チャネルの2
Dアレイのため)。 (2)各チャネルの素子性能が大幅に改善される。 この第2の利点が得られるのは、空間光学系に基づくO
ADMでは、デバイスの列が、通信チャネルどうしの間
の間隔を0またはほぼ0とした連続波長信号によって照
射されるためである。これに対して、図6のOADMで
は、デバイスの各列は、少なくとも1つの完全なチャネ
ル幅の「デッドスペース」だけ分離された別々の信号に
よって照射される。図2に示したように、このデッドス
ペースは、強度ピーク間の領域201である。強度ピー
クどうしの間のこのデッドスペースにより、機能の分離
が可能となる。例えば、図7では、光信号701が、傾
斜ミラースイッチユニット610のミラー素子702に
入射している。図示のように、波長701と706の間
のデッドスペース705を増大させることにより、ミラ
ー素子702および703を大きくすることが可能とな
り、これにより、光強度ピーク(すなわち、光スポット
704)がミラー素子702の中央領域に入り、ミラー
の辺縁に触れないことになる可能性が高くなる。これが
重要であるのは、好ましくない損失、散乱およびスイッ
チングクロストークはほとんどすべて、光スポット70
4がミラー素子702の辺縁で散乱されることにより生
じるからである。また、デッドスペース705の増大に
より、パッキング密度が低減し、ミラー素子702の傾
斜回路のための余裕が増大する。また、デッドスペース
705の増大により、スポット704とミラー素子70
2の中心の間に要求されるアラインメント誤差が緩やか
になる。
は、好ましくない非一様なグリッド上で許容される伝送
通過帯域(これにより光が比較的小さい損失で透過す
る)を規定する。しかし、図8に示すように、ABで示
されるラインでAWRを終端することによって、出力を
チャネル化することなく導波路から出ることも可能であ
る。図8のラインABは、AWRの自由空間領域801
の端部を単に劈開、エッチング、または研磨することに
より形成することができる。
続広帯域光源(波長範囲はFSRのN倍)から自由空間
に放射される。その結果、図9の901に示すように、
N個の重ね合わされたスペクトルセグメントのセットが
得られる。図6および図9をあわせて参照すると、この
スペクトルは、図6の平面回折格子(例えば607)を
通って分配されると、重ね合わされたセグメントは、そ
れらをさらにチャネル化することなく分離される(90
2)。グレーティング607を照射するスペクトルパワ
ー分布は、N個の連続スペクトルセグメントのセットと
なる。図9に示すグレーティングの向きは、厳密に直交
するグレーティングに対するスペクトル分布の、より正
確な表現である。実際には、グレーティングは、照射ス
ポットと整列するように数度だけ回転することができ
る。ユニット(あるいはアレイ)610のミラー素子
は、個々のミラー素子(あるいはデバイス)がそれぞれ
適当な空間位置に配置されるように配列される。
波長分散特性を、図6で用いられるAWR1およびAW
R2の代わりに使用することが可能である。このような
構成では、部分分離化信号は、切頭ルータAWR1を出
て、自由空間光素子606、607および608を用い
て(前述のように)処理され、ミラーアレイ610で反
射された後、自由空間光素子606、607および60
8を通る2回目のパスで再結合されるか、第2の切頭ル
ータAWR2で多重化される。
DM伝送システムで使用されるチャネル数を5倍以上増
大させるように自由空間と導波光学系を組み合わせたル
ータが実現される。
WR)のブロック図である。
である。
次元出力アレイの組合せの図である。
次元出力アレイの組合せのもう1つの実施例の図であ
る。
次元出力アレイの組合せの実施例の図である。
微小機械傾斜ミラースイッチの2次元アレイの組合せを
用いて実現される光合分波マルチプレクサ(OADM:
optical add/drop multiplexer)の図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 M>1、1<N<M、および、1≦n≦
Nとして、M個の波長チャネルを有する入力波長分割多
重(以下「WDM」という)信号を受信し、自由スペク
トルレンジ内のWDM信号を出力するN個の出力からな
る1次元アレイを有し、各出力nはWDM信号の複数の
波長チャネルn,n+N,n+2N,...,n+[M/
N−1]Nを有する部分分離化信号を有する光アレイ導
波路ルータ(以下「AWR」という)と、 各部分分離化信号チャネルを受信して、M個の波長チャ
ネルのそれぞれをM個の出力のうちの相異なる出力から
出力する自由空間光波長チャネルデマルチプレクサとを
有することを特徴とする光装置。 - 【請求項2】 前記M個の出力は1次元アレイとして配
置されることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 前記M個の出力は2次元アレイとして配
置されることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 【請求項4】 前記自由空間光波長チャネルデマルチプ
レクサは、 N個の出力の1次元アレイからの部分分離化信号チャネ
ルをコリメートして、部分分離化信号の1次元アレイを
それぞれ個々の波長チャネルに分離化して波長チャネル
の2次元アレイを形成する透過型グレーティングに送る
第1レンズと、波長チャネルの2次元アレイを素子の2
次元アレイに集光する第2レンズとを有することを特徴
とする請求項1に記載の装置。 - 【請求項5】 前記素子の2次元アレイは、ミラー素子
の2次元アレイであり、1つ以上のミラー素子は、第1
制御信号が該1つ以上のミラー素子に送られた場合に、
波長チャネルの2次元アレイの1つの波長チャネルを、
前記第2レンズ、前記透過型グレーティング、前記第1
レンズを通って前記AWRへ反射するように制御される
ことを特徴とする請求項4に記載の装置。 - 【請求項6】 第2制御信号がミラー素子に送られた場
合に、該ミラー素子は、波長チャネルを反射し、反射さ
れた波長チャネルは、第3レンズにより第2グレーティ
ングに集光され、該第2グレーティングは、同じ部分分
離化信号からの反射された波長チャネルを1つの合成信
号に多重化する透過型グレーティングであり、該合成信
号は、第4レンズにより、第2AWRに集光されること
を特徴とする請求項5に記載の装置。 - 【請求項7】 前記AWRとの間で信号を結合する第1
サーキュレータをさらに有することを特徴とする請求項
5に記載の装置。 - 【請求項8】 前記AWRとの間で信号を結合する第1
サーキュレータと、前記第2AWRとの間で信号を結合
する第2サーキュレータとをさらに有することを特徴と
する請求項6に記載の装置。 - 【請求項9】 前記AWRおよび前記第2AWRはそれ
ぞれ、 WDM信号を受信する入力導波路と、 前記入力導波路と、チャープ導波路のセットの第1端と
の両方に接続された第1自由空間領域と、 前記チャープ導波路のセットの第2端と、N個の出力の
1次元アレイで終端するN個の出力導波路のセットとの
両方に接続された第2自由空間領域とを有することを特
徴とする請求項8に記載の装置。 - 【請求項10】 前記自由空間光波長チャネルデマルチ
プレクサは、 N個の出力の1次元アレイからの部分分離化信号チャネ
ルを集光して、部分分離化信号の1次元アレイをそれぞ
れ個々の波長チャネルに分離化して波長チャネルの1次
元アレイを形成する反射型グレーティングに送る第1レ
ンズを有し、 前記第1レンズは、波長チャネルの1次元アレイを素子
の1次元アレイに集光することを特徴とする請求項1に
記載の装置。 - 【請求項11】 前記素子の1次元アレイは、光ファイ
バの1次元アレイを有することを特徴とする請求項8に
記載の装置。 - 【請求項12】 前記素子の1次元アレイは、導波路ユ
ニット上に前記AWRとともに形成された1次元導波路
アレイであることを特徴とする請求項8に記載の装置。 - 【請求項13】 M>1として、M個の波長チャネルを
有する入力波長分割多重(以下「WDM」という)信号
を受信し、1つの出力を有する光アレイ導波路ルータ
(以下「AWR」という)と、 前記AWRから前記出力を受信して、M個の波長チャネ
ルのそれぞれをM個の出力のうちの相異なる出力から出
力する自由空間光波長チャネルデマルチプレクサとを有
することを特徴とする光装置。 - 【請求項14】 前記AWRは、 WDM信号を受信する入力導波路と、 前記入力導波路と、チャープ導波路のセットの第1端と
の両方に接続された第1自由空間領域と、 第1側面が前記チャープ導波路のセットの第2端に接続
され、第2側面が前記AWRの出力として作用する直線
端部を形成する第2自由空間領域とを有することを特徴
とする請求項13に記載の装置。
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