JP2006243734A - 積層プレーナ導波回路を使用した波長選択スイッチおよび集積波長デマルチプレクサ - Google Patents

Abstract

【課題】光信号をアド・ポートから出力側ファイバへとルーティングする際に受ける損失を低減する。
【解決手段】マルチプレクサまたはデマルチプレクサ機能を組み込んだ波長選択スイッチ（ＷＳＳ）は、１つを除く全てのＰＬＣが、自由空間領域に接続され、かつレンズの前部焦点面に配置されたＰＬＣの端面で終端する導波路配列に更に接続され、レンズの後部焦点面でスペクトル分解された光信号を発生する、単一の導波路からなる同一の機能を有する積層されたプレーナ導波回路（ＰＬＣ）を含んでいる。単一のレンズを使用することにより、全てのＰＬＣのスペクトル分解された光信号は重ね合わされ、伝播方向だけが異なっている。後部焦点面の傾動マイクロ・ミラー配列はスペクトル成分を反射し、波長選択スイッチを実装する。反射された光線を多重化のための残りのＰＬＣのいずれか、またはマルチプレクサ／デマルチプレクサを実装する積層内の異なるＰＬＣへと結合可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は波長分割多重化光ネットワーク・コンポーネントに関し、特にチャネルをルーティングするための波長選択スイッチおよびプレーナ光波回路の積層配列内でのチャネル・アド／ドロップ機能のためのデマルチプレクサに関する。

光ネットワークはメッシュ・アーキテクチャの方向に進展している。光メッシュ・ネットワークでは、ネットワークの空間配列はノードと相互接続リンクとから成っている。光ファイバ・リンク上でのトラヒックはリンク上の容量を高めるために波長分割多重化（ＷＤＭ）を利用する。ネットワーク・ノードでは、入力側ファイバ上のチャネルが後続のネットワーク・ノードに転送するために出力側ファイバへとルーティングされるか、搬送される情報をローカルに利用するためにチャネルがノードで終端される。ノードでこの機能を実施するためのハードウエアは、光−電子−光変換を必要とする電子スイッチ機構に基づくものでもよく、または全体が光学式に実装されてもよい。後者のアプローチは、コスト、電力消費、および必要空間が節減されるため有利である。

図１は従来のネットワーク・ノードのアーキテクチャ１００を示している。入力側ファイバ１０２（複数の入力側ファイバの１つで、残りは図示せず）は逆多重化式波長選択スイッチ（ＷＳＳ）１１０の入力ポート１０６に接続している。ノードのその他の複数の入力側ファイバ（図１には図示せず）は各々、他の逆多重化方式のＷＳＳ（これも図示せず）に接続されている。ＷＳＳ１１０は単一の入力ポート１０６と複数の出力ポート１１４−Ａ乃至１１４−Ｄとを有している。ＷＳＳ１１０はＷＤＭチャネルを独立的で再構成可能な態様で出力ポート１１４−Ａ乃至１１４−Ｄのいずれか１つにルーティングすることが可能である。図１に示されたネットワーク・ノード・アーキテクチャでは、入力側ファイバ１０２から出力側ファイバ１２６へと進むようになっているチャネルはＷＳＳ１１０によって出力ポート１１４−Ｃへとルーティングされる。出力ポート１１４−Ｃは多重化型ＷＳＳ１２０の入力ポート１１６−Ｃに接続されている。ＷＳＳ１２０は複数の入力ポート１１６−Ａ乃至１１６−Ｄと、単一の出力ポート１２２とを有している。ＷＳＳ１２０はどのＷＤＭチャネルをも独立的で再構成可能な態様で入力ポート１１６−Ａ乃至１１６−Ｄのいずれか１つから出力ポート１２２へとルーティングすることができる。したがって、入力側ファイバ１０２から出力側ファイバ１２６へと進むようになっているチャネルはＷＳＳ１１０によって出力ポート１１４−Ｃへとルーティングされ、更にＷＳＳ１２０によって、出力側ファイバ１２６に接続された出力ポート１２２にルーティングされる。図１に示されているネットワーク・ノードは典型的には、この図には図示されていない追加の出力側ファイバを有していよう。ノードのその他の複数の出力側ファイバ（図１には図示せず）は、各々が典型的には他の多重化型ＷＳＳ（これも図示せず）の出力に接続されている。ＷＳＳ１１０の出力ポート１１４−Ａおよび１１４−Ｂは各々、チャネルを入力側ファイバ１０２から他の入力側ファイバへとルーティングするために上記のような他のＷＳＳの１つの入力ポートに接続されている。入力ファイバ１０２からノードでローカルに使用されるようになっているチャネルはＷＳＳ１１０によって、デマルチプレクサ１３０の入力に接続された出力ポート１１４−Ｄへとルーティングされる。デマルチプレクサ１３０はＷＤＭチャネルを出力ポート１３４−Ａ乃至１３４−Ｎへと受動的に分離し、分離されたチャネルはそこで光電子手段によって検出されることが可能である。類似した態様で、出力側ファイバ１２６に伝送されるようにこのネットワーク・ノードで追加されたチャネルはマルチプレクサ１４０のポート１３６−Ａ乃至１３６−Ｎに接続され、マルチプレクサ１４０の出力１４２は多重化型ＷＳＳ１２０の入力ポート１１５−Ｄに接続されている。ＷＳＳ１２０は追加チャネルを入力ポート１１６−Ｄから、出力側ファイバ１２６に接続された出力１２２へとルーティングする。

個別部品の数を減らし、光信号を入力側ファイバからドロップ・ポートへとルーティングする際、および光信号をアド・ポートから出力側ファイバへとルーティングする際に従来は受ける損失を低減する方法および装置が必要である。

簡潔に述べると、本発明は、プレーナ導波回路（ＰＬＣ）の積層配列と、ＰＬＣの間の自由空間切り換へとに基づく組込み型デマルチプレクサ／デマルチプレクサを有する波長選択スイッチを含んでいる。本発明の様々な実施形態は光ＷＤＭチャネルを多重化された入力／出力ポート間で、また逆多重化されたポートへと切り換え可能である。

従来のアーキテクチャ１００からの改良が図２に示されているアーキテクチャ２００である。アーキテクチャ１００と２００との相違は従来の逆多重化型ＷＳＳ１１０に対する新規の逆多重化型ＷＳＳ２１０、および従来の多重化型ＷＳＳ１２０に対する新規の多重化型ＷＳＳ２２０の機能にある。アーキテクチャ２００では、従来はデマルチプレクサ１３０によって実行された逆多重化機能がＷＳＳ２１０に組み込まれた。同様に、従来マルチプレクサ１４０によって実行された多重化機能がＷＳＳ２２０に組み込まれた。本発明によるアーキテクチャ２００はアーキテクチャ１００よりも素子が少なく、また部品数が減少し、入力側ファイバ１０２からドロップ・ポート１３４−Ａ乃至１３４−Ｎへの、またアド・ポート１３６−Ａ乃至１３６−Ｎから出力側ファイバ１２６へのルーティング損が少ない。

一般に、本発明の実施形態はプレーナ導波回路（ＰＬＣ）の積層配列と、ＰＬＣの間の自由空間切り換えとに基づく組込み型マルチプレクサ／デマルチプレクサを有する波長選択スイッチを提供する。本発明の様々な実施形態は光ＷＤＭチャネルを多重化された入力／出力ポート間で、また逆多重化されたポートへと切り換え可能である。

本発明によれば、積層内のＰＬＣは異なる機能性を有している。より具体的には、積層内の１つを除く全てのＰＬＣは、各々が自由空間領域に接続され、更にＰＬＣ端面で終端する導波路配列接続された１つまたは複数の導波路を含むほぼ同一の機能を有している。ＰＬＣの端面は、レンズの後部焦点面でスペクトル分解された光信号を発生することによって空間フーリエ変換を実施するように動作可能なレンズの前部焦点面に配置される。ＰＬＣ配列の全ての端面を空間フーリエ変換するために単一のレンズを使用するため、配列内の全てのＰＬＣのスペクトル分解された光信号は互いに重ね合わされ、伝播方向だけが異なっている。傾動マイクロ・ミラー配列はスペクトル成分を反射するために後部焦点面に配置されてもよく、波長選択スイッチを実装する。反射光線はそこでチャネルが多重化される残りのＰＬＣのいずれかに、または積層内の異なるＰＬＣに結合可能である。マルチプレクサ／デマルチプレクサを実装する積層内の異なるＰＬＣはこれも端面で終端する導波路配列を有しているが、このＰＬＣはチャネルを単一の導波路へと多重化するのではなく、チャネルを逆多重化された個々の導波路に分離する。異なるＰＬＣのその他の態様は、逆多重化された出力チャネルに必要な通過帯域特性を備えるように設計された配列導波路格子と自由空間領域とを有している。

本明細書で言及される「一実施形態」、「実施形態」または同様の表現は実施形態に関連して記載される特定の機能、構造、動作または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書におけるこのような語句または表現は必ずしも全て同じ実施形態に言及するものではない。更に、様々な特定の機能、構造、動作または特性をいずれか適当な態様で１つまたは複数の実施形態に組み合せてもよい。

本明細書で使用される「ほぼ同一の」という表現は特に断りがない限り、言及された品目が同一ではあるが、このような品目を構成するために必要な様々な動作の製造公差によりやや異なる場合があることを意味するものである。

ＷＳＳは様々な方法で構成可能である。ＷＳＳ３００を実装するための１つの可能な従来の方法は、図３に示されるようにプレーナ導波回路（ＰＬＣ）の積層と自由空間光学系とを組み合せるものである。積層内の各ＰＬＣ３５０はＷＤＭ多重化チャネル用の共通の導波路と、自由空間領域と、端面で終端する配列された導波路格子（ＡＷＧ）とを有している。逆多重化型ＷＳＳの一実施形態では、ＷＳＳ入力ポート１０２は積層内の上部ＰＬＣに取り付けられる。光線はＰＬＣ上でＡＷＧの端面に案内され、外に放射する。レンズ３６０は空間フーリエ変換を行い、その結果、レンズの後部焦点面でＷＤＭチャネルの空間的分離がなされる。反射角を変更可能な反射面を備えるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）またはその他の技術、すなわちミラー配列３７０−Ａ乃至３７０−Ｎは各々傾動して反射光線を所望の方向に伝播させることができる。配列内の各ミラーは特定の波長チャネルに割り当てられる。各ミラー、または各チャネルからの反射光線はレンズ３６０を通して逆伝播され、積層内の異なるＰＬＣの端面へと入射する。光線はＰＬＣに結合し、単一の導波路へと伝播して、そこでチャネルが多重化され、出力ポート・ファイバ１１４−Ａ乃至１１４−Ｄに接続される。ＷＳＳ３００内では、全てのＰＬＣは同一またはほぼ同一であり、多重化された入力信号用にＡＷＧの端面で角分散を生ずる役割を果たす。光線がＰＬＣに逆伝播すると、ＡＷＧは角分散を受け、信号は出力導波路へと多重化される。

本発明の一実施形態では、逆多重化機能がＷＳＳに追加される。本発明のいくつかの実施形態では、追加されたこの機能は積層内のほぼ同一のＰＬＣの１つを異なるＰＬＣに置き換えることによって達成される。ＰＬＣ４００はこのような異なるＰＬＣの実施形態を示している。逆多重化機能用に、デマルチプレクサに向けられる予定の光線は、前述のＰＬＣの場合のように先ずＡＷＧの端面へと入射される。光線は角拡散を受けるＡＷＧ４１０を横切り、自由空間領域４２０を通過し、光線は全てのチャネルが多重化される単一の導波路４３０に結合する。ＡＷＧ４１０、自由空間領域４２０、および単一の導波路４３０は全て積層内の残りのＰＬＣと対応する。ＰＬＣ４００内で、単一の導波路４３０は第２自由空間領域４４０、第２ＡＷＧ４５０、第３自由空間領域４６０および、チャネルが逆多重化されるこの導波路１３４−Ａ乃至１３４−Ｎに結合する。チャネルを光電子検出器へと搬送するためにファイバ配列を出力導波路に取り付けることができる。２つの自由空間領域４４０および４６０と相互接続ＡＷＧ４５０は従来のＰＬＣをベースにしたデマルチプレクサを構成し、これはこの場合は逆多重化される予定のチャネルを多重化する役割を果たすＡＷＧ４１０および自由空間領域４２０の近傍に実装されている。ＡＷＧ４１０および４５０は、各々が特定のタスク向けに最適化されているので異なる特性を有している。ＡＷＧ４１０は高い分解能を呈するので、ＷＤＭチャネルは個々のＭＥＭＳマイクロ・ミラー上に充分に閉じ込められる。ＡＷＧ４５０の分解能はそれよりも低いので、ＷＤＭチャネルは逆多重化された出力ファイバに結合されると所望の通過帯域特性を呈する。

別の構成では、本発明によるＷＳＳは水平に切り換るように構成することも可能であり、その場合は配列されたいくつかの導波路格子を有する単一のＰＬＣが存在することに留意されたい。言い換えると、このような実施形態ではＰＬＣの積層はないであろう。

図５を参照すると、ＰＬＣ５００は異なるＰＬＣの実施形態を示している。単一のＡＷＧ５１０は自由空間領域５２０と個々の導波路１３４−Ａ乃至１３４−Ｎとに接続し、そこでチャネルが逆多重化される。ＡＷＧ５１０はＰＬＣ４００内の双方のＡＷＧ４１０および４５０の双方と異なっている。ＡＷＧ５１０はＡＷＧ４１０マイナスＡＷＧ４５０に相当する。言い換えると、これは積層内の他のＰＬＣの１つからＡＷＧ４１０によってなされる角分散を低減するので、残余の角分散は逆多重化された出力ファイバに結合されると所望の通過帯域特性を呈する。

ここで図面を参照してＡＷＧの設計をより詳細に説明する。単一出力型のＡＷＧ（３５０型）が格子次数Ａを有するものとする。積層内の３５０型の全てのＡＷＧは格子次数Ａを有している。ＡＷＧ５１０型は格子次数Ｂ＜Ａを有していなければならない。典型的な分解能はＢ＝Ａ／２であろう。他のＡＷＧパラメータは、アーム総数および端面での導波路ピッチを含め双方の型と同一であろう。

デバイスの動作を理解するための他の方法は自由空間光学系によって像の反転が生ずることである。例えば、光線が第１ＰＬＣを出射して、ミラーから第２のＰＬＣへと方向転換されるものと仮定する。第１のＰＬＣ内の最短の格子アーム内の光線は第２のＰＬＣ内の最長アームへと写像され、同様に、第１のＰＬＣ内の最長の格子アーム内の光線は第２のＰＬＣ内の最短アームへと写像される。これは、光線が受ける正味の格子次数はＡ_１−Ａ_２であることを意味しており、但しＡ_１およびＡ_２はそれぞれ第１ＰＬＣと第２ＰＬＣ内での格子次数である。ＷＳＳ入力および出力として機能するＰＬＣはＡ_１＝Ａ_２を有しており、したがって正味の格子次数はゼロであり、逆／多重化は生じない。しかし、ＷＳＳ入力／出力型ＰＬＣから逆多重化ＰＬＣに移行すると、Ａ_１はＡ_２と等しくなく、逆／多重化が生ずる。

追加チャネル用のマルチプレクサを有する多重化型ＷＳＳは、受動光学素子を通る光線の伝播の性質が逆であるため、デマルチプレクサを有する逆多重化型ＷＳＳと同じ素子から構成されることが本明細書の開示による恩恵に浴する当業者には理解されよう。マルチプレクサを有する多重化型ＷＳＳにおいて、追加されたチャネルは個々の導波路１３４−Ａ乃至１３４−Ｎで投入される。光線はＰＬＣを通って端面へと伝播し、そこでＭＥＭＳマイクロ・ミラーへと放射し、これはチャネルを、ＰＬＣの出力ポートへと多重化するＰＬＣへと向ける。

更に、ＰＬＣをベースにした格子は温度依存性を有している。それによってスペクトル応答は温度と共に変動する。したがって、通常、ＰＬＣは一定の温度に保たれる。それによってかなりの電力を消費し、ウォームアップ時間と別の電子素子が必要になる。解決方法の１つはＰＬＣの温度依存性を補償するために適宜の機械的設計を用いて温度に応じてマイクロ・ミラー配列を空間的に変移させることである。それによって、デバイス全体が温度制御なしでその波長合わせを保持することが可能になろう。このように、本発明のこのような態様による装置は、ＰＬＣ内の温度変化による波長ずれを補償するために温度感受性材料を使用して空間的に変移されるマイクロ・ミラー配列を含んでいよう。
各ＰＬＣは、正規に多重化される出力ポートと逆多重化される個々の出力ポートの双方を単一のＰＬＣ上に支持するために複数のＡＷＧを含むことが可能であることが本明細書の開示による恩恵に浴する当業者には理解されよう。

結論
積層されたＰＬＣから形成され、多重化または逆多重化機能を組み込んだ波長選択スイッチが本明細書に記載された。
本発明の様々な実施形態の利点の１つは光信号を入力側ファイバからドロップ・ポートへとルーティングし、光信号をアド・ポートから出口側ファイバへとルーティングする際の損失が低減されることにある。

本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲およびこれに相当する範囲内のあらゆる実施形態を包含することを理解されたい。

ＷＳＳおよびマルチプレクサ／デマルチプレクサを使用した従来のネットワーク・ノード・アーキテクチャの図である。 ＷＳＳおよびマルチプレクサ／デマルチプレクサ機能を使用した改良型のネットワーク・ノード・アーキテクチャの図である。 各々のＰＬＣがＡＷＧ、レンズおよびマイクロ・ミラー配列を実装するＰＬＣ積層からなる従来のＷＳＳの図である。 チャネルを再多重化し、チャネルを個々の出力ファイバへと分離する、本発明によるＰＬＣの実施形態を示す図である。 チャネルを個々の出力ファイバへと分離する、本発明によるＰＬＣの実施形態を示す図である。

Claims (10)

1. 組込み型デマルチプレクサ（２１０）を有する波長選択スイッチであって、
   各々が自由空間領域に接続され、かつ平坦な導波回路端面で終端する配列された導波路格子に更に接続された、ほぼ同一の積層された複数の第１プレーナ導波回路（３５０）と、
   前記複数の第１プレーナ導波回路と積層された、前記第１プレーナ導波回路（３５０）とは異なる第２プレーナ導波回路（４００、５００）と、
   前記プレーナ導波回路端面がレンズ（３６０）の前部焦点面になるように配置され、前記レンズの後部焦点面でスペクトル分解された光信号を発生することによって空間フーリエ変換を実施するように動作可能なレンズ（３６０）と
   を備え、
   前記波長選択スイッチ（２１０）は少なくとも１つの入力ポート（１０６）と、少なくとも１つの出力ポート（１１４）とを有する波長選択スイッチ。
2. 前記レンズの後部焦点面に配置され、スペクトル成分を反射するように動作可能な傾動マイクロ・ミラー配列（３７０Ａ−３７０Ｎ）を更に備える請求項１に記載の波長選択スイッチ（２１０）。
3. 前記第２プレーナ導波回路（４００、５００）は複数のチャネルを対応する複数の個別の逆多重化導波路に分離するように動作可能である請求項２に記載の波長選択スイッチ（２１０）。
4. 前記傾動マイクロ・ミラー配列（３７０Ａ−３７０Ｎ）から反射した光線が第１（３５０）または第２（４００、５００）のプレーナ導波回路の少なくとも１つに結合される請求項２に記載の波長選択スイッチ（２１０）。
5. 前記第２プレーナ導波回路（４００、５００）は更に、逆多重化された出力チャネル用の所定の通過帯域特性を付与するように動作可能な、配列された導波路格子と自由空間領域とを備える請求項３に記載の波長選択スイッチ（２１０）。
6. 光ネットワーク・ノード（２００）であって、
   少なくとも１本の入力側ファイバ（１０２）に結合するようになされた少なくとも１つの入力ポート（１０６）を有し、複数のドロップ・ポート（１３４Ａ−１３４Ｎ）と少なくとも１つの出力ポートとを有する第１波長選択スイッチ（２１０）と、
   前記第１波長選択スイッチ（２１０）の少なくとも１つの出力ポートに結合された少なくとも１つの入力ポートを有し、複数のアド・ポート（１３６Ａ−１３６Ｎ）と少なくとも１つの出力ポートとを有する第２波長選択スイッチ（２２０）と
   を備え、
   前記波長選択スイッチ（２１０）は組込み型デマルチプレクサを有すると共に、前記第２波長選択スイッチ（２２０）は組込み型マルチプレクサを有する光ネットワーク・ノード（２００）。
7. 前記第１波長選択スイッチは、
   自由空間領域に接続され、かつ平坦な導波回路端面で終端する配列された導波路格子に更に接続された単一の導波路を各々が備える、ほぼ同一の積層された複数の第１プレーナ導波回路（３５０）と、
   前記複数の第１プレーナ導波回路と積層された、前記第１プレーナ導波回路（３５０）とは異なる第２プレーナ導波回路（４００、５００）と、
   前記プレーナ導波回路端面がレンズの前部焦点面になるように配置され、前記レンズの後部焦点面でスペクトル分解された光信号を発生することによって空間フーリエ変換を実施するように動作可能なレンズ（３６０）と
   を備え、
   前記波長選択スイッチは少なくとも１つの入力ポートと、少なくとも１つの出力ポートとを有する請求項６に記載の光ネットワーク・ノード（２００）。
8. 波長選択スイッチの製造方法であって、
   端面を有するほぼ同一の複数の第１プレーナ導波回路を積層する工程と、
   前記第１プレーナ導波回路とは異なっていて、端面を有する第２プレーナ導波回路（４００、５００）を前記複数の第１プレーナ導波回路に積層する工程と、
   前記第１および第２のプレーナ導波回路端面がレンズの前部焦点面になるようにレンズ（３６０）を配置し、前記レンズは前記レンズの後部焦点面でスペクトル分解された光信号を発生するように動作可能である工程と、
   傾動マイクロ・ミラー配列（３７０Ａ−３７０Ｎ）がスペクトル成分を反射するように動作可能であるように前記傾動マイクロ・ミラー配列（３７０Ａ−３７０Ｎ）を前記レンズの前記後部焦点面に配置する工程と、を含む方法。
9. ファイバ配列（１０２）を前記第２プレーナ導波回路に結合する工程を更に含む請求項８に記載の方法。
10. 前記プレーナ導波回路の積層の上部に入力側ファイバを結合する工程を更に含む請求項８に記載の方法。
    

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