JP2005202241A - Optical branching circuit, optical transmitting and receiving circuit and optical network - Google Patents

Optical branching circuit, optical transmitting and receiving circuit and optical network Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a loss accompanying the branching in an optical branching circuit. <P>SOLUTION: An optical branching circuit comprises a waveguide circuit constituted by two-dimensionally arranging wave transfer media; in the wave transfer media, a spatial refractive index distribution which is determined based on the refractive index of each of virtual pixels demarcated by virtual meshes so that an optical signal made incident from one port among three or more ports is branched while being subjected to multiple branching and is emitted from the other port is formed. In the spatial refractive index distribution, the phase of optical signal in a port is set so that each optical signal emitted from other ports is vertical to each other. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光分岐回路、光送受信回路および光ネットワークに関し、より詳細には、2次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を用いた光分岐回路、光送受信回路および光ネットワークに関する。   The present invention relates to an optical branching circuit, an optical transmission / reception circuit, and an optical network, and more specifically, light using a holographic wave transmission medium that transmits waves holographically by multiple scattering according to a two-dimensional refractive index distribution. The present invention relates to a branch circuit, an optical transmission / reception circuit, and an optical network.

光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。   In the optical communication field, integrated optical components using an optical waveguide structure have been developed as an optical circuit that can easily realize branching and interference of light. Integrated optical components that utilize the properties of light waves make it easy to manufacture optical interferometers by adjusting the length of the optical waveguide, or to easily integrate optical components by applying circuit processing technology in the semiconductor field. Become.

光回路として、図1(a)に示したY分岐回路、図1(b)に示した方向性結合器などが知られている。Y分岐回路と方向性結合器とを組み合せることにより、図2(a)に示した1xN分岐回路、図2(b)に示したNxM方向性結合器を構成することができる。図3は、MMI(Multi Mode Interference)方向性結合器であり、NxMの接続を1つの回路で構成することができる。   Known optical circuits include the Y branch circuit shown in FIG. 1A and the directional coupler shown in FIG. By combining the Y branch circuit and the directional coupler, the 1 × N branch circuit shown in FIG. 2A and the N × M directional coupler shown in FIG. 2B can be configured. FIG. 3 shows an MMI (Multi Mode Interference) directional coupler, and an N × M connection can be configured by one circuit.

しかしながら、従来の光回路を組み合わせてNxNメッシュ型の光分岐回路、すなわちN個の全てのポートが互いに接続される回路を構成する場合には、接続時の損失が大きいという問題があった。この問題について具体的に説明する。   However, when a conventional optical circuit is combined to form an NxN mesh type optical branch circuit, that is, a circuit in which all N ports are connected to each other, there is a problem that a loss during connection is large. This problem will be specifically described.

図4に、3個のY分岐回路を組み合わせた3x3メッシュ型光分岐回路を示す。1つのY分岐回路に入力された光信号は、入力側のY分岐回路における分岐と、出力側のY分岐回路における結合により、入力側と出力側の双方の結合部分において損失が発生する。分岐比は1/(N−1)(1/対向するポート数)であり、対向するポートに出力される光信号は、1/(N−1)と小さくなってしまう。 FIG. 4 shows a 3 × 3 mesh type optical branch circuit in which three Y branch circuits are combined. The optical signal input to one Y branch circuit causes a loss at both the input side and the output side coupling portions due to the branch in the input Y branch circuit and the coupling in the output Y branch circuit. The branching ratio is 1 / (N−1) (1 / number of ports facing each other), and the optical signal output to the facing port becomes 1 / (N−1) 2 .

図5に、4個のMMI方向性結合器を組み合わせた4x4メッシュ型光分岐回路を示す。1つのMMI方向性結合器に入力された光信号は、図4に示したY分岐回路と同様に、入力側と出力側の双方の結合部分において損失が発生し、1/(N−1)と小さくなってしまう。3x3および4x4メッシュ型光分岐回路の分岐比は、それぞれ、(1/2)=1/4、(1/3)=1/9となり、大きな損失を生じる。さらに、4x4以上の光分岐回路では、図5に示したように、導波路の交差が生じるので、さらに損失が大きくなるという問題もあった。 FIG. 5 shows a 4 × 4 mesh type optical branching circuit in which four MMI directional couplers are combined. As with the Y branch circuit shown in FIG. 4, the optical signal input to one MMI directional coupler is lossy at both the input and output coupling portions, and 1 / (N−1) 2 will be smaller. The branching ratios of the 3 × 3 and 4 × 4 mesh type optical branch circuits are (1/2) 2 = 1/4 and (1/3) 2 = 1/9, respectively, resulting in a large loss. Further, in the optical branch circuit of 4 × 4 or more, as shown in FIG. 5, there is a problem that the loss further increases because the intersection of the waveguides occurs.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、分岐にともなう損失を低減した光分岐回路を提供するとともに、この光分岐回路を用いて端末相互接続を容易にした光送受信回路および光ネットワークを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide an optical branch circuit in which loss due to branching is reduced and to facilitate terminal interconnection using the optical branch circuit. It is an object to provide an optical transmission / reception circuit and an optical network.

本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、3つ以上のポートのうち1のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、2次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定されていることを特徴とする。   In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 is characterized in that, among the three or more ports, the refractive index of each of the virtual pixels defined by the virtual mesh is determined. A wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution determined so that an optical signal incident from one port branches while being scattered multiple times and is emitted from another port is arranged two-dimensionally. An optical branch circuit composed of a waveguide circuit configured as described above, wherein the spatial refractive index distribution is such that each optical signal emitted from the other port is vectorally orthogonal to each other at the port. The phase of the optical signal is set.

請求項2に記載の発明は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、3つ以上のポートのうち1のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、2次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定できない場合に、前記他のポートにおける各々の光信号のフィールドの重なり積分が最小となるように位相が設定されていることを特徴とする。   According to the second aspect of the present invention, the optical signal incident from one of the three or more ports is subjected to multiple scattering by the refractive index of each of the virtual pixels defined by the virtual mesh. This is an optical branch circuit composed of a waveguide circuit configured by two-dimensionally arranging a wave transmission medium that is branched and has a spatial refractive index distribution determined so as to be emitted from another port. The spatial refractive index distribution is obtained when the phase of the optical signal at the port cannot be set so that the optical signals emitted from the other ports are vector orthogonal to each other. The phase is set so that the overlap integral of each optical signal field at the port is minimized.

請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の光分岐回路において、前記1のポートから前記他のポートへの分岐比率は、それぞれ異なることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the optical branching circuit according to the first or second aspect, the branching ratio from the one port to the other port is different.

請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の前記ポートの各々に、増幅素子が接続されていることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, an amplification element is connected to each of the ports according to the first or second aspect.

請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の前記増幅素子の増幅率は、前記1のポートにおける光強度と前記他のポートにおける光強度とが、一定となるように設定されていることを特徴とする。   According to a fifth aspect of the invention, the amplification factor of the amplification element according to the fourth aspect is set such that the light intensity at the one port and the light intensity at the other port are constant. It is characterized by that.

請求項6に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の光分岐回路と、該光分岐回路の前記1のポートに接続され、前記他のポートの各々と相互に光信号の送受信を行う光送受信素子とを備えた光送受信回路であることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, an optical branch circuit according to any one of the first to fifth aspects of the present invention is connected to the one port of the optical branch circuit, and an optical signal is mutually transmitted to each of the other ports. It is an optical transmission / reception circuit including an optical transmission / reception element that performs transmission / reception.

請求項7に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の光分岐回路と、該光分岐回路の各々のポートに接続されたネットワーク構成要素とを備え、前記ネットワーク構成要素が相互に光信号の送受信を行えるように構成された光ネットワークであることを特徴とする。   According to a seventh aspect of the invention, there is provided the optical branch circuit according to any one of the first to fifth aspects, and a network component connected to each port of the optical branch circuit. And an optical network configured to transmit and receive optical signals.

請求項8に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の光分岐回路を接続した複数のネットワーク構成要素を、前記光分岐回路の1のポートの各々を接続して、縦続接続することにより構成された光ネットワークであることを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, a plurality of network components to which the optical branch circuit according to any one of the first to fifth aspects is connected are connected in cascade with each of one port of the optical branch circuit. It is characterized by being an optical network comprised by doing.

以上説明したように、本発明によれば、他のポートから出射される各々の光信号が互いに直交するように、ポートにおける光信号の位相が設定された、空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備えたので、分岐にともなう損失を低減することが可能となる。   As described above, according to the present invention, a spatial refractive index distribution is formed in which the phase of the optical signal at the port is set so that the optical signals emitted from the other ports are orthogonal to each other. Since the wave transmission medium is provided, it is possible to reduce the loss due to branching.

また、本発明によれば、他のポートから出射される各々の光信号が互いに直交するように、ポートにおける光信号の位相が設定できない場合であっても、他のポートにおける各々の光信号の重なりが最小となるように位相を設定するので、分岐にともなう損失を低減することが可能となる。   Further, according to the present invention, even if the phase of the optical signal at the port cannot be set so that the optical signals emitted from the other ports are orthogonal to each other, Since the phase is set so that the overlap is minimized, it is possible to reduce the loss due to branching.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述したように、従来の光回路では、光信号を単純に合分波するだけであり、NxNメッシュ型の光回路を構成すると、出力される光信号は、1/(N−1)に減衰してしまうという問題があった。このような問題が生じる原因は、光の位相を考慮した回路設計がなされていない点にある。そこで、本願発明においては、波動伝達媒体を用いて、位相を考慮した合分波機能を実現し、低損失な光分岐回路を構成する。最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As described above, in the conventional optical circuit, the optical signal is simply multiplexed / demultiplexed. When an NxN mesh type optical circuit is configured, the output optical signal is reduced to 1 / (N−1) 2 . There was a problem of attenuation. The cause of such a problem is that the circuit design considering the phase of light is not made. Therefore, in the present invention, a wave transmission medium is used to realize a multiplexing / demultiplexing function in consideration of the phase, and a low loss optical branch circuit is configured. First, the basic concept of the wave transmission medium used in the present invention will be described.

本願発明では、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。   In the present invention, since it is applied to an optical circuit, “wave” propagating in the wave transmission medium is “light”. The theory relating to the wave transmission medium specifies the characteristics of the medium based on a general wave equation, and can also hold in principle in general waves. In order to input a coherent light pattern and output a desired light pattern, the wave transmission medium has a phase difference between forward propagation light and back propagation light propagating in the wave transmission medium. The refractive index distribution is determined so as to be small even at the location. A desired light pattern is output by repeatedly repeating holographic control at a local level according to the refractive index distribution.

図6を参照して、本発明にかかる波動伝達媒体基本構造を説明する。図6(a)に示したように、光回路基板1の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域1−1が存在する。光回路の一方の端面は、入力光3−1が入射する入射面2−1である。入力光3−1は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面2−2から出力光3−2として出力される。図6(a)中の座標zは、光の伝搬方向の座標(z=0が入射面、z=zが出射面)であり、座標xは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。 With reference to FIG. 6, the basic structure of the wave transmission medium according to the present invention will be described. As shown in FIG. 6A, an optical circuit design area 1-1 composed of a wave transmission medium exists in the optical circuit board 1. One end surface of the optical circuit is an incident surface 2-1 on which the input light 3-1 is incident. The input light 3-1 propagates through the optical circuit having a spatial refractive index distribution constituted by the wave transmission medium while being subjected to multiple scattering, and is output as the output light 3-2 from the exit surface 2-2 which is the other end face. Is output. Coordinate z in FIG. 6 (a), the coordinates (z = 0 is the incident surface, z = z e is output surface) of the propagation direction of the light is, the coordinate x is at a transverse coordinates for the light propagation direction is there. In this embodiment, it is assumed that the wave transmission medium is made of a dielectric, and the spatial refractive index distribution is based on the theory described below for the local refractive index of the dielectric constituting the wave transmission medium. This is realized by setting based on this.

入力光3−1が形成している「場」(入力フィールド)は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光3−2の形成する「場」(出力フィールド)に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための(電磁)フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向(図中z軸方向)に垂直な断面(図中x軸に沿う断面)における光のフィールドを、その場所(x,z)における(順)伝搬像(伝搬フィールドあるいは伝搬光)と呼ぶ(図6(b)参照)。   The “field” (input field) formed by the input light 3-1 is modulated according to the spatial distribution of the refractive index of the wave transmission medium constituting the optical circuit, and the “field” formed by the output light 3-2. "(Output field). In other words, the wave transmission medium of the present invention is (electromagnetic) field conversion means for correlating the input field and the output field according to the spatial refractive index distribution. For these input field and output field, the light field in the cross section (cross section along the x axis in the figure) perpendicular to the propagation direction (z axis direction in the figure) in the optical circuit is represented by its location (x, This is called a (forward) propagation image (propagation field or propagation light) in z) (see FIG. 6B).

ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場(電磁界)または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の1成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態(波長)と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。   Here, “field” generally means an electromagnetic field (electromagnetic field) or a vector potential field of an electromagnetic field. The control of the electromagnetic field in this embodiment corresponds to changing the spatial refractive index distribution provided in the optical circuit, that is, the dielectric constant distribution. Although the dielectric constant is given as a tensor, since the transition between the polarization states is usually not so large, it is an approximation that may be a scalar wave approximation for only one component of the electromagnetic field. Therefore, in this specification, the electromagnetic field is treated as a complex scalar wave. Since the “state” of light includes an energy state (wavelength) and a polarization state, when the “field” is used to express the state of light, the light wavelength and polarization state are also included. Will get.

また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光3−1の像(入力フィールド)は、出力光3−2の像(出力フィールド)に対して一意的に定まる。このような、出射面2−2側から入射面2−1側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像(逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光)と呼ぶ(図6(c)参照)。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光3−2の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。   In general, in an optical circuit that does not cause amplification or attenuation of propagating light, when the spatial distribution of the refractive index is determined, an image (input field) of the input light 3-1 other than the focal point is an image of the output light 3-2. (Output field) is determined uniquely. Such a field of light traveling from the exit surface 2-2 side to the entrance surface 2-1 side is referred to as a back propagation image (a back propagation field or a back propagation light) (see FIG. 6C). Such a back propagation image can be defined for each place in the optical circuit. That is, when a light field at an arbitrary place in the optical circuit is considered, if the place is considered as an emission point of a virtual “input light”, the image of the output light 3-2 can be obtained in the same manner as described above. The back-propagation image at that location can be considered. In this way, a back propagation image can be defined for each location in the optical circuit.

特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。   In particular, in a single optical circuit, when the outgoing field is a propagation field of the incident field, the propagation field and the reverse propagation field coincide with each other at any point of the optical circuit. The field is generally a function over the entire target space, but the term “incident field” or “exit field” means a cross section of the field on the entrance surface or exit surface. In addition, even in the case of “field distribution”, when a discussion is made regarding a specific cross section, it means a cross section of the field with respect to that cross section.

屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。なお、本発明で対象とされる光(フィールド)は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスjを充てて一般的に表記する。
・ψj(x):j番目の入射フィールド(複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長および偏波により規定される。)
・φj(x):j番目の出射フィールド(複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相分布、ならびに、波長および偏波により規定される。)
なお、ψj(x)およびφj(x)は、回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ(あるいは無視できる程度の損失)であり、それらの波長も偏波も同じである。
In order to explain the method of determining the refractive index distribution, it is better to use symbols, so the following symbols are used to represent each quantity. Note that the light (field) targeted in the present invention is not limited to light in a single state, so that light in which a plurality of states are superimposed can be indexed to light in each state. It is generally written with j.
Ψ j (x): j-th incident field (complex vector value function, defined by intensity distribution and phase distribution set on the incident surface, and wavelength and polarization)
Φ j (x): j-th outgoing field (complex vector value function, defined by intensity distribution and phase distribution, wavelength and polarization set on the outgoing face)
Note that ψ j (x) and φ j (x) have the same total light intensity (or a negligible loss) unless intensity amplification, wavelength conversion, and polarization conversion are performed in the circuit. Their wavelength and polarization are the same.

・{ψj(x)、φj(x)}:入出力ペア(入出力のフィールドの組み。)
{ψj(x)、φj(x)}は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
j (x), φ j (x)}: Input / output pair (a set of input / output fields)
j (x), φ j (x)} is defined by the intensity distribution and the phase distribution, the wavelength and the polarization at the entrance surface and the exit surface.

・{n}:屈折率分布(光回路設計領域全体の値の組。)
与えられた入射フィールドおよび出射フィールドに対して屈折率分布をひとつ与えたときに光のフィールドが決まるので、q番目の繰り返し演算で与えられる屈折率分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をn(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値n(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{n}と表す。
{N q }: Refractive index distribution (a set of values for the entire optical circuit design area)
When one refractive index distribution is given for a given incident field and outgoing field, the field of light is determined, so it is necessary to consider the field for the entire refractive index distribution given by the qth iteration. Therefore, the entire refractive index distribution may be expressed as n q (x, z) with (x, z) as an indefinite variable, but the refractive index value n q (x, z) at the location (x, z) For distinction, {n q } is used for the entire refractive index distribution.

・ncore:光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。
・nclad:光導波路におけるクラッド部分のような、ncoreに対して低い屈折率の値を示す記号。
・ψj(z,x,{n}):j番目の入射フィールドψj(x)を屈折率分布{n}中をzまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
・φj(z,x,{n}):j番目の出射フィールドφj(x)を屈折率分布{n}中をzまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
N core : A symbol indicating a high refractive index value with respect to the surrounding refractive index, such as a core portion in an optical waveguide.
N clad : a symbol indicating a low refractive index value with respect to n core , such as a clad portion in an optical waveguide.
Ψ j (z, x, {n q }): field at location (x, z) when the jth incident field ψ j (x) is propagated through the refractive index profile {n q } to z The value of the.
Φ j (z, x, {n q }): at the location (x, z) when the j-th outgoing field φ j (x) is propagated back to z in the refractive index profile {n q } The field value.

本実施形態において、屈折率分布は、すべてのjについてψj(ze,x,{n})=φj(x)、またはそれに近い状態となるように{n}が与えられる。 In the present embodiment, the refractive index distribution, all j for ψ j (z e, x, {n q}) is given = φ j (x), or the so close state {n q}.

「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、j番目のものとk番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光(すなわち波長の異なる光)については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。   “Input port” and “output port” are “areas” where the fields at the entrance end face and the exit end face are concentrated. For example, by connecting an optical fiber to the part, the optical intensity can be propagated to the fiber. It is an area. Here, since the field intensity distribution and phase distribution can be designed to be different for the j-th and k-th ones, a plurality of ports can be provided on the entrance end face and the exit end face. Furthermore, when considering a pair of an incident field and an outgoing field, the phase generated by the propagation between them differs depending on the frequency of light. Therefore, for light having different frequencies (that is, light having different wavelengths), the field shape including the phase is included. Regardless of whether they are the same or orthogonal, they can be configured as different ports.

ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般な数学的取扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は1に規格化されているものとする。図6(b)および図6(c)に示したように、j番目の入射フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、ψj(z,x,{n})およびφj(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{n}により変化するため、屈折率分布{n}がパラメータとなる。記号の定義により、ψj(x)=ψj(0,x,{n})、および、φj(x)=φj(ze,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψj(x)、出射フィールドφj(x)、および屈折率分布{n}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。 Here, the electromagnetic field is a field of a real vector value, and has a wavelength and a polarization state as parameters, but the value of the component is displayed as a complex number that can be easily handled in a general mathematical manner, and represents the solution of the electromagnetic wave. In the following calculation, it is assumed that the strength of the entire field is normalized to 1. As shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c), the propagation field and the back-propagation field for the jth incident field ψ j (x) and output field φ j (x) As complex vector value functions, they are expressed as ψ j (z, x, {n}) and φ j (z, x, {n}). Since the values of these functions vary depending on the refractive index distribution {n}, the refractive index distribution {n} is a parameter. According to the definition of the symbols, ψ j (x) = ψ j (0, x, {n}) and φ j (x) = φ j (z e , x, {n}). The values of these functions can be easily calculated by a known method such as a beam propagation method, given an incident field ψ j (x), an outgoing field φ j (x), and a refractive index distribution {n}. it can.

以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図7に、波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をqで表し、(q−1)番目まで計算が実行されているときのq番目の計算の様子が図示されている。(q−1)番目の計算によって得られた屈折率分布{nq-1}をもとに、各j番目の入射フィールドψj(x)および出射フィールドφj(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψj(z,x,{nq-1})およびφj(z,x,{nq-1})と表記する(ステップS220)。 In the following, a general algorithm for determining the spatial refractive index distribution will be described. FIG. 7 shows a calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of the wave transmission medium. Since this calculation is repeatedly executed, the number of repetitions is represented by q, and the state of the qth calculation when the calculation is executed up to the (q−1) th is shown. Based on the refractive index distribution {n q-1 } obtained by the (q-1) th calculation, the propagation field and the jth incident field ψ j (x) and the outgoing field φ j (x) The back propagation field is obtained by numerical calculation, and the results are expressed as ψ j (z, x, {n q-1 }) and φ j (z, x, {n q-1 }), respectively (step S220). ).

これらの結果をもとに、各場所(z,x)における屈折率n(z,x)を、次式により求める(ステップS240)。
n(z,x)=nq-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]・・・(1)
ここで、右辺第2項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、[]内のフィールド内積演算結果の虚数成分を意味する。なお、記号「*」は複素共役である。係数αは、n(z,x)の数分の1以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値であり、正の小さな値である。Σjは、インデックスjについて和をとるという意味である。
Based on these results, the refractive index n q (z, x) at each location (z, x) is obtained by the following equation (step S240).
n q (z, x) = n q-1 (z, x) −αΣ j Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })] ... (1)
Here, the symbol “·” in the second term on the right side means an inner product operation, and Im [] means an imaginary number component of the field inner product operation result in []. The symbol “*” is a complex conjugate. The coefficient α is a value obtained by dividing a value equal to or less than a fraction of n q (z, x) by the number of field pairs, and is a small positive value. Σ j means that the sum is taken for the index j.

ステップS220とS240とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値ψj(ze,x,{n})と出射フィールドφj(x)との差の絶対値が、所望の誤差dよりも小さくなると(ステップS230:YES)計算が終了する。 Step S220 and S240 and repeats the value in the exit plane of the propagation field ψ j (z e, x, {n}) the absolute value of the difference between the exit field φ j (x) is than desired error d j When it becomes smaller (step S230: YES), the calculation ends.

以上の計算では、屈折率分布の初期値{n}は適当に設定すればよいが、この初期値{n}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる(ステップS200)。また、各jについてφj(z,x,{nq-1})およびψj(z,x,{nq-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、jごと(すなわち、φj(z,x,{nq-1})およびψj(z,x,{nq-1})ごと)に計算すればよいので、クラスタシステム等を利用して計算の効率化を図ることができる(ステップS220)。また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、式(1)のインデックスjについての和の部分で、各qで適当なjを選び、その分のφj(z,x,{nq-1})およびψj(z,x,{nq-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である(ステップS220)。 In the above calculation, the initial value {n 0 } of the refractive index distribution may be set appropriately. However, if this initial value {n 0 } is close to the expected refractive index distribution, the calculation converges faster accordingly ( Step S200). When calculating φ j (z, x, {n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 }) for each j, , J (that is, φ j (z, x, {n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 })). Thus, calculation efficiency can be improved (step S220). If the computer is configured with a relatively small memory, an appropriate j is selected for each q in the sum of the index j in equation (1), and φ j (z, x, { It is also possible to calculate only n q-1 }) and ψ j (z, x, {n q-1 }) and repeat the subsequent calculations (step S220).

以上の演算において、φj(z,x,{nq-1})の値とψj(z,x,{nq-1})の値とが近い場合には、式(1)中のIm[φj(z,x,{nq-1})*・ψj(z,x,{nq-1})]は位相差に対応する値となり、この値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。 In the above operation, φ j (z, x, {n q-1}) in the case of values and ψ j (z, x, { n q-1}) and the value of the near, the formula (1) Im [φ j (z, x, {n q-1 }) * · ψ j (z, x, {n q-1 })] is a value corresponding to the phase difference, and by reducing this value, It is possible to obtain a desired output.

屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域(ピクセル)の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の(所望の)値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率(n)を有するピクセルと高屈折率(n)を有するピクセルのみからなる系であり、これら2種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所(ピクセル)を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。 The determination of the refractive index distribution can be rephrased as defining a virtual mesh in the wave transmission medium and determining the refractive index of a minute region (pixel) defined by the mesh for each pixel. In principle, such a local refractive index can be an arbitrary (desired) value for each location. The simplest system is a system consisting only of pixels having a low refractive index (n L ) and pixels having a high refractive index (n H ), and the overall refractive index distribution due to the spatial distribution of these two types of pixels. Is determined. In this case, the place where the low refractive index pixel exists in the medium is considered as a gap of the high refractive index pixel, and conversely, the place where the high refractive index pixel exists is considered as the gap of the low refractive index pixel. Can do. That is, the wave transmission medium of the present invention can be expressed as a desired place (pixel) in a medium having a uniform refractive index replaced with a pixel having a different refractive index.

上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体(光の場合には誘電体)に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布1(順伝搬光)と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布2(逆伝搬光)と、を数値計算により求める。フィールド分布1およびフィールド分布2を、伝搬光と逆伝搬光の各点(x,z)における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式(1)のように変化させることで、2つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化(分布)でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。   The calculation contents for determining the refractive index distribution described above are summarized as follows. An input port and an output port are provided in a medium capable of transmitting a wave in a holographic manner (dielectric in the case of light). Field distribution 1 (forward propagation light) of propagating light incident from the input port and from the input port A field distribution 2 (reverse propagation light) of phase conjugate light in which an output field expected when an incident optical signal is output from the output port is propagated backward from the output port side is obtained by numerical calculation. In the field distribution 1 and the field distribution 2, a spatial refractive index distribution in the medium is obtained so as to eliminate the phase difference at each point (x, z) of the propagating light and the counter propagating light. If the steepest descent method is adopted as a method for obtaining such a refractive index distribution, the refractive index is calculated by changing the refractive index in the direction obtained by the steepest descent method using the refractive index of each point as a variable. By changing as in (1), the difference between the two fields can be reduced. If such a wave transmission medium is applied to an optical component that emits light incident from an input port to a desired output port, an effective optical path length is reduced due to interference phenomenon caused by multiple scattering of propagation waves generated in the medium. An optical circuit having a sufficiently high optical signal controllability can be configured even with a long and gentle refractive index change (distribution).

図8に、光合分波器に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す。上述したアルゴリズムにしたがって、約200回の繰り返しにより、図8に示した屈折率分布を有する光回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域1−1内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部(誘電体多重散乱部)1−11であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部1−12である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が1.5%だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦300μm、横140μmである。   FIG. 8 shows the refractive index distribution of the wave transmission medium applied to the optical multiplexer / demultiplexer. According to the algorithm described above, an optical circuit having the refractive index distribution shown in FIG. 8 is obtained by repeating about 200 times. Here, the black part in the optical circuit design region 1-1 in the figure is a high refractive index part (dielectric multiple scattering part) 1-11 corresponding to the core, and the part other than the black part corresponds to the clad. Low refractive index portion 1-12. The refractive index of the clad assumes the refractive index of quartz glass, and the refractive index of the core has a value that is higher by 1.5% than the quartz glass. The size of the optical circuit is 300 μm in length and 140 μm in width.

屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは、140×300(=42000)である。従って、屈折率分布のパラメータ数は42000となるから、これらのパラメータを最適化する必要がある。最急降下法を単純に適用して、これらの各々のパラメータについて1つずつ数値微分を求めることによりパラメータを最適化する場合には、1ステップ分の計算を実行するのに42000の光の伝搬を計算する必要がある。これに対して、本実施形態では、2回の光の伝搬を計算するだけで足りるため、実用上妨げとならない短時間の計算で光回路の設計が可能となる。   The mesh used for the calculation when obtaining the refractive index distribution is 140 × 300 (= 42000). Therefore, since the number of parameters of the refractive index distribution is 42,000, it is necessary to optimize these parameters. When the steepest descent method is simply applied and the parameters are optimized by obtaining a numerical derivative for each of these parameters, 42000 light propagation is required to perform one step of calculation. It is necessary to calculate. On the other hand, in this embodiment, it is sufficient to calculate the propagation of light twice, so that the optical circuit can be designed with a short time calculation that does not impede practical use.

図9に、本発明の一実施形態にかかる4x4メッシュ型光分岐回路を示す。光分岐回路の4つのポート間は、上述した波動伝達媒体によって接続され、相互一斉配信・一斉受信が可能である。光ポートは入出力として使われる。図10は、図9に示した光分岐回路の各ポート間での信号の流れを、論理ネットワークとして模式化した図である。反射光による出力も併せて光信号の伝搬する方向ごとに分けると、1ポートが光信号の進行方向によって2つに分けられる。進行方向を上付き添え字の+、−で表した示した論理ネットワークが図11である。光回路は4つのポートを有し、各ポートは、他の3つのポートに向けて光を出射する一方、他の3つのポートから独立に出力される信号を受信する回路構成である。   FIG. 9 shows a 4 × 4 mesh type optical branching circuit according to an embodiment of the present invention. The four ports of the optical branch circuit are connected by the above-described wave transmission medium, and can perform simultaneous simultaneous distribution and simultaneous reception. The optical port is used as input / output. FIG. 10 is a diagram schematically showing a signal flow between the ports of the optical branching circuit shown in FIG. 9 as a logical network. When the output of the reflected light is also divided for each direction in which the optical signal propagates, one port is divided into two according to the traveling direction of the optical signal. FIG. 11 shows a logical network in which the traveling direction is represented by superscripts + and −. The optical circuit has four ports, and each port has a circuit configuration that emits light toward the other three ports while receiving signals output independently from the other three ports.

光分岐回路の各ポートにおいて、ある1つのポートから受信した光信号が、他の2ポートから受信した光信号とは独立に受信できるように構成すれば、上述した分岐にともなう損失を減らすことができる。以下に示すように、各光信号の位相を考慮して、各ポートへの分配を行う。   If each port of the optical branch circuit is configured such that an optical signal received from one port can be received independently of an optical signal received from the other two ports, the loss due to the branch described above can be reduced. it can. As shown below, distribution to each port is performed in consideration of the phase of each optical signal.

最初に、各ポートの位相を、4つの数の組(すなわちベクトル)として表す。ここで、振幅は1としている。ただし、特定のポートへの光の分配がない場合は、その成分を0とする。例えば位相が、ポート1が0、ポート2がπ、ポート3がπであり、ポート4には光がないとすると、   Initially, the phase of each port is represented as a set of four numbers (ie, vectors). Here, the amplitude is 1. However, when there is no light distribution to a specific port, the component is set to zero. For example, if phase 1 is 0, port 2 is π, port 3 is π, and port 4 has no light,

Figure 2005202241
Figure 2005202241

というベクトルを考える。このような表現方法を考えると、フィールドの重なり積分はちょうどベクトルの内積として計算できるから、これを用いて所望のベクトルの組を見出せばよい。 Think of the vector Considering such a representation method, the field overlap integral can be calculated just as an inner product of vectors, and this can be used to find a desired set of vectors.

いま、1つのポートから他の2つのポートに均等に信号を分配すると仮定すると、分配する側のポートに対応する成分、すなわち互いのフィールドの重なり積分は0となり、他のポートについては絶対値が、   Assuming that a signal is evenly distributed from one port to the other two ports, the component corresponding to the distributing port, that is, the overlap integral of each other's field is 0, and the absolute value of the other port is ,

Figure 2005202241
Figure 2005202241

となるフィールドを考えればよい。各光信号の位相を、このように調整することにより全てのベクトルが互いに直交し、他のフィールドからの光信号とは、独立に各ポートが光を受けることができる。このとき、 Think of the field that becomes. By adjusting the phase of each optical signal in this way, all the vectors are orthogonal to each other, and each port can receive light independently of optical signals from other fields. At this time,

Figure 2005202241
Figure 2005202241

の組み合わせが該当する。これにより、入力側での分岐にかかる損失のみとなって、出力される光信号は1/3となり、従来の4x4メッシュ型光分岐回路と比較して、3倍の強度で光信号を受信することができる。 This combination is applicable. As a result, only the loss due to the branch on the input side is obtained, and the output optical signal becomes 1/3, and the optical signal is received with three times the intensity as compared with the conventional 4 × 4 mesh type optical branch circuit. be able to.

図12に、本発明の一実施形態にかかる3x3メッシュ型光分岐回路を示す。光分岐回路の3つのポート間は、上述した波動伝達媒体によって接続され、相互一斉配信・一斉受信が可能である。3つのポートの光回路は、直交状態が存在しないので、光信号のフィールドの重なり積分を最小にする。下記に示すように、できるだけ直交状態に近い状態を選ぶことにより、損失の少ない構成を実現することができる。ここでは、   FIG. 12 shows a 3 × 3 mesh type optical branching circuit according to an embodiment of the present invention. The three ports of the optical branch circuit are connected by the above-described wave transmission medium, and can perform simultaneous simultaneous delivery and simultaneous reception. The three-port optical circuit minimizes the overlap integral of the field of the optical signal because there is no orthogonal state. As shown below, a configuration with less loss can be realized by selecting a state as close to an orthogonal state as possible. here,

Figure 2005202241
Figure 2005202241

とする。ここで、自身のポートにも出力があるが、これは反射戻り光として取り扱うことができる。これにより、出力される光信号は4/9=3.5dBとなり、従来の3dBカプラを2つ組み合わせる場合に比べて2.5dB低い損失である。 And Here, there is an output in its own port, but this can be handled as reflected return light. As a result, the output optical signal becomes 4/9 = 3.5 dB, which is a loss of 2.5 dB compared to the case where two conventional 3 dB couplers are combined.

図13に、本発明の一実施形態にかかる3ポートタップ回路を示す。タップ回路は、光信号の一部を取り出して光強度をモニタしたり、光信号に付与されたあて先情報などをモニタするために、微弱な分岐(タップ)を必要とする場合に用いられる。光信号には方向性があるので、光ファイバを有効に活用するために、1本の光ファイバに双方向の光信号を伝送する。このとき双方向の光信号を同時タップしたい場合がある。しかし、従来の非対称分岐回路を用いて構成すると、タップされた双方向の光信号を同一のポートで処理するために、合波する必要がある。合波のために光カプラを挿入すると、3dBの損失が発生するので、本発明にかかる波動伝達媒体を用いた光回路を適用して、3dBの損失を発生させないように構成する。   FIG. 13 shows a 3-port tap circuit according to an embodiment of the present invention. The tap circuit is used when a weak branch (tap) is required in order to monitor a light intensity by extracting a part of the optical signal or monitor destination information given to the optical signal. Since the optical signal has directionality, a bidirectional optical signal is transmitted to one optical fiber in order to effectively use the optical fiber. At this time, there are cases where it is desired to simultaneously tap bidirectional optical signals. However, if the conventional asymmetric branch circuit is used, it is necessary to multiplex the tapped bidirectional optical signals in order to process them at the same port. When an optical coupler is inserted for multiplexing, a loss of 3 dB occurs. Therefore, an optical circuit using the wave transmission medium according to the present invention is applied so that a loss of 3 dB is not generated.

実施例1における図11と同様に、光信号の進行方向を添え字で示した論理ネットワーク図を図14に示す。光信号の位相状態に注目すると、反射出力強度の設定値sをポート1、ポート2ともに、   Similarly to FIG. 11 in the first embodiment, FIG. 14 shows a logical network diagram in which the traveling direction of the optical signal is indicated by a subscript. Paying attention to the phase state of the optical signal, the set value s of the reflected output intensity is set for both port 1 and port 2

Figure 2005202241
Figure 2005202241

とすればよい。ここで、入射信号の強度を1として、タップする光強度の割合(ポート1〜ポート3およびポート2〜ポート3)をタップ率tとした。sとtの関係を示した図が図15である。タップ率が10%以下の場合には、20dB以下の反射を設定すればよく、非常に弱い反射である。すなわち、光伝送システムに適用した場合でも、ほとんど主信号に影響を与えずにタップすることができ、光カプラの挿入に伴う3dBの損失を解消することができる。 And it is sufficient. Here, the intensity of the incident signal is set to 1, and the ratio of the light intensity to be tapped (port 1 to port 3 and port 2 to port 3) is defined as the tap rate t. FIG. 15 shows the relationship between s and t. When the tap rate is 10% or less, reflection of 20 dB or less may be set, which is very weak reflection. That is, even when applied to an optical transmission system, it is possible to tap with almost no influence on the main signal, and the 3 dB loss associated with the insertion of the optical coupler can be eliminated.

図16に、本発明の一実施形態にかかる4ポートタップ回路を示す。4ポートタップ回路は、対向するポート間を主ポート(ポート1〜ポート2)とし、直交するポートへの出力をタップポート(ポート3とポート4)とする。タップ回路のタップ率は、図16および17に示したように設定する。各ポートから入力された光信号の、他の3つのポートへの出力振幅を表し、全ての出力が直交するように選ぶと、   FIG. 16 shows a 4-port tap circuit according to an embodiment of the present invention. The 4-port tap circuit uses a main port (port 1 to port 2) between opposing ports, and outputs to the orthogonal ports as tap ports (port 3 and port 4). The tap rate of the tap circuit is set as shown in FIGS. It represents the output amplitude of the optical signal input from each port to the other three ports, and if all outputs are selected to be orthogonal,

Figure 2005202241
Figure 2005202241

となる。これにより、損失のない2ポートへのタップが可能となる。また、タップポートを主ポートと入れ替えて利用することもできる。特に、t=0とすると、図18に示したように、光信号の進行方向によってタップするポートが異なるタップ回路を構成することができる。 It becomes. Thereby, it is possible to tap to two ports without loss. Also, the tap port can be replaced with the main port. In particular, when t 2 = 0, tap circuits with different ports to be tapped according to the traveling direction of the optical signal can be configured as shown in FIG.

次に、波動伝達媒体と増幅素子とを組み合わせた回路について説明する。図19(a)に、3x3メッシュ型光分岐回路を示す。光分岐回路は、図12に示した光分岐回路と同様の波動伝達媒体51と、各ポートに接続された増幅素子52a〜52cとから構成される。増幅素子52は、例えば、半導体光増幅素子を適用することができる。増幅素子52の増幅率は、分岐比4/9(3.52dB)の損失を、2つの増幅素子で補うために、分岐比の逆数の平方根   Next, a circuit combining a wave transmission medium and an amplifying element will be described. FIG. 19A shows a 3 × 3 mesh type optical branch circuit. The optical branch circuit includes a wave transmission medium 51 similar to the optical branch circuit shown in FIG. 12 and amplification elements 52a to 52c connected to the respective ports. As the amplifying element 52, for example, a semiconductor optical amplifying element can be applied. The amplification factor of the amplifying element 52 is the square root of the reciprocal of the branching ratio in order to compensate the loss of the branching ratio 4/9 (3.52 dB) with the two amplifying elements.

Figure 2005202241
Figure 2005202241

(1.76dB)と、導波路の損失を加えた値である。光信号は、増幅素子52を2度通過することにより、入出力パワーが一定となる。 (1.76 dB) and the value obtained by adding the loss of the waveguide. The optical signal has a constant input / output power by passing through the amplifying element 52 twice.

図19(b)に、4x4メッシュ型光分岐回路を示す。図9に示した光分岐回路と同様の波動伝達媒体53と、各ポートに接続された増幅素子54a〜54cとから構成される。増幅素子54の増幅率は、分岐比1/3(4.8dB)の損失を、2つの増幅素子で補うために、分岐比の逆数の平方根   FIG. 19B shows a 4 × 4 mesh type optical branch circuit. It is composed of a wave transmission medium 53 similar to the optical branch circuit shown in FIG. 9 and amplification elements 54a to 54c connected to each port. The amplification factor of the amplifying element 54 is the square root of the reciprocal of the branching ratio in order to compensate for the loss of the branching ratio 1/3 (4.8 dB) with the two amplifying elements.

Figure 2005202241
Figure 2005202241

(2.4dB)と、導波路の損失を加えた値である。光信号は、増幅素子54を2度通過することにより、入出力パワーが一定となる。 (2.4 dB) and the value obtained by adding the loss of the waveguide. The optical signal has a constant input / output power by passing through the amplifying element 54 twice.

なお、タップ率tの非対称分岐比とする場合には、主信号を一定とするので、増幅率を1−tの平方根とすればよい。また、増幅素子は、必要なポートにのみ設置してもよい。本実施例によれば、増幅素子の増幅率が比較的低いので、入出力パワーが一定の安価な光分岐回路を実現することができる。   When the asymmetric branching ratio with the tap rate t is set, the main signal is kept constant, so the amplification factor may be set to the square root of 1-t. Further, the amplifying elements may be installed only at necessary ports. According to the present embodiment, since the amplification factor of the amplifying element is relatively low, an inexpensive optical branch circuit having a constant input / output power can be realized.

実施例6は、波動伝達媒体と光送受信素子とを組み合わせた回路である。図20(a)は、3x3メッシュ型光分岐回路61の1つのポートに光送受信素子62を接続した構成である。2本の光ファイバに対して、低い損失で光信号の送受信を行うことができる。図20(b)は、さらに光分岐回路61の他の2つのポートに増幅素子63a,63bを接続した構成である。2本の光ファイバにおける光信号の強度を一定に保つことができる。   Example 6 is a circuit in which a wave transmission medium and an optical transceiver are combined. FIG. 20A shows a configuration in which an optical transmission / reception element 62 is connected to one port of a 3 × 3 mesh optical branching circuit 61. Optical signals can be transmitted and received with low loss for two optical fibers. FIG. 20B further shows a configuration in which amplifying elements 63 a and 63 b are connected to the other two ports of the optical branching circuit 61. The intensity of the optical signal in the two optical fibers can be kept constant.

図21(a)は、3x3メッシュ型光分岐回路71a,72bを縦続接続し、それぞれに光送信素子72と光受信素子73とを接続した構成である。機能は、図20(a)に示した光回路に同じであり、光送信素子と光受信素子とを別個に設けた構成である。図21(b)は、光分岐回路71a,72bの残りのポートに増幅素子74a,74bを接続した構成である。   FIG. 21A shows a configuration in which 3 × 3 mesh type optical branch circuits 71a and 72b are connected in cascade, and an optical transmission element 72 and an optical reception element 73 are connected to each of them. The function is the same as that of the optical circuit shown in FIG. 20A, and the optical transmission element and the optical reception element are separately provided. FIG. 21B shows a configuration in which amplifying elements 74a and 74b are connected to the remaining ports of the optical branch circuits 71a and 72b.

図22(a)は、4x4メッシュ型光分岐回路81の対向するポートに光送信素子82と光受信素子83とを接続した構成である。2本の光ファイバに対して、低い損失で光信号の送受信を行うことができる。図22(b)は、さらに光分岐回路81の他の2つのポートに増幅素子84a,84bを接続した構成である。2本の光ファイバにおける光信号の強度を一定に保つことができる。図22(c)は、3x3メッシュ型光分岐回路81の1つのポートに光送受信素子85を接続し、残りのポートに増幅素子84a〜84cを接続した構成である。3本の光ファイバ間の光信号の強度を一定に保ちながら通信を行うことができる。   FIG. 22A shows a configuration in which an optical transmission element 82 and an optical reception element 83 are connected to opposing ports of the 4 × 4 mesh optical branch circuit 81. Optical signals can be transmitted and received with low loss for two optical fibers. FIG. 22B shows a configuration in which amplifying elements 84 a and 84 b are further connected to the other two ports of the optical branch circuit 81. The intensity of the optical signal in the two optical fibers can be kept constant. FIG. 22C shows a configuration in which the optical transmission / reception element 85 is connected to one port of the 3 × 3 mesh type optical branch circuit 81 and the amplification elements 84 a to 84 c are connected to the remaining ports. Communication can be performed while keeping the intensity of the optical signal between the three optical fibers constant.

上述した光分岐回路を用いてスター型ネットワークを構成する。図23に、NxNメッシュ型光分岐回路101の各ポートと、1心光ファイバを介して接続された端末102a〜102eとから構成されたスター型ネットワークを示す。端末102には、従来の1心型光送受信素子を内蔵する。この構成によれば、簡易な構成により、全ての端末が、相互に通信を行うことができる。   A star network is configured using the optical branch circuit described above. FIG. 23 shows a star network composed of each port of the NxN mesh type optical branch circuit 101 and terminals 102a to 102e connected via one-core optical fiber. The terminal 102 incorporates a conventional single-core type optical transceiver element. According to this configuration, all terminals can communicate with each other with a simple configuration.

図24に、不等分配スター型ネットワークを示す。図13に示したタップ回路のように、不等分配型の光分岐回路104を中心としてスター型ネットワークを構成する。主ポートには、上位のネットワーク105を接続し、従ポートに端末102を接続する。このようにして、端末のみならず、他のネットワークを接続したり、異種ネットワークを接続するための接続装置など様々なネットワーク構成要素を接続することにより、相互通信が可能な通信ネットワークを柔軟に構成することができる。   FIG. 24 shows an unequal distribution star network. Like the tap circuit shown in FIG. 13, a star network is configured around the unequal distribution type optical branch circuit 104. An upper network 105 is connected to the main port, and the terminal 102 is connected to the slave port. In this way, it is possible to flexibly configure a communication network that can communicate with each other by connecting not only terminals but also other network components such as connection devices for connecting other networks and heterogeneous networks. can do.

次に、チェイン型ネットワークについて説明する。図20(a)に示した波動伝達媒体と光送受信素子とを組み合わせた光回路を適用する。図25に示すチェイン型ネットワークは、3x3メッシュ型光分岐回路または不等分配型の光分岐回路を用いた光回路111a〜111fを縦続接続し、各光回路のポートに端末112a〜112fを接続する。両端の光ファイバには、終端器113a,113bを接続して、光信号の反射を抑制する。図20(a)に示した光回路を用いて、端末を接続することにより、簡易な構成で、ネットワークを構成することができ、全ての端末が、相互に通信を行うことができる。   Next, the chain network will be described. An optical circuit in which the wave transmission medium and the optical transmission / reception element shown in FIG. In the chain network shown in FIG. 25, optical circuits 111a to 111f using 3 × 3 mesh type optical branch circuits or unequal distribution type optical branch circuits are connected in cascade, and terminals 112a to 112f are connected to ports of the respective optical circuits. . Terminators 113a and 113b are connected to the optical fibers at both ends to suppress reflection of the optical signal. By connecting terminals using the optical circuit shown in FIG. 20A, a network can be configured with a simple configuration, and all terminals can communicate with each other.

図26に、損失補償チェイン型ネットワークを示す。図20(b)に示した波動伝達媒体と光送受信素子と増幅素子とを組み合わせた光回路を適用する。図26に示すチェイン型ネットワークは、光回路114a〜114lを縦続接続し、各光回路のポートに端末112a〜112lを接続する。両端の光ファイバには、終端器113a,113bを接続して、光信号の反射を抑制する。端末の位置によらず、光信号の強度を一定に保つことができるので、図25に示したネットワークと比較して、より大規模のネットワークを構成することができる。   FIG. 26 shows a loss compensation chain type network. The optical circuit combining the wave transmission medium, the optical transmitting / receiving element, and the amplifying element shown in FIG. 20B is applied. In the chain network shown in FIG. 26, optical circuits 114a to 114l are connected in cascade, and terminals 112a to 112l are connected to ports of the respective optical circuits. Terminators 113a and 113b are connected to the optical fibers at both ends to suppress reflection of the optical signal. Since the intensity of the optical signal can be kept constant irrespective of the position of the terminal, a larger-scale network can be configured as compared with the network shown in FIG.

最後に、図27を参照して、階層型ネットワークについて説明する。図25または図26に示したチェイン型ネットワークを、3x3メッシュ型光分岐回路121a,121bまたは4x4メッシュ型光分岐回路122により接続し、階層型ネットワークを構成する。なお、図27に示した光分岐回路は、増幅素子が接続された損失補償型の光回路である。全ての端末が、相互に通信を行うことができ、階層構造化が容易なネットワークを構築することができる。また、増幅素子を設けることにより、光信号の強度を一定に保つことができ、拡張性の高いネットワークとすることができる。   Finally, a hierarchical network will be described with reference to FIG. The chain type network shown in FIG. 25 or FIG. 26 is connected by the 3 × 3 mesh type optical branch circuits 121a and 121b or the 4 × 4 mesh type optical branch circuit 122 to form a hierarchical network. The optical branch circuit shown in FIG. 27 is a loss compensation optical circuit to which an amplifying element is connected. All terminals can communicate with each other, and a network that can be easily structured hierarchically can be constructed. Further, by providing the amplifying element, the intensity of the optical signal can be kept constant, and a highly scalable network can be obtained.

上述したNxNメッシュ型光分岐回路、スター型ネットワーク、チェイン型ネットワークなどを組み合わせることにより、図28に示したような統合型ネットワークを構築することができる。実施例7で述べたように、様々なネットワーク構成要素を、本発明にかかる光分岐回路を介して接続することにより、相互通信が可能な通信ネットワークを柔軟に構成することができる。   An integrated network as shown in FIG. 28 can be constructed by combining the above-described N × N mesh optical branch circuit, star network, chain network, and the like. As described in the seventh embodiment, by connecting various network components via the optical branch circuit according to the present invention, a communication network capable of mutual communication can be flexibly configured.

従来のY分岐回路と方向性結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional Y branch circuit and a directional coupler. 従来の1xN分岐回路とNxM方向性結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional 1xN branch circuit and a NxM directional coupler. 従来のMMI方向性結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional MMI directional coupler. 3個のY分岐回路を組み合わせた3x3メッシュ型光分岐回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 3x3 mesh type | mold optical branch circuit which combined three Y branch circuits. 4個のMMI方向性結合器を組み合わせた4x4メッシュ型光分岐回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 4x4 mesh type | mold optical branch circuit which combined four MMI directional couplers. 波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic structure of a wave transmission medium. 波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the calculation procedure for determining the spatial refractive index distribution of a wave transmission medium. 光合分波器に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す図である。It is a figure which shows the refractive index distribution of the wave transmission medium applied to an optical multiplexer / demultiplexer. 本発明の一実施形態にかかる4x4メッシュ型光分岐回路を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a 4x4 mesh type optical branch circuit according to an embodiment of the present invention. 4x4メッシュ型光分岐回路の論理ネットワークを示す図である。It is a figure which shows the logic network of a 4x4 mesh type | mold optical branch circuit. 光信号の進行方向を添え字で示した論理ネットワーク図である。It is a logical network diagram in which the traveling direction of the optical signal is indicated by a subscript. 本発明の一実施形態にかかる3x3メッシュ型光分岐回路を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a 3 × 3 mesh type optical branch circuit according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる3ポートタップ回路を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a 3 port tap circuit concerning one embodiment of the present invention. 3ポートタップ回路の論理ネットワークを示す図である。It is a figure which shows the logic network of a 3 port tap circuit. 反射出力強度の設定値とタップ率の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the setting value of reflected output intensity, and a tap rate. 本発明の一実施形態にかかる4ポートタップ回路を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a 4 port tap circuit concerning one embodiment of the present invention. 4ポートタップ回路のタップ率の設定値を示す図である。It is a figure which shows the setting value of the tap rate of a 4-port tap circuit. 光信号の進行方向によってタップするポートが異なるタップ回路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the tap circuit from which the port to tap differs according to the advancing direction of an optical signal. 波動伝達媒体と増幅素子とを組み合わせた光分岐回路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical branch circuit which combined the wave transmission medium and the amplification element. 光送受信素子を組み合わせた光回路の第1の例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of the optical circuit which combined the optical transmission / reception element. 光送受信素子を組み合わせた光回路の第2の例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of the optical circuit which combined the optical transmission / reception element. 光送受信素子を組み合わせた光回路の第3の例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd example of the optical circuit which combined the optical transmission / reception element. 光分岐回路を用いて構成されたスター型ネットワークを示す図である。It is a figure which shows the star type network comprised using the optical branch circuit. 不等分配スター型ネットワークを示す図である。It is a figure which shows an unequal distribution star type | mold network. 光分岐回路を用いて構成されたチェイン型ネットワークを示す図である。It is a figure which shows the chain type network comprised using the optical branch circuit. 損失補償チェイン型ネットワークを示す図である。It is a figure which shows a loss compensation chain type | mold network. 光分岐回路を用いて構成された階層型ネットワークを示す図である。It is a figure which shows the hierarchical network comprised using the optical branch circuit. 光分岐回路を用いて構成された統合型ネットワークを示す図である。It is a figure which shows the integrated network comprised using the optical branch circuit.

符号の説明Explanation of symbols

51,53 波動伝達媒体
52,54,63,74,84 増幅素子
61,71,121 3x3メッシュ型光分岐回路
62,85 光送受信素子
72,82 光送信素子
73,83 光受信素子
81,122 4x4メッシュ型光分岐回路
101 NxNメッシュ型光分岐回路
102,112 端末
104 不等分配型の光分岐回路
105 上位のネットワーク
111 光回路
113 終端器
51, 53 Wave transmission medium 52, 54, 63, 74, 84 Amplifying element 61, 71, 121 3x3 mesh type optical branching circuit 62, 85 Optical transmitting / receiving element 72, 82 Optical transmitting element 73, 83 Optical receiving element 81, 122 4x4 Mesh-type optical branch circuit 101 NxN mesh-type optical branch circuit 102, 112 Terminal 104 Unequally distributed optical branch circuit 105 Upper network 111 Optical circuit 113 Terminator

Claims (8)

仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、3つ以上のポートのうち1のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、2次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、
前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定されていることを特徴とする光分岐回路。
Due to the refractive index of each of the virtual pixels defined by the virtual mesh, the optical signal incident from one of the three or more ports is branched while being scattered multiple times and emitted from the other ports. An optical branching circuit comprising a waveguide circuit configured by two-dimensionally arranging a wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution determined as described above is formed,
The spatial refractive index distribution is characterized in that the phase of the optical signal at the port is set so that the optical signals emitted from the other ports are vector-orthogonal to each other. Branch circuit.
仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、3つ以上のポートのうち1のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、2次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、
前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定できない場合に、前記他のポートにおける各々の光信号のフィールドの重なり積分が最小となるように位相が設定されていることを特徴とする光分岐回路。
Due to the refractive index of each of the virtual pixels defined by the virtual mesh, the optical signal incident from one of the three or more ports is branched while being scattered multiple times and emitted from the other ports. An optical branching circuit comprising a waveguide circuit configured by two-dimensionally arranging a wave transmission medium in which a spatial refractive index distribution determined as described above is formed,
The spatial refractive index distribution is such that when the phase of the optical signal at the port cannot be set so that the optical signals emitted from the other ports are vector orthogonal to each other, An optical branching circuit characterized in that a phase is set so as to minimize the overlap integral of each optical signal field.
前記1のポートから前記他のポートへの分岐比率は、それぞれ異なることを特徴とする請求項1または2に記載の光分岐回路。   3. The optical branch circuit according to claim 1, wherein branching ratios from the one port to the other port are different from each other. 前記ポートの各々に、増幅素子が接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光分岐回路。   The optical branch circuit according to claim 1, wherein an amplification element is connected to each of the ports. 前記増幅素子の増幅率は、前記1のポートにおける光強度と前記他のポートにおける光強度とが、一定となるように設定されていることを特徴とする請求項4に記載の光分岐回路。   5. The optical branch circuit according to claim 4, wherein the amplification factor of the amplification element is set such that the light intensity at the one port and the light intensity at the other port are constant. 請求項1ないし5のいずれかに記載の光分岐回路と、
該光分岐回路の前記1のポートに接続され、前記他のポートの各々と相互に光信号の送受信を行う光送受信素子と
を備えたことを特徴とする光送受信回路。
An optical branch circuit according to any one of claims 1 to 5,
An optical transmission / reception circuit comprising: an optical transmission / reception element connected to the one port of the optical branching circuit and transmitting / receiving optical signals to / from each of the other ports.
請求項1ないし5のいずれかに記載の光分岐回路と、
該光分岐回路の各々のポートに接続されたネットワーク構成要素とを備え、
前記ネットワーク構成要素が相互に光信号の送受信を行えるように構成されことを特徴とする光ネットワーク。
An optical branch circuit according to any one of claims 1 to 5,
A network component connected to each port of the optical branch circuit,
An optical network, wherein the network components are configured to transmit and receive optical signals to and from each other.
請求項1ないし5のいずれかに記載の光分岐回路を接続した複数のネットワーク構成要素を、前記光分岐回路の1のポートの各々を接続して、縦続接続することにより構成されたことを特徴とする光ネットワーク。   A plurality of network components connected to the optical branch circuit according to any one of claims 1 to 5 are configured by connecting each of one port of the optical branch circuit and connecting them in cascade. And optical network.
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