JP2006106776A - 光学結合デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】異なる波長帯域からの入力を有する広帯域波長分割マルチプレクサ/ディマルチプレクサを提供する。
【解決手段】本発明の一実施例は、異なる波長帯域からの2個の入力信号用に2個の入力導波路102、103と、2個の入力信号からの出力WDM信号を生成するMMI導波路104と、出力WDM信号を結合するWDM出力導波路105とを有するブロードバンド波長分割マルチプレクサである。選択的事項として、出力用WDM信号を生成するために結合されない全てのパワー、あるいは一部のパワーをトラップするために少なくとも別の出力導波路106を用いる。
【選択図】図1

Description

本発明は、光学波長カプラに関し、特に広帯域波長分割マルチプレクサとディマルチプレクサに関する。
波長分割多重化(WDM)技術は、異なる波長の入力信号を組み合わせ(マルチプレクスし)、それらを同一のファイバ又は導波路に結合する。その結果得られた信号は、WDM信号と称する。異なる波長の信号をWDM信号に多重化する光学デバイスは波長分割マルチプレクサと称し、一方WDM信号を異なる波長の信号に分離するのを波長分割ディマルチプレクサと称する。用語「広帯域」とは、例えば1.3μmの波長帯域内で1.25μmから1.35μmのような広いスペクトル範囲内で多重化された多重化信号を意味する。
複数の波長帯域からの入力手段を具備する低コスト広帯域波長分割マルチプレクサとディマルチプレクサは、WDM通信システムにおいて双方向または2つの双方向送信器−受信器デバイスでアプリケーションがあり、そして異なる波長帯域を2つの伝搬方向の信号送信に用いている。これらは別の波長で容量を増やすための別の波長を追加するために用いられ、多くの他のアプリケーションで用いることができる。
一般的にコストを低減するための一つの方法は、広帯域波長分割マルチプレクサ又はディマルチプレクサのサイズを小さくすることである。別の方法は、レーザや光検出器のような他の光学デバイスをモノリシックに集積する広帯域波長分割マルチプレクサ/ディマルチプレクサを設計することである。モノリシックな集積化がコストをさげる理由は、製造及び保守コストが通常安くなるからである。
”Low−Loss 1X2 Multimode Interference Wevelength Demultiplexer in Silicon−Germanium Alloy”,IEEE Photonics Technology Letters,Vo1.11.No5,May 1999,pp.575−577,by Li et al,の文献においては、シリコンベースのデバイスとモノリシックに集積することのできるマルチモード干渉(multi-mode(登録商標) interference:MMI)原理を波長分割ディマルチプレクサに適用することを提案している。MMI原理は、自己画像化原理(self-imaging principle)に基づいており、この原理では、MMI導波路への入力信号は、MMI導波路の伝搬方向に沿って周期的間隔で単一又は複数のイメージが再生される。ところが、このディマルチプレクサのMMI導波路の長さは約2600μmもある。
Li et al.,"Low−Loss 1X2 Multimode Interference Wevelength Demultiplexer in Silicon−Germanium Alloy",IEEE Photonics Technology Letters,Vo1.11.No5,May 1999,pp.575−577.
本発明によれば、異なる波長帯域からの入力を有する広帯域波長分割マルチプレクサで用いられるMMI導波路の長さを2600μmよりも短くすることができる。
2600μmよりも短いデバイスでもって、同じ多重化/分離化を行なうことのできるマルチプレクサは、InGaAsP/InPとsilica on silicon等他の多くの材料で実現することができる。
本発明は、一つの波長帯域に対しては完全な多重化/分離化を行なうことができ、他の波長帯域に対しては少なくとも部分的な多重化/分離化を行なうことのできる小型の波長マルチプレクサ(多重化装置)/ディマルチプレクサ(分離化装置)である。部分的な多重化/分離化は重要なステップであるが、その理由は完全な多重化/分離化を行なうことのできるデバイスと比較すると、MMIの波長分割マルチプレクサ/ディマルチプレクサの寸法を大幅に減らすことができるからである。
本発明の一実施例は、異なる波長帯域からの2つの入力信号用の2個の入力導波路と、2つの入力信号からの出力WDM信号を生成するMMI導波路と、出力WDM信号を結合するWDM出力導波路とを有する広帯域波長分割マルチプレクサである。選択的事項として、出力用WDM信号を生成するために結合されない全てのパワーあるいは一部のパワーをトラップするために少なくとも別の出力導波路を用いることができる。
本発明の他の実施例は、2個の波長帯域の入力WDM信号の波長を分離する広帯域波長分割ディマルチプレクサである。本発明の広帯域波長分割ディマルチプレクサは、1個の入力導波路と、2個の出力信号を生成するMMI導波路と、2個の出力信号を与える2個の出力導波路とを有する。MMI導波路は、2個の波長帯域の内の一方の波長帯域からのパワーを結合するが、他方の波長帯域からのパワーは結合せずに、一方の波長帯域において2個の出力信号のうちの一方の出力信号を生成する。
マルチプレクサ/ディマルチプレクサな動作は、同一のデバイス内で実現することができる。
本発明のマルチプレクサ半導体による構造を図1に示す。(同一のデバイスを明細書の後半部分では、ディマルチプレクサとして用いている)。マルチプレクサ100は、低屈折率のクラッド材料101により包囲されている。マルチプレクサ100は、入力導波路102,103とマルチモード干渉(MMI)導波路104と、出力導波路105、106とを有する。出力導波路106は選択的(その有有り無しを問わない)である、この構造においてクラッド材料は、InPであり、マルチプレクサ100のガイド層(導波路)の材料は、InGaAsPでバンドギャップは1.2μm(4元の1.2μm材料とも称する)。
マルチプレクサ100は、2つの入力信号から出力導波路105で出力用WDM信号(図示せず)を生成し、2つの信号の内の信号1は、入力導波路102に加えられる波長1.3μmの信号で、信号2は、入力導波路103に加えられる波長1.55μmの信号である。マルチモード干渉(MMI)導波路は、長さLと幅Wを有する。MMI導波路の長さと幅は、それぞれ信号の伝搬方向と横断方向について測定したものである。マルチモード干渉(MMI)導波路の伝搬方向とは、MMI導波路の入力側から出力側へ向かう方向であり、横断方向とは伝搬方向に直交する方向である。波長λについてMMI導波路の等価幅Weq(λ)は、MMI導波路の幅Wに対応するが、周囲の材料への透過も考慮に入れている。
本発明によれば、入力導波路102,103は、マルチモード干渉(MMI)導波路のそれぞれの近い側面から入力導波路の中心方向に向かってWeq/5だけ離れた位置にある。出力用WDM信号の出力導波路105は、マルチモード干渉(MMI)導波路の上側(近い側面)から出力導波路105の中心方向に向かってWeq/5だけ離れた位置にある。選択的事項としての出力導波路106は、マルチモード干渉(MMI)導波路の図1において、下側(近い側面)から出力導波路106の中心即ちマルチモード干渉(MMI)導波路の外側の端部がマルチモード干渉(MMI)導波路の底部に伸び交差する点に向かって2Weq/5の場所にある。
この実施例においては、W=6μm、Weq=6.6μm、L=420μm、である。Weqは1.3μm光と1.55μm光に対し得られた等価の幅Weqの平均値である。このようなパラメータのマルチプレクサ100は、信号1(1.3μm)の全パワーと、信号2(1.55μm)の約70%のパワーを結合して出力導波路105に出力用WDM信号を生成する。言い換えると、信号1,2に対しマルチプレクサ100の効率は、それぞれ100%と70%である。出力導波路106は、出力導波路105の端部方向に伸びて信号2(1.55μm)の残りのパワー(30%)を捕獲する。
2個の入力信号内の少なくとも一方の信号からの部分パワーを結合するマルチプレクサを設計する方法を図1のマルチプレクサを用いて次に説明する。この方法を図2に示す。ステップ210で、2個の波長帯域が選択される。例えば1.3μmの帯域と1.55μmの帯域が選択される。ステップ220で、2個の入力信号、帯域1,2から信号1,2を選択する。2個の入力信号(信号1,2)は、2個の波長帯域(ステップ210から選択された波長帯域の別々の帯域からのもの)から選択される。例えば信号1,2は、それぞれの帯域から選択された波長1.3μmと1.55μmの単一の波長信号である。(各入力信号は、選択された波長帯域の別々の帯域からのWDM信号でもある)。ステップ230において、MMI導波路の幅Wが選択される。例えばWは6μmであるが、2個の入力導波路の幅を加えたものよりも大きな幅を有することも可能である。ステップ240において、MMI導波路の入力側にある2個の入力導波路の最初の横方向の位置が選択される。例えば導波路入力導波路102,103は、マルチモード干渉(MMI)導波路のそれぞれの近接側からWeq/5、すなわち1.32μmだけ離れた位置に配置される。ステップ250において、MMI導波路の最初にシュミレーション長さが選択される。実際の長さがステップ270で決定される。例えば420μmのシュミレーション長さが選択される。ステップ260において、ビーム伝搬シュミレーションが各入力信号に対し実行される。ビーム伝搬シュミレーション技術は、当技術分野において公知であり詳細な説明は割愛する。入力信号が波長帯域からのWDM信号である場合には、その波長帯域の平均波長がシュミレーションで用いられる。
この実施例においては、ビーム伝搬シュミレーションの結果を信号1(1.3μm)に対しては図3Aに、信号2(1.55μm)に対しては図3Bに示す。最後にステップ270において、2回のビーム伝搬シュミレーションの結果を調べて、MMI導波路の実際の長さと出力導波路の横方向の位置を決定する。信号1,2からそれぞれの少なくとも第1と第2の所定の割合のパワーを含むWDM信号信号が生成される。その場所では基準を満たす出力用WDM信号を生成することができないと見いだされた場合には、MMI導波路のシュミレーション長さを増加させるか、あるいは各入力導波路の横方向の位置をシフトする。最後の2つのステップ260と270を繰り返す。
図3には、信号1,2に対するビーム伝搬シュミレーションの結果を示す。x軸とz軸は、それぞれマルチモード干渉導波路の幅と長さを示す。各グレー(灰色)スポットは入力信号のパワーを表す。スポットが黒くなるとより大きなパワーが現れていることを示す。例えば図3Bにおいては、矢印350により示されたグレースポットは、矢印360で示されたグレースポットよりも多くのパワーを有する。ある長さの交差部分(z軸方向)において、1個のグレースポットしか存在しない場合には、グレースポット(高いパワーゆえにきわめて暗く現れる)は、入力信号のパワーの100%を表している。複数のグレースポットがある場合には、それぞれ入力信号の一部のパワーのみを表す。特定の場所でのグレースポットから出力導波路への光の結合効率を大まかに予測できる。上記の方法は出力導波路がそのスポットにおける光の全てのモードを搬送することが可能であるという仮定に基づいている。従来公知のモードとは、導波路に沿って伝搬する光の波に現われる安定したパターンであるが詳細な説明は割愛する。
出力導波路が一部のモードのみを搬送する場合には、出力WDM信号のパワーは残りのモードのパワーにより低減する。より正確な予測値を得るためには、シュミレーションプログラムからデータを得て、グレースポットの全パワーとそのグレースポットにある光の各モードのパワーの値を得る。信号1,2の好ましい第1と第2の所定の結合効率は、それぞれ100%と50%である。他の選択、例えば両方に対し50%とすることもこの方法で可能である。選択された位置が少なくとも入力信号からの部分的パワーを含むようなWDM信号を生成しなければならない。
この実施例においては、信号1,2のそれぞれに対する所定の第1と第2の結合効率は100%と50%である。図3Aから420μmの長さの点の断面(点線310で示す)においては、グレースポットは1個のみでありそれも左側にある。かくしてこのグレースポットは、信号1(1.3μm)からの全パワーを表し、その位置は出力導波路の候補位置である。信号2(1.55μm)に対する図3Bの候補位置(点線330の左)を調べると、断面には複数のグレースポットがあるが、候補位置上のグレースポット(矢印350で示す)がもっとも高い強度を表している。その断面位置において、候補位置にあるグレースポットの強度と幅及び他のグレースポットを考慮すると、候補位置のグレースポットのパワーは、信号2のパワーの約70%を表していると予測される。かくしてこの位置が各入力信号からの選択されたパワー範囲内のパワーを含む出力WDM信号を生成し(ステップ230)、かくして出力導波路の配置場所として選択される。出力導波路の中心を見いだすために、2回のシュミレーションの結果を重ね合わせ、信号1に対する選択されたグレースポットの重なり合った領域の中心と、信号2に対するそれとの位置を見いだす。
この実施例においては、中心はMMI導波路の左側からWeq/5、すなわち1.3μmの場所にあることが分かる。この方法を繰り返す。この実施例において、結果として得られた選択された初期のシュミレーション長さは、MMI導波路の実際の長さである。他の場合には、所望の結合効率を満足する位置が見いだされない場合には、MMI導波路のシュミレーション長さを増加させて、ステップ260と270を繰り返す。このプロセスは選択された結合効率に合う位置が見いだされるまで繰り返される。
同様にこの実施例においては、出力導波路106の位置はマルチモード干渉(MMI)導波路の他の側から2Weq/5、すなわち2.64μmの位置にある。この位置は残りのパワーの拡散の中心点である。複数の出力導波路を用いて、一方の信号、あるいは両方の信号の残りのパワーを捕獲することもできる。本発明の原理は、3個以上の波長帯域からの信号を有する3本以上の入力導波路にまで拡張することもできる。矩形以外の形状、例えばパラボラ形状、円形形状等のMMI導波路にまで本発明の原理を拡張することができる。
上記に説明した方法を用いて、出力WDM信号を生成するために他の多くの点を選択することができる。例えば信号2(1.55μm)からの全パワーと、信号1(1.3μm)からの部分パワーが出力WDM信号で必要とされる場合には、マルチモード干渉(MMI)導波路104は、図3Bに示すように約360μmである。その理由は、信号2に対するその断面では1個のグレーポイントのみ(点線340で示す)があり、図3Aの同じ場所(点線320の右側)には信号1に対し高い強度のグレースポットがあるからである。かくして信号1の部分パワーと信号2からの全パワーが結合されて、その位置において必要とされる出力WDM信号が生成され、次に出力WDM信号が出力導波路106で生成される。この場合信号1の残りのパワーの一部が出力導波路105でトラップされる。
本発明の他の利点は入力信号は単一波長かあるいはWDM信号のいずれかとなりうる点である。入力信号は、波長が同一の波長帯域からのものである限りWDM信号である。図4は2個の波長帯域1.3μmと1.55μmの内の別々の波長帯域からの2個のWDM信号をマルチプレクサ100がサポートできることを示すが、その理由は、伝送レベルがこれは2つの波長帯域ではきわめてフラットだからである。さらにまた入力点あるいは出力点における多重化信号は、基本モード信号であり、より高次元のモード(マルチモード信号)を含む。
上記したように図1のマルチプレクサは、ディマルチプレクサとしても用いることができる。図5は、同一のデバイスをディマルチプレクサとマルチプレクサの両方として用いている図である。図5(a)に示すように、ディマルチプレクサとして用いられるデバイス500の入力信号が入力導波路503に印加される。図5(a)において入力信号は、2個の異なる波長帯域からの波長λとλのWDM信号である。デバイスをディマルチプレクサとして用いる場合には、入力導波路502の使用は選択的であり、実際にはデバイスに含める必要はない。ディマルチプレクサとして用いたデバイス500は、2個の出力信号を生成し、一方の出力信号は出力導波路505の単一の帯域幅(λ)の信号であり、他方の出力信号は出力導波路506の両方の波長帯域(λとλ)のものである。図5(a)において、入力WDM信号の波長λからのパワーのy%と、入力WDM信号の波長λのゼロのパワーが出力導波路505で生成される出力信号に寄与し、WDM信号の波長λからのパワーのx%と入力WDM信号の波長λからのパワーの(100−y)%が出力導波路506で生成される出力信号に寄与する。
従来のスプリッタとは異なり、本発明のディマルチプレクサは、入力WDM信号の全波長からパワーの一部を抽出することはない。かくして本発明のディマルチプレクサは、光学ネットワークのあるノードにおける入力WDM信号の特定の波長により搬送されるマルチキャストメッセージを抽出するのに用いることができ、同時にまた別の多重化ステップを介して流れることなく同一のWDM信号により下流側ノードにマルチキャストメッセージを流すこともできる。本発明の原理は3個以上の波長帯域幅の入力WDM信号にも拡張可能である。
図5(b)は、同一のデバイスをマルチプレクサとして用いた場合を示している。同図において、それぞれ波長λ,λの2個の入力信号が、入力導波路502と503に加えられる。デバイス500がマルチプレクサとして用いられた場合には、MMI導波路504は、2個の出力信号をそれぞれ出力導波路505と506に生成する。出力導波路505で生成された出力信号は、波長λの入力信号からのx%のパワーと、波長λの入力信号からのy%のパワーを有する。出力導波路506で生成された他の出力信号は、それぞれの入力信号λとλから(100−x)%のパワーと、(100−y)%のパワーを有する。
図5に示したディマルチプレクサを設計するためには、まず波長λとλの入力信号に対しそれぞれの最小結合効率と最大結合効率を選択するために、割合(パーセンテージ)xとyを用いて図2に説明した方法に従って図5(b)のマルチプレクサを設計する。その設計方法は前述したとおりでここでは繰り返さない。
本明細書に開示した以外の広帯域MMI光学マルチプレクサ/ディマルチプレクサを、本発明を用いて実行することができる。様々な変形例が可能である。例えば図1において、マルチプレクサのガイド層に用いられる材料系は半導体化合物(例えばInP、GaAs、三元化合物半導体、四元化合物半導体、例えばInGaAsP五元半導体化合物、例えばInGaAsPN)、プラスチック材料、ガラス(シリカ、シリコン、窒化シリコン)、セラミックス、三次元の帯域ギャップ材料、あるいは他の多くの材料で形成することができる。クラッド層の材料は屈折率がガイド層の屈折率よりも低い限り、どのような材料も用いることができる。MMI導波路に対する入力ガイドと出力ガイドの部分は、上記の説明とは異なってもよい。上記の説明は本発明の一実施例であり当業者は上記の記載に基づいて様々な変形例を実行することができる。特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易なる理解のためで、権利範囲の解釈に用いるべきではない。
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
本発明による広帯域波長分割マルチプレクサ/ディマルチプレクサの断面図。 本発明による広帯域波長分割マルチプレクサを設計する方法を表すフローチャート図。 図1の広帯域波長分割マルチプレクサのビーム伝搬シュミレーションの結果を表す図。 図1の広帯域波長分割マルチプレクサの各入力導波路からの入力信号の相対的出力パワーを表す図。 同一のデバイスを広帯域波長分割ディマルチプレクサとマルチプレクサとして2個の出力ポート間の信号パワーの分布を表さ図。
符号の説明
100 マルチプレクサ
101 クラッド材料
102、103 入力導波路
104 マルチ−モード干渉(MMI導波路)
105、106 出力導波路
210 2個の波長帯域、帯域1、2を選択する
220 2個の入力信号、帯域1、2から信号1,2を選択する
230 MMI導波路の幅を選択する
240 入力信号用の各入力導波路に対しMMI導波路の入力側の最初の横位置を選択する
250 MMI導波路用の最初の長さを選択する
260 各入力信号に対するビーム伝搬シュミレーションを実行する
270 出力導波路の位置とMMI導波路の長さを決定するためにビーム伝搬シュミレーションの結果を調べる。出力WDM信号は信号1と2に対しそれぞれ少なくとも第1と第2の所定の結合効率を含み、1個の入力信号の結合効率は100%未満であり、出力WDM信号を生成する位置が見いだされない場合には各入力導波路の最初の長さ/又は側面位置のシフトを増加させる。そして最後の2個のステップを繰り返す。
500 デバイス
502、503 入力導波路
505、506 出力導波路
504 MMI導波路

Claims (6)

  1. 第1波長帯域からの第1入力信号と第2波長帯域からの第2入力信号とを結合する光学デバイスにおいて、
    (a) 入力側と出力側とを有するマルチモード干渉導波路と、
    (b) 前記マルチモード干渉導波路の入力側に接続された、それぞれの入力信号に対する第1と第2の入力導波路と、
    (c) 前記マルチモード干渉導波路の出力側に接続された第1の出力導波路とを有し、
    前記マルチモード干渉導波路は、第1出力導波路において出力波長分割多重化(WDM)信号を生成し、
    前記出力WDM信号は、実質的に前記第1入力信号の全パワーと、前記第2入力信号のパワーの一部のみとを含み、
    前記第1の入力導波路、前記第2の入力導波路及び前記第1の出力導波路の位置は、前記マルチモード干渉導波路のそれぞれの近い側面から所定の距離だけ離れた位置にあり、前記所定の距離は、(a)前記第1入力信号の中心波長、(b)前記マルチモード干渉導波路の幾何学的な幅、及び(c)前記マルチモード干渉導波路の周囲の材料への前記第1入力信号の透過に基づくことを特徴とする光学デバイス。
  2. 前記出力WDM信号を生成するために結合されなかった、前記第1入力信号及び前記第2入力信号の全てのパワー又は一部のパワーをトラップする少なくとも第2の出力導波路をさらに有することを特徴とする請求項1記載のデバイス。
  3. 前記第1入力信号は単一波長の信号であり、前記第2入力信号はWDM信号であることを特徴とする請求項1記載のデバイス。
  4. 前記マルチモード干渉導波路は矩形形状であることを特徴とする請求項1記載のデバイス。
  5. 前記第1入力信号の前記中心波長は1.3μmであることを特徴とする請求項1記載のデバイス。
  6. 前記第1波長帯域は1.3μm帯であり、前記第2波長帯域は1.55μm帯である請求項1記載のデバイス。
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