JP2004302091A - Programmable light signal processor and method for controlling programmable light signal processor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信・光交換・光コンピューティング等の光通信分野・光情報処理分野で有用であり、特に、高密度波長多重光通信システムにおいて動的に任意形状を実現する可変光フィルタとして用いるのに好適なラティス型のプログラマブル光信号処理器の消費電力を低減し、発熱を抑制することができるプログラマブル光信号処理装置およびプログラマブル光信号処理装置の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光信号処理装置の一つとして、非対称マッハツェンダ干渉計を直列接続したラティス型の光信号処理器が特許文献1や非特許文献1などに開示されている。
【0003】
これらは、FIR(Finite Impulse Response )型と呼ばれる帰還のないタイプのデジタルフィルタの設計手法に類似した光回路合成法により光回路パラメータを決定し、任意の伝達特性を実現することを可能としている。実際に、チェビシェフ型光周波数フィルタ・マルチチャネル光周波数セレクタ・光群遅延等化器の実施例が前記文献に開示されている。
【0004】
このラティス型の光信号処理器は、LiNbO3 や有機光学材料等の電気光学効果材料を用いても実現可能であるが、多くの場合は石英系基板型光導波路により実現し、位相制御には熱光学効果を利用している。これは、石英系基板型光導波路が、一般的な通信用光ファイバとの接続に好適であり、信頼性に優れるからである。
【0005】
上述した熱光学効果を利用した石英系基板型光導波路によるラティス型の光信号処理器では、埋め込み型光導波路のクラッド表面に形成された金属薄膜ヒータに電力を印加し、そこで発生する熱を利用して位相制御を実施している。
【0006】
【特許文献1】
特開平7−281215
【0007】
【非特許文献1】
Kaname Jinguji and Masao Kawachi,“Synthesis of Coherent Two−Port Lattice−Form Optical Delay−Line Circuit, Journa1 of Lightwave Techno1ogy,Vol. 13, No.1, pp.73−82, January 1995
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この金属薄膜ヒータに要する電力は大きく、また金属薄膜ヒータの必要個数も多いため、モジュールの高密度実装の観点からラティス型の光信号処理器の消費電力及び発熱量を抑制する技術が要望されていた。
【0009】
例えば、特許文献1の各実施例に開示されているように、23段のラティス型の光信号処理器を構成する場合、任意の伝達特性を動的に実現するためには、可変方向性結合器の位相シフト量θk を制御するための位相制御器として24個、遅延回路を構成する非対称マッハツェンダ干渉計上の位相シフト量φk を制御するための位相制御器として23個の合計47個もの金属薄膜ヒータを必要としている。
【0010】
また、非対称マッハツェンダ干渉計を直列接続した光ラティス回路を合成する場合、同一の特性を実現するにあたり、回路パラメータの選択方法が複数存在することが報告されている。
【0011】
例えば、特許文献1の段落番号[0054]に記載されているように、N段の光ラティス回路でスルーポート出力特性h(z)を求めるにあたり、その多項式は{αk,1/αk *}の根のペアの内どちらか一方を根として持っている必要があるので、この根の選択の仕方にともない、h(z)は2N 個の解を持つことになる。この2N 個の解のいずれを選択しても、所望のクロスポート出力特性f(z)が得られることになる。
【0012】
ところで、この2N 個の解の選択基準であるが、特許文献1には「もちろん、h(z)の選択には、低素子感度なもの、位相特性が適当なもの等、選択の基準を適当に設けて選択することも可能である。」と記載されており、h(z)の特性を考慮するべき場合には、基準に従った選択をすることで所望のh(z)が得られることが示唆されている。
【0013】
しかしながら、実際には、f(z)の特性が最も重要であり、どの解を選択しても同じf(z)が得られることから、通常はなんらの基準なく適当な1個の解が選択されていた。この結果、ヒータに印加する電力の合計が最小から最大までの範囲でどの程度の電力を消費しているかは解の選択に委ねられていた。
【0014】
そこで、ヒータに印加する電力の合計が最小となるような最適な解を選択することが要望されていた。
【0015】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、ヒータの消費電力量を必要最小限の消費電力まで削減することができるプログラマブル光信号処理装置およびプログラマブル光信号処理装置の制御方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記課題を解決するため、2本の光導波路と、該2本の光導波路をN+1カ所の異なる位置で結合する正および負の振幅結合率を可変自在なN+1個の可変方向性結合器の結合率を所望の値とするための位相制御器と、前記N+1個の可変方向性結合器にそれぞれ挟まれたNカ所の前記2本の光導波路がそれぞれ同一の光路長差を持ち、Nカ所における前記2本の光導波路のうち少なくとも1本の光導波路の上に所望の位相シフトを施す位相制御器と、を有するラティス構成の光信号処理器に対して、所望の特性を有する光フィルタリング処理を行うように制御するプログラマブル光信号処理装置において、所望の特性が得られるような前記位相制御器の設定値の組を全て算出する算出手段と、該算出手段により算出された位相制御器の設定値の組から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択する選択手段と、該選択手段により選択された設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御する制御手段とを備えたことを要旨とする。
【0017】
請求項2記載の発明は、上記課題を解決するため、2本の光導波路と、該2本の光導波路をN+1カ所の異なる位置で結合する正および負の振幅結合率を可変自在なN+1個の可変方向性結合器の結合率を所望の値とするための位相制御器と、前記N+1個の可変方向性結合器にそれぞれ挟まれたNカ所の前記2本の光導波路がそれぞれ同一の光路長差を持ち、Nカ所における前記2本の光導波路のうち少なくとも1本の光導波路の上に所望の位相シフトを施す位相制御器と、を有するラティス構成の光信号処理器に対して、所望の特性を有する光フィルタリング処理を行うように制御するプログラマブル光信号処理装置の制御方法において、所望の特性が得られるような前記位相制御器の設定値の組を全て算出する算出ステップと、該算出ステップにより算出された位相制御器の設定値の組の中から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択する選択ステップと、該選択ステップにより選択した設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御する制御ステップとを有することを要旨とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【0019】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置を適用することができる光信号処理器の構成を示す図である。
【0020】
図1に示すように、光信号処理器は、2本の光導波路コア1,2とこの2本の光導波路コア1,2をN+1カ所の異なる位置で結合するN+1個の結合率可変な方向性結合器3よりなる構成を有し、全体として非対称マッハツェンダ干渉計14を直列に多段に並べて接続したラティス構成を有している。各非対称マッハツェンダ干渉計14を構成する2本の光導波路コアはそれぞれ一定の光路長差を持ち、光導波路コア1上に所望の位相シフトを施す位相制御器4を配した構成を取っている。なお、図中、符号5,6は入力ポートであり、7,8は出力ポートである。
【0021】
本実施の形態では、量産性に優れた石英系基板型光導波路により光信号処理器を構成した。
【0022】
(光導波路の製造工程)
図2は、図1に示した光信号処理器のA−A′における断面を表している。ここで、光導波路の製造工程について説明する。
【0023】
光部品であるラティス型のプログラマブル光信号処理器は、石英系基板型光導波路からなり、シリコンウエハ上にプラズマCVD、フォトリソグラフィ、ドライエッチング、スパッタリングの各工程によって埋め込み型光導波路が形成されている。具体的には、以下のようになる。
【0024】
第1工程では、プラズマCVD装置を用いて1mm厚のシリコンウエハ12上に石英ガラス膜を堆積させ、下クラッドガラス層13を形成する。
【0025】
第2工程では、プラズマCVD装置を用いて下クラッド層の上にゲルマニウムドープ石英ガラス膜を堆積させ、コア層を形成する。
【0026】
第3工程では、スパッタリング装置を用いてコア層の上にコアエッチング時のマスクとなるべき金属薄膜を形成する。この金属薄膜には、シリコン、クロム、タングステンシリサイド等を用いることができる。
【0027】
第4工程では、金層薄膜層の上にフォトレジストを塗布しておき、コアパターンのガラスフォトマスクにてフォトリソ工程で露光・現像する。
【0028】
第5工程では、ドライエッチングによりまずフォトレジストをエッチングマスクとして金属薄膜をエッチングし、次に金属薄膜をエッチングマスクとしてコア層をエッチングする。残ったフォトレジスト・金属薄膜は除去する。
【0029】
第6工程では、プラズマCVD装置を用いて下クラッド層・コア層の上に石英ガラス膜を堆積させ、上クラッドガラス層31を形成する。この石英ガラス膜としてボロン・リンドープ石英ガラス膜を用いることもできる。
【0030】
次に、その表面に金属薄膜ヒータ4−5を作製した。金属薄膜ヒータ4−5,は、ニクロムをスパッタリングしたものであり、光導波路上の少なくとも一方に所望の位相シフトを施す位相制御器4である。ワイヤボンディング工程を行うため、ニクロム層の表面にはごく薄く金をスパッタリングした。
【0031】
このようにしてウエハが完成し、その後、ダイシング装置を用いてウエハを切断し、さらに、研削加工機・研磨機等の各種加工機を用いてチップ化した。次いで、別途作製した光ファイバアレイと調心接続し、接着剤を塗布して固定した。さらに、ケースに固定し、金ワイヤボンディングによりクロムヒータ4−5と外部の電極とを接続した。
【0032】
ここで、作製された光導波路コア1,2は単一モードになるようにコアサイズが決定された。位相制御器4は、石英薄膜の上にニクロムのヒータを形成することにより作製した。ヒータを加熱すると、石英薄膜の屈折率が変化し、導波路1の光路長を制御することが可能となる。
【0033】
本実施の形態では、片方の導波路1に位相制御器4を構成して制御する。ただし、導波路1上に形成する場合、位相を制御するために、位相制御器4には0〜2πの位相変化を要求する。なお、本実施の形態では、片方の導波路1に位相制御器4を構成しているが、導波路1にのみ位相制御器4を構成するのに代わって、導波路2にのみ位相制御器を構成するようにしてもよい。
【0034】
図3は本実施の形態で用いた可変方向性結合器3である。これは、2本の光路長の等しい光導波路コア1および2とその両端に配した3dB方向性結合器9−1,2より構成される対称なマッハツェンダ干渉計を構成している。各光導波路コア1,2上には、ニクロムヒータにより作製された位相制御器4x,4yが配されている。この位相制御器4x,4yに関しても、上記と同様に、一方の導波路上だけにヒータを設置しても、可変方向性結合器が構成される。そして、この位相制御器により、2本の光導波路コア間の位相差を0〜π変化させることにより、結合率を100%より0%に変化させることができる。
【0035】
また、この光路長が等しい対称マッハツェンダ構成の可変方向性結合器3では、そこに設けられた位相制御器4の位相シフト量が0の時100%結合の方向性結合器となり、位相シフト量がπの時、0%結合の方向性結合器となる。位相制御器4の位相シフト量が0の時、0%結合の方向性結合器となるように、予め2本の導波路1,2の光路長を半波長ずらしておくことも可能である。ここでは、採用しなかったが、可変方向性結合器3を構成する3dB方向性結合器9−1,2を、さらに同図3に示す対称マッハツェンダ干渉計構成の可変方向性結合器3と同構成の結合器で置き換えることも可能である。可変方向性結合器が設計値通り0〜100%結合まで、完全に可変であるためには、この結合器を構成する3dBカプラの結合率がかなりの精度で3dBである必要がある。この3dBカプラの結合率を正確に3dBにするために、3dBカプラを可変方向性結合器に置き換える。このことは、一般的に図3に示す対称マッハツェンダ干渉計構成の可変方向性結合器3において、3dBカプラの結合率が3dBから若干ずれていても3dBの結合率は実現可能であるという性質を利用している。
【0036】
なお、本実施の形態に示す光信号処理器は光のコヒーレントな干渉現象を利用しているために、信号光はコヒーレント光でなければならない。
【0037】
(可変方向性結合器のクロス特性に関する原理)
図1において、入力ポート5より入射された信号光は、各非対称マッハツェンダ干渉計14を通過し、出力ポート7および8に出射される。この時、信号光は各可変方向性結合器により分岐される。例えば、最も短い光路を進む信号光は、導波路2−1,2−2,…,2−Nを通る。また、最も長い光路を進む信号光は、導波路1−1,1−2,…,1−Nを通る。このように、ポート7および8からの出力光はいろいろな光路を通る信号光の和として表現される。なお、光信号が通過する物理的光路は2N 通りあるが、同じ光路長を持つものを1本の光路と数えることにする。
【0038】
ここで、各非対称マッハツェンダ干渉計14の2本の光導波路コアの光路長差をΔLで表すと、信号光は0,ΔL,2ΔL,…,NΔLの光路長を持つN+1本の光路のいずれかを通ることになる。よって、ポート7からの出力光の複素振幅は、次式(1)で表される。
【0039】
【数1】
ここで、式中、ak はN+1の各光路を通過してきた信号光の複素振幅を表す。βは光導波路コア1および2の伝搬定数、ωoは周波数特性の周期を表している。また、この式(1)では、電子回路に関するディジタルフィルタ理論でよく行われるように、e2πjω/ω。を複素数zと考えてh(e2πjω/ω。 )を複素平面上の関数h(z)に拡張している。なお、このz複素平面上では、周波数関数h(ω)は|z|=1の半径1の円周上の関数とみなされる。
【0040】
式(1)において、スルー特性h(z)はz−1の多項式で表現されている。この式はFIR型ディジタルフィルタの伝送特性に等しいことがわかる。この事実は、以下に述べる光フィルタの合成に重要な役割を演じる。同様に、ポート5から入射しポート8から出射される出力光f(z)は下式(2)のように表される。
【0041】
【数2】
信号処理器は、2入力2出力なので、信号処理器全体の伝送行列Sは次式(3)で表される2×2の行列で表現される。
【0042】
【数3】
ここで、サフィックス*はパラ共役を表す。
【0043】
【数4】
h* (z)=h*(1/z*) (4)
回路が無損失であると仮定すると、h(z)とf(z)の間には、式(3)に示す行列の行列式が1になるという下式(5)で表されるユニモジュラスなユニタリ関係が成立する。
【0044】
【数5】
h(z)h* (z)+f(z)f* (z)=1 (5)
本実施の形態では、クロス特性f(z)が所望特性をもつように、フィルタ設計をおこなった。クロス特性を表す前式(2)の自由度は、複素展開係数の個数がN+1であることから、2N+2である。後に述べる最大透過率を100%に抑える拘束条件を考慮すれば自由度は1減り、2N+1となる。
【0045】
一方、本実施の形態においては、N+1個の可変方向性結合器とN個の位相制御器より構成される。よって、回路に与えられた自由度は2N+1である。この自由度は式(2)の自由度と一致する。このために、式(2)を与えることにより、すべての回路パラメータが原理的には求められる。
【0046】
(光信号処理装置の構成)
図4は、本発明の実施の形態に係る光信号処理装置の構成を示す図である。光信号処理装置は、ヒータ電力供給回路15、制御用CPU回路16、非対称マッハツェンダ干渉計14を直列に多段に並べて接続したラティス構成の石英系基板型光導波路部品を一体のモジュールとして組み込んでいる。
【0047】
ヒータ電力供給回路15は、結合率可変な方向性結合器および位相制御器に設けられたヒータに供給する電力を個別に設定可能に制御する。
【0048】
制御用CPU回路16は、図示しないCPU、ROM、RAM等を内部に有し、各ヒータに供給する電力を演算する。ROMに記憶されているエルビウム添加光ファイバアンプの利得形状と制御プログラムとをCPUに与え、算出された最適な光回路パラメータに基づいてヒータを制御する。
【0049】
ここで、ROMとは不揮発性記憶媒体であればよく、半導体リードオンリーメモリの他、フラッシュメモリやハードディスク等が利用可能である。
【0050】
次に、図5に示すフローチャートを参照して、光信号処理装置の動作を説明する。なお、図5に示すフローチャートは、制御用CPU回路16に設けられたROMにプログラムとして記憶されている。また、図6は、あるエルビウム添加光ファイバアンプ(EDFA)の波長に対する相対利得特性を示すグラフである。
【0051】
本実施の形態では、このような相対利得特性を有する利得等化器の設計例に適用して説明することとする。
【0052】
まず、ステップS10では、クロス所望伝送特性を近似したz−1多項式f(z)を求め、式(2)に従ってフーリエ展開法などにより複素展開係数bk を算出する。なお、展開項数をNとする。
【0053】
次いで、ステップS20では、求めたクロス伝送特性の振幅周波数関数の最大値が1以下となるように規格化する。
【0054】
次いで、ステップS30では、エネルギー保存則を利用して、クロス特性f(z)よりスルー特性h(z)を求める。すなわち、h(z)の複素展開係数ak を算出する。
【0055】
ここで、ディジタルフィルタの合成手法により求めた複素展開係数bkを次式(6)により振幅特性の絶対値が100%を越えないように規格化を行う必要がある。
【0056】
【数6】
このようにして求めた複素展開係数を有する複素振幅特性を本光信号処理装置のポート5からポート8への出力で実現するように、本光信号処理装置の伝送特性を表すS行列を求める。具体的には、S行列の残りの未知伝達関数h(z)を式(5)のユニモジュラスなユニタリ関係より求める。h(z)h* (z)は、ユニモジュラスなユニタリ関係より、式(6)で規格化したf(z)を用い、さらに、zに関する一次式の積の形に展開することにより次式(7)で表される。
【0057】
【数7】
この式(7)中、a0は既知であるf(z)の複素展開係数b0と同じ位相をもたすようにとると、式(8)のように求められる。
【0058】
【数8】
このとき、式(7)において、h(z)とh*(z)の積の形で表される必要性から、右辺の多項式の零点は{αk ,1/αk *}というN個のペアとして求められる。h(z)を求める際、h(z)の多項式は{αk ,1/αk *}の根のペアの内どちらか一方を根として持っている必要があるので、この根の選択の仕方にともない、h(z)は2N 個の解を持つ。
【0059】
これら2N 個のh(z)の解は、振幅特性はともに等しく、異なる位相特性を持つ。全体としてf(z)が共通でh(z)が異なるS行列が2N 個存在し、結果として、2N 種類の回路パラメータが求まる。ただし、この2N 個のいずれの回路パラメータで回路を作製しても、クロス特性は同一な特性f(z)になる。
【0060】
ここでは、2N 個のh(z)に対してそれぞれ整数の番号を1から順に付与し、順番に1個の解を選択する。
【0061】
{αk,1/αk *}というN組の解からそれぞれ任意の1個を選択することで2N セットの解が存在するが、それを順番に選択する。この選択した解から求めたh(Z)及びf(z)、すなわちak 及びbk より、2行2列の伝送行列を完成させる。
【0062】
次いで、ステップS40では、この伝送行列よりk段目の単位構成を表すk番目の単位伝送行列を分解する。k番目の単位伝送行列がユニタリ性を持つ条件より、k段目の単位回路を構成する可変方向性結合器の結合率と、非対称マッハツェンダ干渉計上の位相制御器の位相シフト量φk を求める。可変方向性結合器の結合率から、可変方向性結合器の位相制御器の位相シフト量θk を求める。
【0063】
ここで、ステップS50では、全段の分解が済んだか否かを判断する。全段の分解が済んでない場合には、ステップS40に戻り、上述した処理を繰り返す。
【0064】
一方、全段の分解が済んだ場合には、ステップS60に進み、全可変方向性結合器の位相制御器の位相シフト量θk と、非対称マッハツェンダ干渉計上の全位相制御器の位相シフト量φk の算出を完了する。
【0065】
次いで、ステップS70では、全段の位相シフト量θk と位相シフト量φk とから、ヒータに供給すべき電力量の合計を算出する。RAM上に記憶されている前回までの計算結果と比較し最小であれば全段の位相シフト量θk と位相シフト量φk とをRAMに保持しておく。
【0066】
ここで、ステップS80では、2Nセットの計算が済んだか否かを判断する。
【0067】
2Nセットの計算が済んでない場合には、ステップS30に戻り、上述した処理を繰り返す。
【0068】
2Nセットの計算が済んだ場合には、ステップS90に進み、ヒータに供給すべき電力が最小であった計算結果の全段の位相シフト量θk と位相シフト量φk とを採用し、全段の位相シフト量θk と位相シフト量φkに基づいてヒータ電力供給回路15を制御する。具体的には、制御用CPU回路16はD/Aコンバータ回路によりヒータ電力供給回路15に対してリファレンス電圧を出力する。ヒータ電力供給回路15はこのリファレンス電圧に応じてヒータに供給する電圧を決定する回路となっており、これによりヒータに所望の電力を供給できる構成となっている。
【0069】
このように、所望の特性が得られるような位相制御器の2N+1個の設定値の組を全て算出し、算出された位相制御器の設定値の組から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択し、選択された設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御することで、ヒータの消費電力量を必要最小限の消費電力まで削減することができる。
【0070】
図7に、図6をターゲット関数としてフーリエ級数展開で求めたf(z)の展開係数と、本発明の持徴である「合計の電力が最小となるように2N 個の解の中から選択した最適な解」であるような、規格化されたf(z)より求めたh(z)の展開係数ak 、可変方向性結合器の位相制御器の位相シフト量θk 、非対称マッハツェンダ干渉計上の位相制御器の位相シフト量φk とを示す。なお、設計中心波長を1547nm、Free Spectral Range(FSR)を約5400GHzとし、非対称マッハツェンダ干渉計の遅延アームの遅延量を0.186psとした。
【0071】
このとき、設計されたクロスポート出力の透過損失特性は、図8に示すような特性になった。また、利得等化残差は、図9に示すように、26nmもの広帯域で0.19dBp−pであった。また、設計上の過剰損失は0.55dBであった。
【0072】
(従来の技術との比較)
本実施の形態における特徴は、2N 個の解全てを求め、その全てについて必要電力量を算出し、電力最小となる解を選択することにある。
【0073】
ここで、本実施の形態における特徴を詳細に検討するとともに、解の選択基準を持たなかった従来の技術との比較検討を試みる。
【0074】
図10に、N=15である上記実施例において、利得等化器の設計過程で得られる15組の30個の解を{αk,1/αk *}の根のペアがわかる形で示す。
【0075】
この各ペアの任意の片方を選択した215通りの組み合わせの全て(32,768通り)について、h(z)の展開係数ak を求め、可変方向性結合器の位相制御器の位相シフト量θk 、非対称マッハツェンダ干渉計上の位相制御器の位相シフト量φk とに変換し、その必要電力量を求めた。
【0076】
次に、215通りすべてにおける必要電力量の分布を図11にヒストグラムで示す。
【0077】
ここでは、θk 、φk ともに0〜2πの位相シフト量に変換し、31個の位相制御器すべてについて合計している。横軸は、「31個の位相制御器すべての位相シフト量が2πのときに1」になるように換算している。
【0078】
この中で、必要電力量が最小となったのは、図7に示した実施例であり、(1B,2B,3B,4B,5B,6B,7B,8B,9B,10B,11A,12B,13B,14A,15B)を解として選択した場合であり、この時の合計必要電力量は図11に示す正規化電力量でいうと0.123である。これは、1個の位相制御器を2πシフトさせるのに必要な電力が400mWであるとすると、1,525mWに相当する。
【0079】
また、逆に、必要電力量が最大となったのは、(1B,2A,3A,4A,5A,6A,7A,8B,9A,10B,11B,12A,13A,14A,15B)を解として選択した場合であり、この時の合計必要電力量は正規化電力量で0.458であり、5,680mWに相当する。
【0080】
また、図11で、正規化電力量の平均値は0.313であり、これは3,880mWに相当する。
【0081】
よって、本発明により、通常で3,380mW、最悪の場合で5,680mWもの電力を従来必要としていたものが、1,525mWに削減できたといえる。
【0082】
参考として、適当に解を選択した場合の位相シフト量θk 、φ k を図12の比較例1、比較例2に、前述の必要電力量が最大となった(1B,2A,3A,4A,5A,6A,7A,8B,9A,10B,11B,12A,13A,14A,15B)を解として選択した場合の位相シフト量θk 、φ k を比較例3に示す。比較例1が正規化電力量0.294で3,645mW相当、比較例2が正規化電力量0.298で3,695mW相当である。
【0083】
なお、第1の実施の形態では、エルビウム添加光ファイバアンプの利得形状を予めデータテーブルとして制御用CPU回路16に与えたが、タップカプラとスペクトラムアナライザ、あるいはタップカプラと波長分波器とフォトダイオードなどを用いて光信号の状態を適宜検出し、その結果を制御用CPU回路16にフィードバック入力することによって自動利得等化器を構成するようにしても良い。
【0084】
また、本発明は、位相制御器を光導波路の両方のアームに形成したものに対しても適用可能である。さらに、本発明は、電気光学効果を利用するラティス型プログラマブル光信号処理器に適用可能であり、高い電圧を必要としなくなるため回路が簡単になるという利点がある。
【0085】
(第2の実施の形態)
図13は、本発明の第2の実施の形態に係る光信号処理装置を適用することができる光信号処理器の構成を示す図である。
【0086】
図13に示すように、光信号処理器は、2本の光導波路コア1,2とこの2本の光導波路コア1,2をN+1カ所の異なる位置で結合するN+1個の結合率可変な方向性結合器3よりなる構成を有し、全体として非対称マッハツェンダ干渉計14を直列に多段に並べて接続したラティス構成を有している。各非対称マッハツェンダ干渉計14を構成する2本の光導波路コアはそれぞれ一定の光路長差を持ち、光導波路コア上の両方に所望の位相シフトを施す位相制御器4を配した構成を取っている。なお、図中、符号5,6は入力ポートであり、7,8は出力ポートである。
【0087】
図14は、図13に示した光信号処理器のA−A′における断面を表している。ここで、光導波路の製造工程について説明する。
【0088】
光部品であるラティス型のプログラマブル光信号処理器は、石英系基板型光導波路からなり、シリコンウエハ上にプラズマCVD、フォトリソグラフィ、ドライエッチング、スパッタリングの各工程によって埋め込み型光導波路が形成されている。具体的には、以下のようになる。
【0089】
第1工程では、プラズマCVD装置を用いて1mm厚のシリコンウエハ12上に石英ガラス膜を堆積させ、下クラッドガラス層13を形成する。
【0090】
第2工程では、プラズマCVD装置を用いて下クラッド層の上にゲルマニウムドープ石英ガラス膜を堆積させ、コア層を形成する。
【0091】
第3工程では、スパッタリング装置を用いてコア層の上にコアエッチング時のマスクとなるべき金属薄膜を形成する。この金属薄膜には、シリコン、クロム、タングステンシリサイド等を用いることができる。
【0092】
第4工程では、金層薄膜層の上にフォトレジストを塗布しておき、コアパターンのガラスフォトマスクにてフォトリソ工程で露光・現像する。
【0093】
第5工程では、ドライエッチングによりまずフォトレジストをエッチングマスクとして金属薄膜をエッチングし、次に金属薄膜をエッチングマスクとしてコア層をエッチングする。残ったフォトレジスト・金属薄膜は除去する。
【0094】
第6工程では、プラズマCVD装置を用いて下クラッド層・コア層の上に石英ガラス膜を堆積させ、上クラッドガラス層31を形成する。この石英ガラス膜としてボロン・リンドープ石英ガラス膜を用いることもできる。
【0095】
次に、その表面に金属薄膜ヒータ4−5,4−6を作製した。金属薄膜ヒータ4−5,4−6は、ニクロムをスパッタリングしたものであり、光導波路上の少なくとも一方に所望の位相シフトを施す位相制御器4である。ワイヤボンディング工程を行うため、ニクロム層の表面にはごく薄く金をスパッタリングした。
【0096】
このようにしてウエハが完成し、その後、ダイシング装置を用いてウエハを切断し、さらに、研削加工機・研磨機等の各種加工機を用いてチップ化した。次いで、別途作製した光ファイバアレイと調心接続し、接着剤を塗布して固定した。さらに、ケースに固定し、金ワイヤボンディングによりニクロムヒータ4−5,4−6と外部の電極とを接続した。
【0097】
ここで、作製された光導波路コア1,2は単一モードになるようにコアサイズが決定された。位相制御器4は、石英薄膜の上にニクロムのヒータを形成することにより作製した。ヒータを加熱すると、石英薄膜の屈折率が変化し、導波路1,2の光路長を制御することが可能となる。
【0098】
本実施の形態では、2本の導波路1および2の両方に位相制御器4を構成しているが、これは、一方のみでも制御可能である。ただし、両方の導波路1,2上に形成することの長所は、一方のみの場合、位相を制御するために、位相制御器4には0〜2πの位相変化を要求するが、両方にある場合には、それぞれの位相制御器4,4に要求される位相変化量は0〜πと、半分に抑えることができる点にある。
【0099】
(光信号処理装置の構成)
図15は、第2の実施の形態に係る光信号処理装置の構成を示す図である。光信号処理装置は、ヒータ電力供給回路15、制御用CPU回路16、非対称マッハツェンダ干渉計14を直列に多段に並べて接続したラティス構成の石英系基板型光導波路部品を一体のモジュールとして組み込んでおり、これらは第1の実施の形態に示す構成と同様であるので、その説明を省略する。
【0100】
また、光信号処理装置の動作は、図5に示すフローチャートにより同様に説明できるので、その説明を省略する。
【0101】
本実施の形態においても、所望の特性が得られるような位相制御器の2N+1個の設定値の組を全て算出し、算出された位相制御器の設定値の組から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択し、選択された設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御することで、ヒータの消費電力量を必要最小限の消費電力まで削減することができる。
【0102】
【発明の効果】
請求項1及び請求項2記載の本発明によれば、所望の特性が得られるような2N+1個の位相制御器の設定値の組を全て算出し、算出された位相制御器の設定値の組から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択し、選択された設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御することで、ヒータの消費電力量を必要最小限の消費電力まで削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理器を示す回路構成図である。
【図2】図1に示すA−A′線に沿う断面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理器を構成する可変方向性結合を示す回路構成図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置の回路構成図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置の制御手順を示すフローチャートである。
【図6】エルビウム添加光ファイバアンプの波長に対する相対利得特性を示すグラフの一例である。
【図7】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置により図6に示した相対利得特性を有するエルビウム添加光ファイバアンプに対する利得等化フィルタを構成する場合の展開係数と合計の電力が最小となるように選択した最適な解に基づく各位相制御器の位相シフト量を示す表である。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置に図7の位相シフト量を設定することにより利得等化フィルタを構成する場合の設計されたクロスポート出力の透過損失特性を示すグラフである。
【図9】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置により形成されるフィルタの利得等化残差を示すグラフである。
【図10】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置により算出された15組30個の根を示す表である。
【図11】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置における必要電力量の分布を示すヒストグラムである。
【図12】本発明の第1の実施の形態に係る光信号処理装置により算出された31個の位相制御器の位相シフト量を表す3つの比較例を示す表である。
【図13】本発明の第2の実施の形態に係る光信号処理器を示す回路構成図である。
【図14】図1に示すA−A′線に沿う断面図である。
【図15】本発明の第2の実施の形態に係る光信号処理装置の回路構成図である。
【符号の説明】
1,2 光導波路コア
3 正および負の振幅結合率をもつ可変方向性結合器
4 位相制御器
5,6 入力ポート
7,8 出力ポート
9 正および負の振幅結合率をもつ3dB方向性結合器
12 シリコン基板
13 下クラッドガラス層
14 非対称マッハツェンダ干渉計
15 ヒータ電力供給回路
16 制御用CPU回路
17 ヒータ用電源線
20 検知器
22 参照光用光源
31 上クラッドガラス層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful in the field of optical communication and optical information processing such as optical communication, optical switching, and optical computing, and particularly as a variable optical filter that dynamically realizes an arbitrary shape in a high-density wavelength division multiplexing optical communication system. The present invention relates to a programmable optical signal processing device capable of reducing power consumption of a lattice-type programmable optical signal processor suitable for use and suppressing heat generation, and a method of controlling the programmable optical signal processing device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as one of optical signal processing apparatuses, a lattice-type optical signal processor in which asymmetric Mach-Zehnder interferometers are connected in series is disclosed in
[0003]
In these methods, it is possible to determine an optical circuit parameter by an optical circuit synthesis method similar to a design method of a digital filter without feedback called a FIR (Finite Impulse Response) type, and realize an arbitrary transfer characteristic. In fact, the above-mentioned document discloses an embodiment of a Chebyshev type optical frequency filter, a multi-channel optical frequency selector, and an optical group delay equalizer.
[0004]
This lattice type optical signal processor is composed of LiNbO3 Although it can be realized by using an electro-optical effect material such as an organic optical material or the like, in many cases, it is realized by a quartz-based substrate type optical waveguide, and the thermo-optical effect is used for phase control. This is because the silica-based substrate type optical waveguide is suitable for connection with a general communication optical fiber and has excellent reliability.
[0005]
In a lattice-type optical signal processor using a silica-based substrate-type optical waveguide utilizing the thermo-optic effect described above, power is applied to a metal thin-film heater formed on the cladding surface of an embedded optical waveguide, and the heat generated there is used. And phase control is performed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-7-281215
[0007]
[Non-patent document 1]
Kaname Jinguji and Masao Kawachi, “Synthesis of Coherent Two-Port Lattice-Form Optical Delay-Line Circuit, 73-Journey, One-Thirty-Night Life.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the power required for the metal thin-film heater is large and the required number of metal thin-film heaters is large, a technique for suppressing the power consumption and heat generation of the lattice-type optical signal processor from the viewpoint of high-density mounting of modules is desired. It had been.
[0009]
For example, as disclosed in each embodiment of
[0010]
It is also reported that when synthesizing an optical lattice circuit in which asymmetric Mach-Zehnder interferometers are connected in series, there are a plurality of circuit parameter selection methods for achieving the same characteristics.
[0011]
For example, as described in paragraph [0054] of
[0012]
By the way, this 2N The selection criterion for individual solutions is described in
[0013]
However, in practice, the characteristic of f (z) is the most important, and the same f (z) can be obtained regardless of which solution is selected. Therefore, an appropriate one solution is usually selected without any criterion. It had been. As a result, how much power is consumed in the range from the minimum to the maximum of the power applied to the heater is left to the choice of the solution.
[0014]
Therefore, it has been desired to select an optimal solution that minimizes the total power applied to the heater.
[0015]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a programmable optical signal processing apparatus and a method for controlling the programmable optical signal processing apparatus, which can reduce the power consumption of a heater to a required minimum power consumption. Is to provide.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the invention according to
[0017]
According to a second aspect of the present invention, in order to solve the above problem, two optical waveguides and N + 1 positive and negative amplitude coupling ratios for coupling the two optical waveguides at N + 1 different positions are variable. And a phase controller for setting the coupling ratio of the variable directional coupler to a desired value, and the two optical waveguides at N locations sandwiched between the (N + 1) variable directional couplers have the same optical path. A phase controller having a length difference and performing a desired phase shift on at least one of the two optical waveguides at N locations. A control method of a programmable optical signal processing device for controlling to perform an optical filtering process having characteristics of: a calculating step of calculating all sets of set values of the phase controller so as to obtain desired characteristics; A selection step of selecting a set of set values that minimizes the total phase shift set amount from a set of set values of the phase controller calculated by the step, and a setting step based on the set of set values selected by the selection step. And a control step of performing control to execute the phase control.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical signal processor to which the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention can be applied.
[0020]
As shown in FIG. 1, the optical signal processor includes two
[0021]
In the present embodiment, the optical signal processor is constituted by a quartz-based substrate type optical waveguide excellent in mass productivity.
[0022]
(Manufacturing process of optical waveguide)
FIG. 2 shows a cross section taken along the line AA 'of the optical signal processor shown in FIG. Here, the manufacturing process of the optical waveguide will be described.
[0023]
A lattice-type programmable optical signal processor, which is an optical component, comprises a quartz-based substrate-type optical waveguide, and a buried optical waveguide is formed on a silicon wafer by plasma CVD, photolithography, dry etching, and sputtering. . Specifically, it is as follows.
[0024]
In the first step, a quartz glass film is deposited on a
[0025]
In the second step, a germanium-doped quartz glass film is deposited on the lower cladding layer using a plasma CVD apparatus to form a core layer.
[0026]
In the third step, a metal thin film to be used as a mask during core etching is formed on the core layer by using a sputtering apparatus. For this metal thin film, silicon, chromium, tungsten silicide, or the like can be used.
[0027]
In the fourth step, a photoresist is applied on the gold thin film layer, and is exposed and developed in a photolithography step using a glass photomask having a core pattern.
[0028]
In the fifth step, the metal thin film is etched by dry etching using the photoresist as an etching mask, and then the core layer is etched using the metal thin film as an etching mask. The remaining photoresist and metal thin film are removed.
[0029]
In the sixth step, a quartz glass film is deposited on the lower cladding layer / core layer by using a plasma CVD apparatus to form an upper
[0030]
Next, a metal thin-film heater 4-5 was formed on the surface. The metal thin-film heaters 4-5 are sputtered with nichrome, and are
[0031]
Thus, the wafer was completed. Thereafter, the wafer was cut using a dicing apparatus, and further cut into chips using various processing machines such as a grinding machine and a polishing machine. Next, the optical fiber array was aligned and connected to an optical fiber array separately manufactured, and was fixed by applying an adhesive. Further, the chromium heater 4-5 was fixed to the case, and the external electrodes were connected by gold wire bonding.
[0032]
Here, the core sizes of the manufactured
[0033]
In the present embodiment, a
[0034]
FIG. 3 shows the variable
[0035]
In the variable
[0036]
Note that the optical signal processor described in the present embodiment utilizes the coherent interference phenomenon of light, so that the signal light must be coherent light.
[0037]
(Principle related to cross characteristics of variable directional coupler)
In FIG. 1, a signal light incident from an
[0038]
Here, when the optical path length difference between the two optical waveguide cores of each asymmetric Mach-
[0039]
(Equation 1)
Where akRepresents the complex amplitude of the signal light passing through each of the N + 1 optical paths. β is the propagation constant of the
[0040]
In equation (1), the through characteristic h (z) is z-1Is represented by the following polynomial. It can be seen that this equation is equal to the transmission characteristic of the FIR digital filter. This fact plays an important role in the synthesis of the optical filter described below. Similarly, output light f (z) entering from
[0041]
(Equation 2)
Since the signal processor has two inputs and two outputs, the transmission matrix S of the entire signal processor is represented by a 2 × 2 matrix expressed by the following equation (3).
[0042]
(Equation 3)
Here, the suffix * represents paraconjugate.
[0043]
(Equation 4)
h*(Z) = h*(1 / z*) (4)
Assuming that the circuit has no loss, a unimodulus expressed by the following equation (5) is obtained between h (z) and f (z), where the determinant of the matrix shown in the equation (3) becomes 1. A simple unitary relationship holds.
[0044]
(Equation 5)
h (z) h*(Z) + f (z) f*(Z) = 1 (5)
In the present embodiment, the filter is designed so that the cross characteristic f (z) has a desired characteristic. The degree of freedom of the equation (2) representing the cross characteristic is 2N + 2 since the number of complex expansion coefficients is N + 1. The degree of freedom is reduced by 1 and becomes 2N + 1 by taking into account a constraint condition for suppressing the maximum transmittance to 100%, which will be described later.
[0045]
On the other hand, in the present embodiment, it is composed of N + 1 variable directional couplers and N phase controllers. Therefore, the degree of freedom given to the circuit is 2N + 1. This degree of freedom matches the degree of freedom of equation (2). For this purpose, by giving equation (2), all circuit parameters can in principle be determined.
[0046]
(Configuration of optical signal processing device)
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the optical signal processing device according to the embodiment of the present invention. The optical signal processing device incorporates a lattice-type quartz substrate-type optical waveguide component in which a heater
[0047]
The heater
[0048]
The
[0049]
Here, the ROM may be a non-volatile storage medium, and a flash memory, a hard disk, or the like can be used in addition to a semiconductor read-only memory.
[0050]
Next, the operation of the optical signal processing device will be described with reference to the flowchart shown in FIG. The flowchart shown in FIG. 5 is stored as a program in a ROM provided in the
[0051]
In the present embodiment, description will be made by applying to a design example of a gain equalizer having such a relative gain characteristic.
[0052]
First, in step S10, z which approximates the desired cross transmission characteristic is used.-1A polynomial f (z) is obtained, and a complex expansion coefficient b is calculated by Fourier expansion according to the equation (2).k Is calculated. The number of expansion terms is N.
[0053]
Next, in step S20, normalization is performed so that the obtained maximum value of the amplitude frequency function of the cross transmission characteristic is 1 or less.
[0054]
Next, in step S30, a through characteristic h (z) is obtained from the cross characteristic f (z) using the law of conservation of energy. That is, the complex expansion coefficient a of h (z)k Is calculated.
[0055]
Here, the complex expansion coefficient b obtained by the synthesis method of the digital filterkNeeds to be normalized by the following equation (6) so that the absolute value of the amplitude characteristic does not exceed 100%.
[0056]
(Equation 6)
An S matrix representing the transmission characteristics of the present optical signal processing device is obtained so that the complex amplitude characteristic having the complex expansion coefficient thus obtained is realized by the output from the
[0057]
(Equation 7)
In this equation (7), a0Is a known complex expansion coefficient b of f (z)0If the same phase is obtained, it is obtained as shown in Expression (8).
[0058]
(Equation 8)
At this time, in equation (7), h (z) and h*From the necessity expressed in the form of the product of (z), the zero of the polynomial on the right side is {αk , 1 / αk *} Are obtained as N pairs. When calculating h (z), the polynomial of h (z) is {αk , 1 / αk *Since it is necessary to have either one of the root pairs of} as the root, h (z) is 2N Has solutions.
[0059]
These twoN The solutions of h (z) have equal amplitude characteristics and different phase characteristics. There are two S matrices having the same f (z) and different h (z) as a whole.N Exist, resulting in 2N The types of circuit parameters are determined. However, this 2N Regardless of the circuit parameter, the cross characteristic becomes the same characteristic f (z).
[0060]
Here, 2N An integer number is assigned to each of the h (z) in order from 1, and one solution is selected in order.
[0061]
{Αk, 1 / αk *By selecting any one of the N sets of solutions}, 2N There is a set of solutions, but we select them in order. H (Z) and f (z) obtained from the selected solution, ie, ak And bk Thus, a 2-by-2 transmission matrix is completed.
[0062]
Next, in step S40, the k-th unit transmission matrix representing the k-th unit configuration is decomposed from the transmission matrix. From the condition that the k-th unit transmission matrix has unitary property, the coupling ratio of the variable directional coupler constituting the k-th unit circuit and the phase shift amount φ of the phase controller of the asymmetric Mach-Zehnder interferometerk Ask for. From the coupling ratio of the variable directional coupler, the phase shift amount θ of the phase controller of the variable directional couplerk Ask for.
[0063]
Here, in step S50, it is determined whether or not all stages have been disassembled. If all stages have not been disassembled, the process returns to step S40, and the above-described processing is repeated.
[0064]
On the other hand, if the decomposition of all stages has been completed, the process proceeds to step S60, where the phase shift amount θ of the phase controller of the all variable directional couplers is set.k And the phase shift φ of all the phase controllers of the asymmetric Mach-Zehnder interferometerk Is completed.
[0065]
Next, in step S70, the phase shift amounts θ of all stagesk And phase shift φk Then, the total amount of electric power to be supplied to the heater is calculated. Compared to the previous calculation result stored in the RAM, if it is the smallest, the phase shift amount θ of all stagesk And phase shift φk Are stored in the RAM.
[0066]
Here, in step S80, 2NIt is determined whether the set has been calculated.
[0067]
2NIf the set has not been calculated, the process returns to step S30, and the above-described processing is repeated.
[0068]
2NIf the set has been calculated, the process proceeds to step S90, in which the phase shift amounts θ of all the stages in the calculation result in which the power to be supplied to the heater is the minimum are obtained.k And phase shift φkAnd the phase shift amount θ of all stagesk And phase shift φkThe heater
[0069]
In this way, all sets of 2N + 1 set values of the phase controller that can obtain desired characteristics are calculated, and the total phase shift set amount is minimized from the calculated set of phase controller set values. By selecting a set of set values and performing control so as to perform phase control based on the selected set of set values, the power consumption of the heater can be reduced to the required minimum power consumption.
[0070]
FIG. 7 shows the expansion coefficient of f (z) obtained by Fourier series expansion using FIG.N Expansion coefficient a of h (z) obtained from standardized f (z) such that "the optimum solution selected from the number of solutions"k , The phase shift amount θ of the phase controller of the variable directional couplerk , Phase shift amount φ of phase controller of asymmetric Mach-Zehnder interferometerk And The design center wavelength was 1547 nm, the Free Spectral Range (FSR) was about 5400 GHz, and the delay amount of the delay arm of the asymmetric Mach-Zehnder interferometer was 0.186 ps.
[0071]
At this time, the designed transmission loss characteristic of the cross port output is as shown in FIG. Further, the gain equalization residual was 0.19 dBp-p in a wide band of 26 nm as shown in FIG. The excess loss in design was 0.55 dB.
[0072]
(Comparison with conventional technology)
The feature of this embodiment is 2N The solution is to find all the solutions, calculate the required amount of power for all of them, and select the solution with the minimum power.
[0073]
Here, the features in the present embodiment will be examined in detail, and a comparison examination with a conventional technique which does not have a solution selection criterion will be attempted.
[0074]
In FIG. 10, in the above embodiment where N = 15, 15 sets of 30 solutions obtained in the process of designing the gain equalizer are represented by {α.k, 1 / αk *The root pairs of} are shown in such a way that they can be understood.
[0075]
Any one of this pair is selected 2FifteenThe expansion coefficient a of h (z) for all of the combinations (32,768)k And the phase shift amount θ of the phase controller of the variable directional coupler.k , Phase shift amount φ of phase controller of asymmetric Mach-Zehnder interferometerk And the required power was obtained.
[0076]
Next, 2FifteenFIG. 11 is a histogram showing the distribution of the required power in all the cases.
[0077]
Here, θk , Φk Both are converted into the phase shift amounts of 0 to 2π, and are summed up for all 31 phase controllers. The horizontal axis is converted so as to be “1 when the phase shift amounts of all 31 phase controllers are 2π”.
[0078]
Among these, the required power amount became the smallest in the embodiment shown in FIG. 7, and (1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B, 9B, 10B, 11A, 12B, 13B, 14A, and 15B) as the solution, and the total required power at this time is 0.123 in terms of the normalized power shown in FIG. This corresponds to 1,525 mW, assuming that the power required to shift one phase controller by 2π is 400 mW.
[0079]
On the other hand, the reason why the required power amount becomes the maximum is that (1B, 2A, 3A, 4A, 5A, 6A, 7A, 8B, 9A, 10B, 11B, 12A, 13A, 14A, 15B) is the solution. In this case, the total required power is 0.458 in normalized power, which is equivalent to 5,680 mW.
[0080]
In FIG. 11, the average value of the normalized power amount is 0.313, which corresponds to 3,880 mW.
[0081]
Therefore, it can be said that the present invention has reduced the power that conventionally required 3,380 mW in the normal case and 5,680 mW in the worst case to 1,525 mW.
[0082]
For reference, the phase shift amount θ when an appropriate solution is selectedk , ΦkCompared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2 in FIG. 12, the above-mentioned required power amount became the maximum (1B, 2A, 3A, 4A, 5A, 6A, 7A, 8B, 9A, 10B, 11B, 12A, 13A, 14A, 15B) as the solution, the phase shift amount θk , Φk Is shown in Comparative Example 3. Comparative Example 1 has a normalized power amount of 0.294 and corresponds to 3,645 mW, and Comparative Example 2 has a normalized power amount of 0.298 and corresponds to 3,695 mW.
[0083]
In the first embodiment, the gain shape of the erbium-doped optical fiber amplifier is given to the
[0084]
The present invention is also applicable to a case where the phase controller is formed on both arms of the optical waveguide. Further, the present invention is applicable to a lattice type programmable optical signal processor utilizing the electro-optic effect, and has an advantage that a circuit is simplified because a high voltage is not required.
[0085]
(Second embodiment)
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of an optical signal processor to which the optical signal processing device according to the second embodiment of the present invention can be applied.
[0086]
As shown in FIG. 13, the optical signal processor includes N + 1
[0087]
FIG. 14 illustrates a cross section taken along line AA ′ of the optical signal processor illustrated in FIG. Here, the manufacturing process of the optical waveguide will be described.
[0088]
A lattice-type programmable optical signal processor, which is an optical component, comprises a quartz-based substrate-type optical waveguide, and a buried optical waveguide is formed on a silicon wafer by plasma CVD, photolithography, dry etching, and sputtering. . Specifically, it is as follows.
[0089]
In the first step, a quartz glass film is deposited on a
[0090]
In the second step, a germanium-doped quartz glass film is deposited on the lower cladding layer using a plasma CVD apparatus to form a core layer.
[0091]
In the third step, a metal thin film to be used as a mask during core etching is formed on the core layer by using a sputtering apparatus. For this metal thin film, silicon, chromium, tungsten silicide, or the like can be used.
[0092]
In the fourth step, a photoresist is applied on the gold thin film layer, and is exposed and developed in a photolithography step using a glass photomask having a core pattern.
[0093]
In the fifth step, the metal thin film is etched by dry etching using the photoresist as an etching mask, and then the core layer is etched using the metal thin film as an etching mask. The remaining photoresist and metal thin film are removed.
[0094]
In the sixth step, a quartz glass film is deposited on the lower cladding layer / core layer by using a plasma CVD apparatus to form an upper
[0095]
Next, metal thin film heaters 4-5 and 4-6 were formed on the surface. The metal thin-film heaters 4-5 and 4-6 are sputtered with nichrome, and are
[0096]
Thus, the wafer was completed. Thereafter, the wafer was cut using a dicing apparatus, and further cut into chips using various processing machines such as a grinding machine and a polishing machine. Next, the optical fiber array was aligned and connected to an optical fiber array separately manufactured, and was fixed by applying an adhesive. Further, it was fixed to the case, and the nichrome heaters 4-5 and 4-6 were connected to external electrodes by gold wire bonding.
[0097]
Here, the core sizes of the manufactured
[0098]
In the present embodiment, the
[0099]
(Configuration of optical signal processing device)
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration of an optical signal processing device according to the second embodiment. The optical signal processing device incorporates a quartz-based substrate-type optical waveguide component having a lattice configuration in which a heater
[0100]
Also, the operation of the optical signal processing device can be described in the same way by referring to the flowchart shown in FIG.
[0101]
Also in the present embodiment, all the 2N + 1 set value sets of the phase controller that can obtain the desired characteristics are calculated, and the total phase shift set amount is calculated from the calculated set value of the phase controller. To reduce the power consumption of the heater to the minimum required power consumption by selecting a set of minimum set values and performing control so that phase control is performed based on the selected set of set values. Can be.
[0102]
【The invention's effect】
According to the first and second aspects of the present invention, all sets of 2N + 1 set values of phase controllers that can obtain desired characteristics are calculated, and the set of calculated set values of phase controllers are calculated. From the set value that minimizes the total phase shift set amount, and controls the phase control based on the selected set value to minimize the power consumption of the heater. Power consumption can be reduced to a minimum.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing an optical signal processor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA 'shown in FIG.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram illustrating variable directional coupling included in the optical signal processor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a control procedure of the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an example of a graph showing relative gain characteristics with respect to wavelength of an erbium-doped optical fiber amplifier.
FIG. 7 shows the sum of the expansion coefficient and the sum when the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention constitutes a gain equalizing filter for an erbium-doped optical fiber amplifier having the relative gain characteristics shown in FIG. 9 is a table showing the amount of phase shift of each phase controller based on an optimal solution selected so as to minimize power.
FIG. 8 is a transmission loss characteristic of a designed cross-port output when a gain equalization filter is configured by setting the phase shift amount of FIG. 7 in the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 9 is a graph showing a gain equalization residual of a filter formed by the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a table showing 15 sets of 30 roots calculated by the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a histogram showing a distribution of required power in the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a table showing three comparative examples showing the phase shift amounts of 31 phase controllers calculated by the optical signal processing device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a circuit configuration diagram showing an optical signal processor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ shown in FIG.
FIG. 15 is a circuit configuration diagram of an optical signal processing device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,2 optical waveguide core
3. Variable directional coupler with positive and negative amplitude coupling ratio
4 Phase controller
5, 6 input port
7, 8 output port
9. 3 dB directional coupler with positive and negative amplitude coupling ratio
12 Silicon substrate
13 Lower cladding glass layer
14 Asymmetric Mach-Zehnder interferometer
15 Heater power supply circuit
16 Control CPU circuit
17 Power line for heater
20 detector
22 Reference light source
31 Upper clad glass layer
Claims (2)
該2本の光導波路をN+1カ所の異なる位置で結合する正および負の振幅結合率を可変自在なN+1個の可変方向性結合器の結合率を所望の値とするための位相制御器と、
前記N+1個の可変方向性結合器にそれぞれ挟まれたNカ所の前記2本の光導波路がそれぞれ同一の光路長差を持ち、Nカ所における前記2本の光導波路のうち少なくとも1本の光導波路の上に所望の位相シフトを施す位相制御器と、を有するラティス構成の光信号処理器に対して、所望の特性を有する光フィルタリング処理を行うように制御するプログラマブル光信号処理装置において、
所望の特性が得られるような前記位相制御器の設定値の組を全て算出する算出手段と、
該算出手段により算出された位相制御器の設定値の組から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択する選択手段と、
該選択手段により選択された設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とするプログラマブル光信号処理装置。Two optical waveguides,
A phase controller for setting the coupling ratio of the N + 1 variable directional couplers having variable positive and negative amplitude coupling ratios for coupling the two optical waveguides at N + 1 different positions to a desired value;
The two optical waveguides at N locations sandwiched between the N + 1 variable directional couplers respectively have the same optical path length difference, and at least one optical waveguide among the two optical waveguides at N locations A phase controller for performing a desired phase shift on the, and, for an optical signal processor of the lattice configuration having, in a programmable optical signal processing device that controls to perform an optical filtering process having desired characteristics,
Calculating means for calculating all sets of set values of the phase controller such that desired characteristics are obtained,
Selecting means for selecting a set of set values that minimizes the total phase shift set amount from the set of phase controller set values calculated by the calculating means;
Control means for controlling the phase control based on the set of setting values selected by the selection means.
該2本の光導波路をN+1カ所の異なる位置で結合する正および負の振幅結合率を可変自在なN+1個の可変方向性結合器の結合率を所望の値とするための位相制御器と、
前記N+1個の可変方向性結合器にそれぞれ挟まれたNカ所の前記2本の光導波路がそれぞれ同一の光路長差を持ち、Nカ所における前記2本の光導波路のうち少なくとも1本の光導波路の上に所望の位相シフトを施す位相制御器と、を有するラティス構成の光信号処理器に対して、所望の特性を有する光フィルタリング処理を行うように制御するプログラマブル光信号処理装置の制御方法において、
所望の特性が得られるような前記位相制御器の設定値の組を全て算出する算出ステップと、
該算出ステップにより算出された位相制御器の設定値の組の中から合計の位相シフト設定量が最小になる設定値の組を選択する選択ステップと、
該選択ステップにより選択した設定値の組に基づいて、位相制御を実施するように制御する制御ステップとを有することを特徴とするプログラマブル光信号処理装置の制御方法。Two optical waveguides,
A phase controller for setting the coupling ratio of the N + 1 variable directional couplers having variable positive and negative amplitude coupling ratios for coupling the two optical waveguides at N + 1 different positions to a desired value;
The two optical waveguides at N locations sandwiched between the N + 1 variable directional couplers respectively have the same optical path length difference, and at least one optical waveguide among the two optical waveguides at N locations And a phase controller for performing a desired phase shift on the optical signal processor having a lattice configuration having a desired phase shift. ,
A calculating step of calculating all the set of set values of the phase controller such that a desired characteristic is obtained,
A selection step of selecting a set of set values that minimizes the total phase shift set amount from the set of phase controller set values calculated by the calculation step;
A control step of performing control so as to execute phase control based on a set of set values selected in the selection step.
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