JP2002500387A - 多重波長信号モニター用光学デバイス - Google Patents

多重波長信号モニター用光学デバイス

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JP2002500387A
JP2002500387A JP2000527047A JP2000527047A JP2002500387A JP 2002500387 A JP2002500387 A JP 2002500387A JP 2000527047 A JP2000527047 A JP 2000527047A JP 2000527047 A JP2000527047 A JP 2000527047A JP 2002500387 A JP2002500387 A JP 2002500387A
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diffraction
grating
light
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アズガーリ，メーディ
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ブックハム テクノロジー ピーエルシー
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Abstract

(57)【要約】 光学デバイスは、入力導波路(１７)に受信した多重波長信号を分離し、それぞれ単一波長または狭い波長帯域を有する複数の信号にする回折格子(１６)を有してなる。第１組の導波路(１８)は、メインの(ｍ番目の)回折順序からの信号を格子(１６)から受信し、デバイスからの出力を提供する。第２組の導波路(１９)は、低位または高位の(ｍ＋ｐ)番目の回折順序からの信号を格子から受信し、これらの信号を光検出器(２０)へ送る。低位または高位の(ｍ＋ｐ)番目の回折順序の特性は、メインの(ｍ番目の)回折順序の特性と密接に関連しているので、これによれば、光検出器(２０)が受信した信号の特性によって第１組の導波路(１８)に関する出力信号の特性をモニターすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多重波長信号をモニターするための光学デバイスに関し、特に、例え
ば光通信システムにおいて、回折格子から出力される信号に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信システムの様々な部分において光信号をサンプリングすることは非常に
重要である。一般に、このサンプリングは、例えば出力、波長、信号雑音比（Ｓ
／Ｎ比）といった信号について、測定できるようにするため要求される。サンプ
リング処理のために、通常何らかの形態のタップ・オフ・カプラ構造の組み込み
が必要とされる。しかしながら、このカップリング作用のために、信号のスペク
トル、形状、偏光などが歪められ、伝送される信号の品質を劣化させる傾向が生
ずる。この品質劣化によって、システム全体の性能が不都合な影響を受けてしま
う。システムの用途のためのパワーを最大化(すなわちパワー損失を最少化)する
ためには、非常に小さな割合の信号だけを取り出すことが望ましいという事実が
あるため、上記の不都合な影響はさらに悪化する。一方、カプラは製作、波長ま
たは偏光に対して、通常非常に敏感なので、小分割比のタップ・オフ・カプラの
実用的な実現は非常に難しい。
【０００３】 波長分割多重送信(ＷＤＭ)システムにおいては、状況は一層複雑である。物理
的に同一の光ファイバチャネル内を伝送される独立した波長のチャネルは、独立
ベースにおいて検出されなければならない。このため、全てのチャネルのサンプ
リングと、各チャネルについて独立した測定を行なうための各チャネルの分離が
要求される。この場合、チャネル間の相対的な測定を可能とするため、サンプリ
ングは波長に対して反応しないようにしなければならない。サンプリングされた
信号を対応する波長のチャネルに分離することは難しく、また、「デマルチプレ
クサ（分波器）」の機能が必要となるが、これは高価なものになりがちである。
【０００４】 サンプリングが、システムのデマルチプレクサの段階において行われると、独
立したデマルチプレクサの必要性が排除されるので、著しい利点が得られる。し
かし、デマルチプレクサの個々の出力チャネルからの個々の波長のサンプリング
を行うことは容易ではない。１つの出力チャネル毎にサンプリング・カプラを組
み込むことにより、個々の出力ポート間において要求される物理的な分離はかな
り大きくなり、装置のサイズが大きくなり、また装置の性能低下という結果が通
常生じる。また、独立したカプラを用いて各チャネルのサンプリングを行うので
、サンプリングされたチャネルの均一な、または予測可能な分配を行って相対的
な測定を可能にすることは非常に難しい。
【０００５】 本発明は、信号をモニターするための、これらの問題を防ぎ、または減少させ
る改良された方法および装置を提供する。
【０００６】 （発明の開示） 本発明の第１の態様によれば、多重波長光信号を分離してそれぞれ単一波長ま
たは狭い波長帯域を持つ複数の信号に変える回折格子と、回折格子からｍ番目の
回折順序の信号を受信するように配置された第１の受信手段と、該回折格子から
高位または低位の(ｍ＋ｐ)番目の回折順序の信号を受信するように配置された第
２の受信手段と、第２の受信手段と接続され前記高位または低位の(ｍ＋ｐ)番目
の回折順序からの信号の特性を決定することによってｍ番目の回折順序の信号の
特性をモニターするためのモニター手段とを有してなる多重波長信号のモニター
用光学デバイスが提供される。
【０００７】 本発明のさらなる態様によれば、第１および第２のフィードバック素子の間に
形成されたレーザ共振器と、レーザ共振器のレイジング波長を設定するためのレ
ーザ共振器内の回折格子と、受光手段とを有し、回折格子は、レイジング波長以
外の選択された波長の光を受け、選択された波長の光を受光手段へ送るように配
置され、また、回折格子は、レーザ共振器内で用いる回折順序以外の高位または
低位の回折順序において前記レイジング波長の光を回折するようにも配置され、
レーザ共振器から発せられる光の出力をモニタするように高位または低位の回折
順序の前記光を受ける出力モニタ手段を有してなる集積化されたトランシーバが
提供される。
【０００８】 本発明のその他の特徴は、以下の説明および本明細書の従属請求項から明らか
となるであろう。
【０００９】 本明細書で用いる回折格子という用語は、(例えば図１〜３に示すような)反射
型回折格子または透過型回折格子、配列された導波路格子、および、ホログラフ
ィック格子または位相格子を含むその他の分散型格子構造を含むものと解釈すべ
きものとする。
【００１０】 以下、単に例示的に、添付図面を参照しながら、本発明についてさらに説明す
る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１と図２は、本発明に従ってなる光学デバイスが組み込まれたＷＤＭトラン
シーバを示すものであるが、他の用途においてもこのデバイスを用いることがで
きることは理解できるであろう。図１と図２の課題については、係属中の特許出
願ＧＢ９７２７０１３.６にも述べられ、かつ特許が請求されている。
【００１２】 図１は、トランシーバが形成される絶縁体上シリコン(silicon on insulator)
チップのような光学チップ１を示す。シリコン・リブ導波路のような集積化され
た導波路２は、導波路２の一方の端部における面を研磨し、部分的に反射防止( ＡＲ)コーティングを施して形成されたような第１のフィードバック素子３から 、シリコンチップの表面にエッチングされた一連の狭い浅い溝４Ａによって形成
される透過型回折格子４まで延在する。半導体レーザ増幅器チップのような光増
幅器６を介し、レーザ増幅器６の高反射(ＨＲ)コーティング面のような第２のフ
ィードバック素子７へ導くため、追加の導波路５は、チップ１に透過型回析格子
４からの選択された角度の光を受ける位置に形成され、半導体レーザ増幅器チッ
プのような光増幅器６を介し、レーザ増幅器６の高反射(ＨＲ)コーティング面の
ような第２のフィードバック素子７へ光を導く。図に示す例においては、格子は
線状配列のチャープド・ピリオド・アパーチャ(chirped period apertures)を有
して構成されるので、格子はその中を伝達される光の焦点をも合わせる。
【００１３】 導波路２に沿って透過型回折格子４へ向かって進む光は、破線８によって表さ
れるように導波路２を出てから分散してシリコン層の中へ入る。光は、周知の方
法によって格子を形成する線状配列のチャープ・ピリオド・アパーチャによって
生成された干渉縞の形態で透過型回折格子４を出る。干渉縞は、格子の軸(すな わち格子に垂直で導波路２との同一直線(co-linear))に対して異なる角度の位置
において一連のピークを有し、各ピークは特定の波長または波長帯域の光を有す
る。
【００１４】 導波路５は、トランシーバによって送信される波長となるべき選択波長λ１の
光を受光するように配置されている。この波長の光は、ＡＲコーティング３とＨ
Ｒコーティング７との間に周知の方法によって形成されるレーザ共振器において
増幅され、またＡＲコーティングは部分的にのみ反射可能となっているので、こ
の光の一部は、波長λ１でトランシーバの出力としてＡＲ被覆部３を通りトラン
シーバから送られる。
【００１５】 もう１つの導波路９も、透過型回折格子４から第２の波長λ２の光を受光し、
フォトダイオードのような検出器１０にこの光を送るように、選択された角度で
チップ上に設けられている。
【００１６】 λ１とλ２の波長をそれぞれ受けるために必要な導波路５と導波路９との間の
間隔は、配列の寸法と幾何学的配置に依存し、通常１０〜２０ミクロンのオーダ
ーになる。
【００１７】 透過型回折格子は、トランシーバによって受信された第２の波長λ２の光が部
分反射防止コーティング３を通ってフォトダイオード１０へ送られるように作用
する。
【００１８】 したがって、波長選択構造４は、部分反射防止(ＡＲ)コーティング面３と、半
導体レーザ増幅チップ６の高反射(ＨＲ)コーティング面７との間に形成されるレ
ーザ共振器の一部として集積化される。格子４は、同じチップの中において、送
信および受信データの波長をそれぞれ設定するために使用される。格子４はレー
ザ共振器の一部となり、波長選択フィルタとして機能することにより、伝達され
るレーザの波長設定を行う。同時に、格子４は、正確な範囲の波長によって検出
器１０が正確な範囲の波長によって照らされることを保証する帯域フィルタとし
ても機能する。
【００１９】 したがって、格子４の波長選択性により、ある波長λ１のレーザ発振のための
閉鎖共振器を構成することと、検出器における別の波長λ２の自由な検出とが可
能になる。検出器１０は物理的にレーザ共振器の一部であるが、波長の領域によ
っては共振器と分離している。導波路９の終端をなすフォトダイオード１０は非
常に効率のよい吸収装置として機能し、その波長での振動の形成を防止する。
【００２０】 図１は、トランシーバの第１の形態を示すもので、このトランシーバの中で、
波長λ２のデータはデバイスに接続され、格子構造４によって分離されて検出器
１０を照らす。以上示したように、図１に示す例ではチャープト・フォーカシン
グ格子４が組み込まれて、分離とフォーカスの双方が行われる。
【００２１】 図２は、シリコンチップにエッチングされたコリメートおよびフォーカス用の
ミラー１１を、反射格子１２と共に用いる第２の形のトランシーバが図示されて
いる。ミラー１１と反射格子１２はシリコンチップの表面を深くエッチングする
ことによって形成することができる。
【００２２】 レーザのレイジング波長は、光増幅器６においてλ１で波長選択フィードバッ
クを行うことにより格子デマルチプレクサ１２によって決定される。
【００２３】 デバイスが受信した検出波長λ２は、ミラー１１と格子４によって検出器１０
へ送られる。このようにして、格子４は、再び各往復サイクルの間に入力データ
の信号から放射されたレイジング波長の多重送信および分離を行なうレーザ共振
器の中に含まれることになる。これによって検出器９は分離され、格子デマルチ
プレクサ１２を介してレーザの高反射コーティング面７と、チップの部分反射防
止コーティング面３との間にレーザ共振器が形成される。
【００２４】 波長λ１とλ２とが著しく異なる場合、検出波長λ２の低い方の値(すなわち 反射が少なくなる値)を用いて結合効率を改善するように、または、通過した波 長λ１の高い方の値(すなわち反射がさらに大きくなる値)を用いてレーザしきい
値を下げるように反射防止コーティング面３の設計を行うことができる。
【００２５】 上述したトランシーバには、回折格子を用いてレーザ共振器の内部で光をサン
プリングすることにより、レーザからの出射光をモニターする光学デバイスが組
み込まれる。この格子は、低位または高位の回析順序において、小さいが測定可
能であるレーザ出力の割合を伝達するように設計され得る。この部分を追加のタ
ップ・オフ導波路１３と結合し、さらにフォトダイオード１４と結合してもよい
。焦点面において導波路を十分離間することが許容されるように、適切な設計に
より、この高位または低位の回析順序の空間的分離が、放射または検出された波
長λ１とλ２の分離と十分に異なるようにすべきである。
【００２６】 図１および図２は、単一のタップ・オフ導波路１３を示すものであるが、追加
のタップ・オフ導波路を設けて、関心のある波長をそれぞれモニターするように
してもよい。
【００２７】 以上示したように、ここで説明したトランシーバは、好ましくは絶縁体上シリ
コン(ＳＯＩ)チップ上に形成するとよい。ＳＯＩチップによって、比較的低い製
造コストにおいてトランシーバの様々な部品の集積化を容易に行うことが可能に
なる。ＳＯＩチップおよびＳＯＩチップ上に形成されるリブ導波路のさらなる詳
細についてはＷＯ９５/０８７８７に記載されている。
【００２８】 フォトダイオード検出器のような部品をＳＯＩチップ上に装着する方法につい
てはＧＢ２３０７７８６Ａおよび係属中の特許出願ＧＢ９７０２５５９.７(公開
番号ＧＢ２３１５５９５Ａ)に記載されている。
【００２９】 電子ビーム法やリソグラフィ法による透過型回折格子および反射格子の光学チ
ップ面における製造については周知であるので、詳細については説明しない。透
過型回折格子４は、通常深さと幅が数分の１ミクロン(例えば０.２ミクロン)、 長さ数ミクロンの浅い溝から形成される。この周期はチャープされ通常数分の１
ミクロンから数ミクロンの範囲で変動する。
【００３０】 反射格子１２は、通常幅５〜２０ミクロンの反射面を持ち、約５〜２０ミクロ
ン離間して配置されることを特徴として深くエッチングして形成され、この格子
は通常約５００ミクロンの長さを有し得る。
【００３１】 またミラー１１は深いエッチングによって形成され、光ガイド層の間中にわた
って延在し、数１００ミクロンから数ミリメートルの幅を有する。好ましくは、
これらのミラーは、光のコリメートおよびフォーカスを行えるように図２に示す
ように凹んでいることが望ましい。また、ミラーに貼り付けられるアルミニウム
コーティングのような反射コーティングを有してもよい。以上示したように、周
知のフォトリソグラフィ・エッチング処理を用いて、この格子とミラーを高い精
度で(例えば約０.２ミクロンの精度の範囲まで)製造することができる。このよ うな精度には再現性があるので、伝送波長と受光波長が正確に一致するトランシ
ーバの製造が可能になる。
【００３２】 以上の構成によって、チャネル毎にカプラを必要とすることなく、チャネルの
分離に用いるデマルチプレクサ内で個々の波長のチャネルのサンプリングを行う
ことが可能となる。格子は、個々の波長チャネルを空間的に分離(分散配置)して
別個の出力導波路に振り分けることによって、分離(多重送信)動作を達成する。
【００３３】 従来型のデマルチプレクサにおいては、装置性能要件、チャネル分離およびセ
ンター・チャネル波長によって決められる特定の回折順序で作動するように格子
が設計され、この順序の回析効率を最大化するように格子は設けられる。また、
格子は、通常すべての他の回折順序においてパワー容量を最少化するように設計
される。
【００３４】 しかし低位または高位の回折順序において、小さいが測定可能な割合の信号パ
ワーを搬送し、また実際にほとんどいつもそのように信号パワーの搬送を行なう
ように格子を設計することができる。上述のように、これらはメイン・チャネル
の特性に大きな影響を与えずにモニターを行うために用いることができる。これ
らの順序の分散特性、相対的パワー、クロストーク、温度依存性、チャネル応答
形状などは、メインの回折順序のものと直接関連するので、モニターを行う目的
で用いられる回折順序から得た測定値は、メイン・チャネルの特性と容易に関連
させることができる。そのような順序におけるそれぞれのチャネルの出力の比較
的小さい割合のパワーを集中させて、メインの回折順序と同様のやり方でそれぞ
れの導波路の中へ入れることができる。適切な設計により、この高位または低位
の回折順序の空間的分離を、メイン・チャネルの空間的分離と十分に異なるもの
にして、焦面において十分に離間して導波路を配置できるようにするべきである
。
【００３５】 モニターを行うために用いられる回折順序は、隣り合った順序である必要はな
い。この目的のために任意の高位または低位の順序を用いることができる。この
純情は、要求されるレベルのパワー容量と、チャネルの均一性を持つように設計
してもよい。しかしながら、要求されるタップ・オフ特性を確保するために格子
設計全体のいくつかの局面に関して何らかの妥協が必要な場合がある。
【００３６】 本発明のさらなる実施例を図３に示す。図３は、入力導波路１７で受信した信
号の分離を行うように配置された反射格子１６を伴なうコリメートおよびフォー
カス用のミラー１５を示す図である。
【００３７】 ｍ番目のラベルがつけられた第１の回折順序は、第１組の受信用導波路１８( 装置の出力用)によって受信され、(ｍ＋ｐ)番目のラベルがつけられた第２の回 折順序は、光検出器２０のバンクへ通じる第２組の受信用導波路１９によって受
信される。
【００３８】 図４は、このような格子に基づいたデマルチプレクサにおける、メインおよび
隣接する回折順序を示す図である。この図で用いられる格子は１０ミクロンのピ
ッチを持ち、２００個のエレメントを備えている。入力ミラーおよび出力ミラー
１５の双方で１０ｍｍの焦点距離が用いられる。デマルチプレクサは、相互に０
.８ｎｍ離間して配置した８つのチャネルを伴なって作動するように設計されて いる。格子１６およびミラー１５に対する入射角は、すべての場合において４５
°である。様々な波長信号が図４に密に束ねられて示されているが、以下に説明
する図５では個々の波長を図４よりも明瞭に見ることができる。
【００３９】 図４に示すように、回折順序が異なると様々な特性が示される。より大きなパ
ワーをもたらす順序、分散の増加をもたらす順序、より良好なチャネルの均一性
を提供する順序がある。特定の用途に依存して、最適のサンプリングの機能性を
達成するため、設計上の妥協が必要となる。一般に、横側の回析順序のサンプル
出力は、メインの回析順序の１〜１０％である。このサンプル出力は、デマルチ
プレクサのバックグラウンドノイズよりも大きくなければならない。
【００４０】 図５は、図４のメイン・チャネルスペクトルの拡大図を示すものである。これ
らのモード間の平均空間間隔はおよそ１０ミクロンであり、チャネルの両端での
強度の変動(チャネルの均一性)は１.５％未満である。
【００４１】 (−１７００ミクロンにおける)最も下位の第３の回折順序を選択してモニター
を行う場合、図６に示すチャネル分布が得られることになる。この図に示されて
いるように、この場合の中心チャネル用のモニター・パワーはメイン・チャネル
よりおよそ−１８ｄＢ低い。モニター・チャネル間の平均空間間隔は８ミクロン
であり、チャネルの均一性はおよそ９％の変動を示す。わずかな偏光依存を伴な
うこのような小さな分割比の達成は、従来技術の装置によっては非常に難しく、
特にこのような良好なチャネルの均一性を得ることは非常に困難である。単一の
格子素子における回析パターンの形状によって、周知のように非均一性が生じる
が、これには再現性があるので、非均一性の補正を行なうこともできる。さらに
、モニター・チャネルは、ほとんど同一の熱特性、偏光特性、クロストーク特性
などの特性をメイン・チャネルに対して示すことが望ましい。
【００４２】 図３に図示の実施例は反射格子を用いる例であるが、別の形態の格子を用いて
もよい。
【００４３】 上述したように、この光学デバイスには、従来技術に対していくつかの利点が
ある： ・構成が比較的簡単であり、カプラ・エレメントを何ら必要としない。 ・信号の分離と同時に、自動的にモニターが行われる。 ・タッピング・オフ機構の中に、ほとんど、または全く偏光、スペクトルおよ
び波長依存性または歪みが存在しない。 ・装置が比較的製造し易く、装置のパフォーマンスが装置の製造時の変動によ
って影響を受けない。 ・モニター処理は、チャネルの均一性やメイン・チャネルの出力に対する影響
をまったく、あるいはほとんど与えない。 ・さらに、メインＷＤＭチャネルを搬送する導波路の間にモニター用のタップ
・オフを形成する必要がない。
【００４４】 上述した光学デバイスは、任意のシステムにおいて用いることができるが、特
に、通信システム用として、上に説明したようなトランシーバにおいて用いるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による光学デバイスが組み込まれたトランシーバの第１の形態の概略図
を示す。
【図２】 本発明による光学デバイスが組み込まれたトランシーバの第２の形態の概略図
を示す。
【図３】 本発明による光学デバイスが組み込まれたＷＤＭデマルチプレクサの概略図を
示す。
【図４】 図１、２、３に示すような回折格子のための、メインおよび隣接する回折順序
を示す。
【図５】 図４のメインチャネルのスペクトルの拡大図を示す。
【符号の説明】
１ チップ ２ 導波路 ３ 部分反射防止（ＡＲ）コーティング ４ 透過型回析格子 ４Ａ 溝 ５ 導波路 ６ レーザ増幅器 ７ 高反射（ＨＲ）コーティング ９ 導波路 １０ 検出器 １１ ミラー １２ 反射格子 １３ 導波路 １４ フォトダイオード １５ ミラー １６ 反射格子 １７ 導波路 １８ 導波路 １９ 導波路 ２０ 検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 10/08 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ｋ Ｆターム(参考） 2G020 CB23 CC02 CC63 CD24 2H037 AA01 BA02 BA11 CA31 CA38 CA39 DA03 DA06 2H047 KA03 LA09 LA18 QA07 TA01 5F088 AA01 BA15 BB01 JA05 JA11 5K002 BA05 DA02 EA05

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多重波長光信号を分離してそれぞれ単一波長または狭い波長
    帯域を有する複数の信号にする回折格子と、前記回折格子からのｍ番目の回折順
    序の信号を受信するように配置された第１の受信手段と、前記回折格子からの高
    位または低位の(ｍ＋ｐ)番目の回折順序の信号を受信するように配置された第２
    の受信手段と、第２の受信手段につながれ、前記高位または低位の回折順序から
    の信号の特性を測定することによって前記ｍ番目の回折順序の信号特性をモニタ
    ーするためのモニター手段とを有して構成される多重波長信号をモニターするた
    めの光学デバイス。
  2. 【請求項２】 前記第１の受信手段が前記デバイスの出力部とつながれてな
    る請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 【請求項３】 多重波長光信号の出力の大部分がｍ番目の回折順序において
    出力される請求項１または２に記載の光学デバイス。
  4. 【請求項４】 多重波長光信号のパワーの１０％またはそれ未満が(ｍ＋ｐ)
    番目の回折順序において出力される請求項３に記載の光学デバイス。
  5. 【請求項５】 前記モニター手段が少なくとも１つの光検出器を有してなる
    請求項１ないし４のいずれかに記載の光学デバイス。
  6. 【請求項６】 チップに集積化されてなる請求項１ないし５のいずれかに記
    載の光学デバイス。
  7. 【請求項７】 絶縁体上シリコン(ＳＯＩ)チップに集積化されている請求項
    ６に記載の光学デバイス。
  8. 【請求項８】 前記回折格子は前記チップの表面に形成された一連の凹部を
    有してなる請求項６または７に記載の光学デバイス。
  9. 【請求項９】 前記第１および第２の受信手段は、それぞれ前記チップに集
    積化された少なくとも１つの導波路を有してなる請求項６ないし８のいずれかに
    記載の光学デバイス。
  10. 【請求項１０】 トランシーバの一部を形成する請求項１ないし９のいずれ
    かに記載の光学デバイス。
  11. 【請求項１１】 第１および第２のフィードバック素子の間に形成されたレ
    ーザ共振器と、前記レーザ共振器のレイジング波長を設定するためのレーザ共振
    器内の回折格子と、受光手段とを有してなり、前記回折格子は前記レイジング波
    長以外の選択された波長の光を受信し前記選択された波長の光を前記受光手段へ
    送るように配置され、前記回折格子はまた、前記レイジング波長の光をレーザ共
    振器内で用いられる回析順序より高位または低位の回析順序に回析するように配
    置され、前記高位または低位の回析順序の光を受信して前記レーザ共振器から発
    せられる光の出力をモニタするための出力モニタ手段を有してなる集積化された
    トランシーバ。
  12. 【請求項１２】 添付図面を参照して本明細書で説明したものと実質的に均
    等な光学デバイスまたはトランシーバ。
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