JP2002202430A

JP2002202430A - 分波素子および波長ルータ

Info

Publication number: JP2002202430A
Application number: JP2000400846A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Okayama; 秀彰岡山
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-19
Also published as: US20020085801A1

Abstract

(57)【要約】【課題】微細なフォトニック結晶で高波長分散特性を
有する分波素子を実現する。【解決手段】波長ルータは、複数個の入力ポート１０
ａ、１０ｂそれぞれに分波素子１２ａ、１２ｂを備える
とともに、複数個の出力ポート１４ａ〜１４ｃそれぞれ
に合波素子１６ａ〜１６ｃを備える。分波素子と合波素
子とはフォトニック結晶で構成される。フォトニック結
晶の入射面と出射面との形状は相違している。分波素子
の出射面ＯＳと合波素子の入射面ＩＳとを曲面にしてあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、入力ポートに入
力された波長多重された光信号を、波長ごとに異なった
経路へ送出するための分波素子、およびこの分波素子を
用いた波長ルータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の分波素子として、アレイ導波路回
折格子素子などの様々なタイプのものが知られている。

【０００３】また、文献「Journal of Lightwave Techn
ology,vol.17,pp.2032-2038,1999年11月」には、スーパ
ープリズム現象を示すフォトニック結晶を、分波素子と
して利用することが開示されている。スーパープリズム
現象とは、波長変化に対する光の伝搬方向の変化が極め
て大きくなる現象のことを言う。フォトニック結晶は、
周囲に対して屈折率差の大きい板、円柱、あるいは球な
どを結晶格子に類似した位置に配置したものである。こ
のフォトニック結晶によって波長分散の大きな分波素子
を構成できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、フォト
ニック結晶を分波素子として用いて波長ルータを構成す
る場合、以下の問題が発生する。

【０００５】波長ルータでは、波長ごとに分離した光を
それぞれ個別の導波路（あるいは光ファイバ）に入射さ
せる必要がある。従来の分波素子では波長分散特性が十
分でないため、フォトニック結晶と導波路との間隔を比
較的大きく空けておかなければならない。しかし、これ
では波長ルータが大型化してしまうので、フォトニック
結晶中で各波長の光を十分に分離させるようにした方が
好ましい。すなわち、上記文献に記載の分波素子を波長
ルータに適用する場合、分波素子を構成するフォトニッ
ク結晶中での光信号の伝搬距離を大きくするために、長
いフォトニック結晶を必要とする。

【０００６】しかし、フォトニック結晶は光波長程度以
下の微細構造を有するものであり、大きなフォトニック
結晶を作製することは困難である。また、フォトニック
結晶中での損失は比較的大きいことから、フォトニック
結晶を長くすることは望ましくない。

【０００７】また、システムによっては、複数の入力ポ
ートからの光を、複数の出力ポートへ波長ごとに選択的
にルーティングする必要がある。従来、このようなシス
テムにフォトニック結晶素子を適用したものは無かっ
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の分波素子によ
れば、フォトニック結晶で構成され、このフォトニック
結晶の出射面の形状がこのフォトニック結晶の入射面の
形状と相違しており、出射面が曲面であることを特徴と
する。

【０００９】この構成によれば、フォトニック結晶の入
射面と出射面との形状が相違しているので、フォトニッ
ク結晶通過後の光の伝搬方向を波長ごとに異ならせるこ
とができる。また、出射面における光の出射位置は波長
に応じて異なる。上述のように、この出射面を曲面にし
たので、この出射面の法線の方向はその面内の位置に応
じて相違している。したがって、光の出射位置における
出射面の法線の方向は波長ごとに相違しているので、波
長分散特性の向上が図れる。

【００１０】また、この発明の波長ルータによれば、複
数個の入力ポートそれぞれに分波素子を備え、複数個の
出力ポートそれぞれに合波素子を備え、入力ポートに入
力された波長多重された光信号を、波長ごとに異なった
出力ポートに送出する波長ルータにおいて、分波素子お
よび合波素子をそれぞれフォトニック結晶で構成したこ
とを特徴とする。

【００１１】このように、フォトニック結晶素子を利用
して、複数の入力ポートからの光を複数の出力ポートへ
波長ごとにルーティングするシステムを実現できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、この発明の
実施の形態につき説明する。なお、図は、この発明を理
解できる程度に形状、大きさおよび配置関係を概略的に
示すものに過ぎない。よって、この発明は図示例に限定
されない。

【００１３】［第１の実施の形態］図１は、第１の実施
の形態の波長ルータの要部構成を示す図である。この波
長ルータは、複数個の入力ポート１０ａ、１０ｂそれぞ
れに分波素子１２ａ、１２ｂを備えている。また、この
波長ルータは、複数個の出力ポート１４ａ、１４ｂ、１
４ｃそれぞれに合波素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃを備え
る。この波長ルータは、入力ポートに入力された波長多
重された光信号を、波長ごとに異なった出力ポートに送
出するように構成されている。

【００１４】また、入力ポート１０ａ、１０ｂには、そ
れぞれ光ファイバ１８ａ、１８ｂの出力端が接続されて
いる。また、出力ポート１４ａ、１４ｂ、１４ｃには、
それぞれ光ファイバ２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力端が
接続されている。

【００１５】また、入力ポート１０ａと分波素子１２ａ
との間、および入力ポート１０ｂと分波素子１２ｂとの
間に、それぞれレンズ２２ａ、２２ｂが挿入されてい
る。また、出力ポート１４ａと合波素子１６ａとの間、
出力ポート１４ｂと合波素子１６ｂとの間、および出力
ポート１４ｃと合波素子１６ｃとの間に、それぞれレン
ズ２４ａ、２４ｂ、２４ｃが挿入されている。これら入
力側のレンズと出力側のレンズとでコリメート系が構成
されており、入出力間で最もロスが小さくなる光束を発
生させる。典型的には平行光線の光束を発生させる。

【００１６】この実施の形態の波長ルータでは、上述の
分波素子１２ａ、１２ｂと、合波素子１６ａ、１６ｂ、
１６ｃとが、それぞれフォトニック結晶で構成されてい
る。例えば、このフォトニック結晶は、２次元平面内に
六方晶系状に配置された高屈折率媒質で構成される。し
かし、その他の結晶系であっても良い。また、高屈折率
媒質の配列を１次元構造にしたものであっても良い。ま
た、異なる構造の複数の結晶構造を１つの素子に組み込
むようにすれば、光束の形状の制御が可能になる。

【００１７】この実施の形態の波長ルータは、入力側と
出力側とが同じ構成であり、入力側の構成を逆転させた
ものが出力側に配置されている。図１に示すように、典
型的には点対称配置にするのが好適である。

【００１８】この実施の形態の波長ルータでは、フォト
ニック結晶の入射面と出射面との形状を相違させてい
る。また、分波素子１２ａ、１２ｂの出射面ＯＳと、合
波素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃの入射面ＩＳとを曲面に
してある。図１に示すように、フォトニック結晶の入射
面および出射面のいずれか一方が平面であって、他方が
凹面である。すなわち、出射面ＯＳおよび入射面ＩＳが
凹面である。後述するように、この構成によれば波長分
散特性が向上する。

【００１９】以下、図１を参照して、この実施の形態の
波長ルータの基本的な動作につき説明する。光ファイバ
１８ａによって入力ポート１０ａに導かれた波長多重光
は、レンズ２２ａによって適切な形状の光束の入力光２
６とされる。然る後、この入力光２６は分波素子１２ａ
に入力される。分波素子１２ａを構成するフォトニック
結晶中では、波長によって光の伝搬方向が異なる。分波
素子１２ａを出射後の光も、波長によってその伝搬方向
が異なった状態に維持される。各波長の光は、それぞれ
異なった合波素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃに入射され
る。然る後、各波長の光は、各合波素子を通過して、対
応するレンズ２４ａ、２４ｂ、２４ｃに導かれる。続い
て各波長の光は、各レンズにより、対応する出力ポート
１４ａ、１４ｂ、１４ｃに接続された光ファイバ２０
ａ、２０ｂ、２０ｃの端面に集光される。

【００２０】このように、分波素子および合波素子を構
成するフォトニック結晶は、波長ごとに光の伝搬方向を
変える目的で使用される。よって、フォトニック結晶自
体の大きさは光束の数倍程度の微細なものであれば充分
である。

【００２１】次に、図２を参照して、分波素子１２ａ、
１２ｂの出射面ＯＳ、および合波素子１６ａ、１６ｂ、
１６ｃの入射面ＩＳの設計方法について説明する。基本
的にこれらの面は同じ形状であって良い。図２は、波数
ベクトル空間での光伝搬の様子を示す図である。

【００２２】図２（Ａ）および（Ｂ）に示す分散面２８
は、自由空間におけるものであり、その形状は円形状で
ある。分散面２８の原点３２からの距離は入力光２６の
波数ベクトルの大きさを示している。また、分散面３０
はフォトニック結晶（分波素子１２ａ）中におけるもの
であり、図示の通り、結晶構造の対称性を反映した複雑
な形状となっている。分散面３０の原点３２からの距離
は、フォトニック結晶中での入力光２６の波数ベクトル
の大きさを示している。分散面３０は、当該分散面３０
の法線の方向が急激に変化する形状であるため、わずか
な波長の変化が伝搬方向の急激な変化に変換される。

【００２３】なお、図２（Ａ）および（Ｂ）には、一部
の方向の分散面３０のみが示されている。また、ここで
の光波長は、バンドギャップ外の透明領域の波長とす
る。

【００２４】まず、図２（Ａ）を参照して説明を行う。
図２（Ａ）中、原点３２を通り、図中の上下方向に延在
する直線は、フォトニック結晶（分波素子１２ａ）の入
射面に垂直な方向のベクトル成分（以下、法線ベクトル
３４と称する。）を表す。原点３２を始点とし、分散面
２８を終点とする波数ベクトル３６は、フォトニック結
晶の入射面に対して入射される入力光２６の波数ベクト
ルである。法線ベクトル３４と波数ベクトル３６とのな
す角度が、入力光２６の入射面に対する入射角度に対応
している。

【００２５】また、自由空間およびフォトニック結晶の
二つの媒質の境界面では、それぞれの媒質中を伝搬する
光の接線成分が同一になる。そのため、フォトニック結
晶中の光の波数ベクトルは、原点３２を始点とし、法線
ベクトル３４に平行なベクトル３８と分散面３０との交
点を終点とする波数ベクトル４０で表される。この波数
ベクトル４０で表される光のエネルギ伝搬方向（光束方
向）は、波数ベクトル４０の終点における分散面３０の
法線方向４２であることが知られている。したがって、
フォトニック結晶中における光の伝搬方向は、図２
（Ａ）中の矢印４２の方向となる。

【００２６】上述した波数ベクトル４０の大きさは、光
の波長に応じて異なる。そのため、ベクトル３８と分散
面３０との交点は波長に応じて移動する。上述したよう
に、分散面３０の法線方向４２は分散面３０上の位置に
応じて急激に変化するため、わずかに波長が異なると光
の伝搬方向は大きく異なる。

【００２７】しかし、フォトニック結晶（分波素子１２
ａ）の出射面ＯＳが入射面と平行である場合には、波数
ベクトル４０は元の入力光の波数ベクトル３６と同一の
ベクトルに変換されてしまう。したがってこれでは、フ
ォトニック結晶から出射された光は、波長が異なってい
ても伝搬方向が同一になってしまう。また、出射面ＯＳ
が入射面と平行でなく、入射面に対して傾いた斜面であ
っても、出射面ＯＳが平面であればやはり出力光は平行
光線となり、波長に応じた伝搬方向の違いは消滅する。
そこで、図２（Ｂ）に示すような工夫が必要となる。

【００２８】図２（Ｂ）中、原点３２を通り、図中の上
下方向から傾いた直線は、フォトニック結晶（分波素子
１２ａ）の出射面ＯＳに垂直な方向のベクトル成分（以
下、法線ベクトル３４′と称する。）を表している。図
２（Ｂ）には、出射面ＯＳ上の一点における法線ベクト
ル３４′のみが示されている。このようにすると、出射
面ＯＳから出射される光の波数ベクトル３６′は、原点
３２を始点とし、法線ベクトル３４′に平行なベクトル
３８′と分散面２８との交点を終点とする波数ベクトル
になる。法線ベクトル３４′の方向を選択し、出射光の
波数ベクトル３６′が法線方向（伝搬方向）４２と平行
となるようにする。上述したように光の伝搬方向すなわ
ち分散面３０の法線方向４２は波長に応じて異なってい
るので、各波長ごとに法線ベクトル３４′の傾きを異な
らせるようにすれば、波長ごとに伝搬方向の異なる出力
光が得られる。この結果得られる出射面ＯＳの形状は曲
面である。

【００２９】この実施の形態の分波素子によれば、光束
の数倍程度の微細な大きさで、１％の波長変化Δλに対
して５０°程度の波長分散が得られる。

【００３０】出力側のフォトニック結晶（合波素子）の
形状も、入力側のフォトニック結晶（分波素子）の形状
と同じにすれば良い。出力側のフォトニック結晶では、
入力側のフォトニック結晶で生じる過程と逆の過程が行
われる。

【００３１】以上説明した構成によれば、微細なフォト
ニック結晶であっても、多入出力ポートを有した波長ル
ータを実現できる。この構成によれば、作製の容易化や
光損失の削減が期待できる。

【００３２】［第２の実施の形態］図３は、第２の実施
の形態の波長ルータの要部構成を示す図である。この実
施の形態の波長ルータは、入力ポートおよび出力ポート
の少なくとも一方に、偏光分離素子と偏光回転素子とを
設けた点に特色を有する。

【００３３】この実施の形態の波長ルータは、複数個の
入力ポート１０ａ、１０ｂそれぞれに分波素子１２ａ、
１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを備えている。また、この波長
ルータは、複数個の出力ポート１４ａ、１４ｂ、１４ｃ
それぞれに合波素子１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、
１６ｅ、１６ｆを備える。これら分波素子および合波素
子は、第１の実施の形態で説明したものと同じものであ
る。

【００３４】また、入力ポート１０ａ、１０ｂには、そ
れぞれ光ファイバ１８ａ、１８ｂの出力端が接続されて
いる。また、出力ポート１４ａ、１４ｂ、１４ｃには、
それぞれ光ファイバ２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力端が
接続されている。

【００３５】また、入力ポート１０ａと分波素子１２ａ
との間に、偏光分離素子４４ａおよび偏光回転素子４６
ａが挿入されている。また、入力ポート１０ｂと分波素
子１２ｃとの間に、偏光分離素子４４ｂおよび偏光回転
素子４６ｂが挿入されている。

【００３６】また、出力ポート１４ａと合波素子１６ａ
との間に、偏光合波素子４４ｃおよび偏光回転素子４６
ｃが挿入されている。また、出力ポート１４ｂと合波素
子１６ｃとの間に、偏光合波素子４４ｄおよび偏光回転
素子４６ｄが挿入されている。また、出力ポート１４ｃ
と合波素子１６ｅとの間に、偏光合波素子４４ｅおよび
偏光回転素子４６ｅが挿入されている。

【００３７】偏光分離素子４４ａおよび４４ｂは、入力
光を互いに直交する二つの偏光成分に分離するものであ
る。また、偏光回転素子４６ａ〜４６ｅは、入力された
偏光を９０°回転させるものである。偏光合波素子４４
ｃ、４４ｄおよび４４ｅは偏光分離素子４４ａおよび４
４ｂと同じものである。偏光合波素子には、互いに直交
する二つの偏光が入射されるように構成され、偏光合波
素子においてこれらの偏光が合波される。また、出力側
の偏光回転素子４６ｃ、４６ｄおよび４６ｅは、入力側
の偏光回転素子４６ａおよび４６ｂにより偏光回転され
た偏光を元の偏光に戻すためのものである。

【００３８】図３に示す例では、入力ポート１０ａから
の入力光が偏光分離素子４４ａで二つの偏光に分離され
る。そして、一方の偏光は偏光回転素子４６ａを通過し
て偏光回転され、然る後、分波素子１２ａに入力され
る。また、他方の偏光は直接、分波素子１２ｂに入力さ
れる。

【００３９】同様に、入力ポート１０ｂからの入力光は
偏光分離素子４４ｂで二つの偏光に分離され、一方の偏
光は偏光回転素子４６ｂを通過した後に分波素子１２ｃ
に入力され、他方の偏光は直接、分波素子１２ｄに入力
される。

【００４０】また、入力側で偏光回転された偏光は、偏
光合波素子および偏光回転素子が配置された出力側の合
波素子に入射される。また、入力側で偏光回転されなか
った偏光は、偏光合波素子および偏光回転素子が配置さ
れていない合波素子に入射される。

【００４１】図３に示す例では、合波素子１６ａに入射
した偏光は、偏光回転素子４６ｃおよび偏光合波素子４
４ｃを通過した後、出力ポート１４ａへ出力される。ま
た、合波素子１６ｂに入射した偏光は、偏光合波素子４
４ｃを通過した後、出力ポート１４ａへ出力される。ま
た、合波素子１６ｃに入射した偏光は、偏光回転素子４
６ｄおよび偏光合波素子４４ｄを通過した後、出力ポー
ト１４ｂへ出力される。また、合波素子１６ｄに入射し
た偏光は、偏光合波素子４４ｄを通過した後、出力ポー
ト１４ｂへ出力される。また、合波素子１６ｅに入射し
た偏光は、偏光回転素子４６ｅおよび偏光合波素子４４
ｅを通過した後、出力ポート１４ｃへ出力される。ま
た、合波素子１６ｆに入射した偏光は、偏光合波素子４
４ｅを通過した後、出力ポート１４ｃへ出力される。

【００４２】この構成によれば、偏光無依存性の波長ル
ータが実現される。一般にフォトニック結晶は強い偏光
依存性を有している。また、光ファイバ中での偏光は予
測不可能である。よって、フォトニック結晶を光通信シ
ステムで使用する場合には、この実施の形態で説明した
ように、偏光無依存性の構成にしておくことが望まし
い。

【００４３】［第３の実施の形態］図４は、第３の実施
の形態の波長ルータの要部構成を示す図である。この実
施の形態の波長ルータは、分波素子の出射面側および合
波素子の入射面側に、それぞれコリメート用のレンズを
設けた点に特色を有する。

【００４４】この実施の形態の波長ルータは、基本的に
は第１の実施の形態で説明した構成を有している。それ
に加えて、図４の例では、分波素子１２ａの出射面ＯＳ
側にレンズ４８が挿入されている。また、合波素子１６
ａの入射面ＩＳ側にレンズ５０が挿入されている。これ
らレンズ４８および５０によりコリメート系が構成され
ている。したがって、分波素子１２ａの出射面ＯＳから
出力された光は、レンズ４８によって平行光にされ、然
る後、レンズ５０によって合波素子１６ａの入射面ＩＳ
に対して集光される。この構成によれば、分波素子およ
び合波素子間での光損失の低減が図れる。

【００４５】［第４の実施の形態］図５は、分波素子の
構造を示す斜視図である。図５に示すように、分波素子
を構成するフォトニック結晶５６の形状は、直方体のひ
とつの面ａを、この面ａに対向する面ｂの向きに凹ませ
た形状である。この直方体を、面ｂに対して垂直に交差
する平面ｃで切った切り口の断面形状は、長方形の一辺
を凹ませた形状となっている。また、この直方体を、面
ｃに垂直な平面ｄで切った切り口の断面形状は、長方形
である。

【００４６】図６は、第４の実施の形態の波長ルータの
説明に供する斜視図である。図６に示すように、分波素
子５２ａ、５２ｂ、５２ｃそれぞれを構成するフォトニ
ック結晶の形状は、図５を参照して説明した通りであ
る。

【００４７】図６（Ａ）には、複数個の分波素子が配列
してなる分波素子群５８が示されている。この分波素子
群５８を構成する分波素子５２ａ、５２ｂ、５２ｃの配
列の方式は、第１、第２および第３の実施の形態で用い
られている。すなわち、図６（Ａ）に示すように、各分
波素子５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、図５で説明した面ｄ
に相当する面がそれぞれ平行となるように配置されてい
る。

【００４８】一方、図６（Ｂ）に示すように、各分波素
子５２ａ、５２ｂ、５２ｃは、図５で説明した面ｃに相
当する面がそれぞれ平行となるように配置されても良
い。図６（Ｂ）に示すように配置する方が、デバイスの
小型化という点からは好適である。特に第３図の構成に
効果が大きい。

【００４９】以上説明した配置方式は、合波素子につい
ても適用することができる。

【００５０】

【発明の効果】この発明の分波素子によれば、フォトニ
ック結晶の入射面と出射面との形状が相違しているの
で、フォトニック結晶通過後の光の伝搬方向を波長ごと
に異ならせることができる。また、出射面における光の
出射位置は波長に応じて異なる。この出射面を曲面にし
たので、この出射面の法線の方向はその面内の位置に応
じて相違している。したがって、光の出射位置における
出射面の法線の方向は波長ごとに相違しているので、波
長分散特性の向上が図れる。

【００５１】また、このフォトニック結晶による分波素
子を利用して、複数の入力ポートからの光を複数の出力
ポートへ波長ごとにルーティングするシステムを実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の波長ルータの要部構成を示
す図である。

【図２】分波素子の出射面、および合波素子の入射面の
設計方法の説明に供する図である。

【図３】第２の実施の形態の波長ルータの要部構成を示
す図である。

【図４】第３の実施の形態の波長ルータの要部構成を示
す図である。

【図５】分波素子の構造を示す図である。

【図６】第４の実施の形態の波長ルータの説明に供する
図である。

【符号の説明】

１０ａ，１０ｂ：入力ポート１２ａ〜１２ｄ，５２ａ〜５２ｃ：分波素子１４ａ〜１４ｃ：出力ポート１６ａ〜１６ｆ：合波素子１８ａ，１８ｂ，２０ａ〜２０ｃ：光ファイバ２２ａ，２２ｂ，２４ａ〜２４ｃ，４８，５０：レンズ２６：入力光２８，３０：分散面３２：原点３４，３４′：法線ベクトル３６，３６′，４０：波数ベクトル３８，３８′：ベクトル４２：法線方向４４ａ，４４ｂ：偏光分離素子４６ａ〜４６ｅ：偏光回転素子４４ｃ〜４４ｅ：偏光合波素子５６：フォトニック結晶５８：分波素子群

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトニック結晶で構成され、該フォト
ニック結晶の出射面の形状が該フォトニック結晶の入射
面の形状と相違しており、前記出射面が曲面であること
を特徴とする分波素子。
【請求項２】複数個の入力ポートそれぞれに分波素子
を備え、複数個の出力ポートそれぞれに合波素子を備
え、前記入力ポートに入力された波長多重された光信号
を、波長ごとに異なった前記出力ポートに送出する波長
ルータにおいて、前記分波素子および合波素子をそれぞれフォトニック結
晶で構成したことを特徴とする波長ルータ。
【請求項３】請求項２に記載の波長ルータにおいて、前記フォトニック結晶の入射面と出射面との形状が相違
しており、前記分波素子の出射面と、前記合波素子の入射面とを曲
面にしたことを特徴とする波長ルータ。
【請求項４】請求項２に記載の波長ルータにおいて、前記入力ポートに偏光分離素子および偏光回転素子を設
けたこと、または前記出力ポートに偏光合波素子および
偏光回転素子を設けたことを特徴とする波長ルータ。
【請求項５】請求項２に記載の波長ルータにおいて、前記分波素子の出射面側および前記合波素子の入射面側
に、それぞれコリメート用のレンズを設けたことを特徴
とする波長ルータ。