JP2008040500A - プレーナ光波回路に基づく波長選択スイッチ - Google Patents

Abstract

【課題】プレーナ光波回路に基づく波長選択スイッチを提供する。
【解決手段】本発明は、離散導波路が配置されるプレーナ光波チップ（ＰＬＣ）内部のＲｏｗｌａｎｄ円に、入力ＡＷＧを介して発射された各波長成分を集束し、１つの直線に沿ってＰＬＣチップの外側に各波長成分を集束する、標準のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の概念を拡張する。ＭＥＭＳミラーのアレイまたは他の再方向付け要素は、入力ＡＷＧと同一のＰＬＣチップ上に形成される任意の数の選択された出力ＡＷＧに戻して各波長チャネルを独立して再方向付けする焦点位置に配置される。
【選択図】図３

Description

本発明は、参照によって本明細書に組み込まれる、２００６年８月３日に出願された米国特許出願第６０／８２１３４６号の優先権を主張する。

本発明は、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）、特にプレーナ光波回路（ＰＬＣ）技術に基づくＷＳＳに関する。

Ｓｏｌｇａａｒｄらへ２０００年８月１日に発行された米国特許第６０９７８５９号、Ｂｏｕｅｖｉｔｃｈらへ２００２年１２月２４日に発行された米国特許第６４９８８７２号、Ｄｕｃｅｌｌｉｅｒらへ２００４年３月１６日に発行された米国特許第６７０７９５９号、Ｂｏｕｅｖｉｔｃｈへ２００４年１０月２６日に発行された米国特許第６８１０１６９号、Ｓｏｌｇａａｒｄらへ発行された米国特許第６９２２２３９号、およびＤａｎａｇｈｅｒらへ２００６年３月２１日に発行された米国特許第７０１４３２６号に開示される光波長分散デバイスなどの従来の光波長分散デバイスは、多重化された光学ビームを成分波長に分離し、次に修正されている、または修正されていない可能性がある個別の波長または波長のグループを、デバイスを介して所望の出力ポートへ戻るように方向付けする。一般的に、デバイスの後方端部は、選択された波長をいくつかの出力ポートの１つへ戻るように再方向付けするために使用されるマイクロ電気機械（ＭＥＭ）マイクロ・ミラー・アレイ、または選択された波長を遮断するまたは減衰するために使用される液晶セルのアレイなど個別に制御可能なデバイスを含む。

波長ブロッカ（ＷＢ）またはダイナミック・ゲイン等価器（ＤＧＥ）の場合には、前方端部ユニットは、サーキュレータを有する単一の入力／出力ポート、または１つの入力ポートおよび１つの出力ポートを含むことができる。一般的に、前方端部ユニットは、入力ビームを２つのサブ・ビームに分割し、かつ２つのサブ・ビームが同一の偏光状態を有することを確実にするための偏波ダイバーシティ・ユニットを含む。ＷＢまたはＤＧＥのための後方端部ユニットは、液晶セルのアレイであることができ、液晶セルのアレイは、前方端部における偏波ダイバーシティ・ユニットを通して戻る選択されたチャネルを部分的に減衰するまたは完全に遮断するために、波長チャネルの偏光状態を独立して回転する。ＷＢおよびＤＧＥ後方端部ユニットの実施例は、参照によって本明細書に組み込まれる、Ｄａｎａｇｈｅｒらへ２００６年３月２１日に発行された米国特許第７０１４３２６号、Ｂｏｕｅｖｉｔｃｈらへ２００２年１２月２４日に発行された米国特許第６４９８８７２号、およびＢｏｕｅｖｉｔｃｈへ２００４年１０月２６日に発行された米国特許第６８１０１６９号に開示される。

アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）は、導波路の分散アレイをプレーナ光波回路チップ上の入出力「スター・カプラ」に結合することで、Ｄｒａｇｏｎｅによって発明された。ＡＷＧは、参照によって本明細書に組み込まれる、米国特許第５００２３５０号（１９９１年３月）においてＤｒａｇｏｎｅによって教示されるように、ＤＷＤＭデマルチプレクサとしておよびＤＷＤＭマルチプレクサとしての両方で作用することができる。

環境要因に対する信頼性および頑強性のために、多くの必要な機能を可能な限りプレーナ光波回路（ＰＬＣ）上でモノリシックに実施することが望ましい。しかしながら、ＰＬＣ上にＭＥＭＳアレイを含む実際的な方法がまだ存在しない。したがって、何らかの形で、全てのポートからの波長チャネルが、ＰＬＣの外側のミラーのＭＥＭＳアレイに結像されなければならない。

Ｄｕｃｅｌｌｉｅｒらへ２００６年４月１１日に発行された米国特許第７０２７６８４号、およびＤｕｃｅｌｌｉｅｒへの２００４年１２月１６日に公開された米国特許出願公開第２００４／０２５２９３８号は、図１および図２に示される、それぞれ単一および多層プレーナ光波回路（ＰＬＣ）波長選択スイッチ（ＷＳＳ）に関する。図１に示される単一レベル・デバイス１は、中間に入力ＡＷＧ、および入力ＡＷＧの両側に複数の出力ＡＷＧを有するＰＬＣ２を含む。入力ＡＷＧ内に発射される入力光信号は、レンジング３を通して異なる角度で傾斜可能なミラー４のアレイへ方向付けられる成分波長へ分散される。光は、ＰＬＣ２に隣接する第１の円筒レンズ５によって一方向、例えば垂直にコリメートされ、一方、円筒スイッチング・レンズ６は、出力光を水平方向に傾斜可能なミラー４に集束する。各波長チャネルは、傾斜可能なミラー４の異なる１つに当たり、傾斜可能なミラー４は、個別の波長チャネルを、出力ＡＷＧが再結合するのに望ましいどれにでもレンジング３を通して再方向付けして戻し、出力ポートに出力する。単一レベル・デバイスのために、傾斜可能なミラー４は、波長チャネルを分散面、すなわちＰＬＣ２の面に再方向付けするために単一軸を中心に回転する。

図２に示される２レベル・デバイス１１は、複数の入力または出力ＡＷＧおよびポートを有する、ＰＬＣ２上方に重ねられる、ＰＬＣ２に類似する第２のＰＬＣ１２を含む。第２の円筒レンズ１５は、光のビームを第２のＰＬＣ１２上に提供されるＡＷＧの出力上に集束するために、第１の円筒レンズ５上に重ねられる。２レベル・デバイスのために、傾斜可能なミラー１４は、波長チャネルを分散面内（上述のように）、および分散面すなわちＰＬＣ１２の面に平行な面内の分散面に鋭角に再方向付けするために、２つの垂直軸を中心に回転する。

前述のＤｕｃｅｌｌｉｅｒデバイスにおいて、ＡＷＧは、チップの縁部において直線線形アレイで終端し、それによって、ＡＷＧ出力で曲線なしに、「焦点」は無限大で生じる。したがって、外部バルク光学レンズは、単なる視野レンズとしてより、完全な（空間）フーリエ変換レンズとして機能する必要がある。したがって、外部レンズが、非常に良好に整列されることが必要である、すなわち比較的高価でありかつ整列誤りに対して非常に敏感であるだけでなく、光路は必ず、ほとんど空気中にある。
米国特許出願第６０／８２１３４６号 米国特許第６０９７８５９号 米国特許第６４９８８７２号 米国特許第６７０７９５９号 米国特許第６８１０１６９号 米国特許第６９２２２３９号 米国特許第７０１４３２６号 米国特許第５００２３５０号 米国特許第７０２７６８４号 米国特許出願公開第２００４／０２５２９３８号

本発明の目的は、チップの外側点で各波長チャネルを集束するために、チャネル導波路とスラブ導波路との間の境界に仮想瞳孔を設けることによって、従来技術の欠点を解消することである。

したがって、本発明は、波長分散デバイスに関し、波長分散デバイスは、
第１のプレーナ光波回路（ＰＬＣ）チップを備え、第１のプレーナ光波回路（ＰＬＣ）チップは、複数の波長チャネルを含む入力光信号を発射するための入力ポートと、複数の波長チャネルを分散するための入力アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、入力ポートに光学的に結合される入力スラブ導波路領域と、入力スラブ導波路領域から延びるチャネル導波路の第１のアレイと、チャネル導波路の第１のアレイと第１のＰＬＣチップの第１の縁部との間で分散された波長チャネルを案内するための入力／出力スラブ導波路領域とを含み、チャネル導波路の第１のアレイと入力／出力スラブ導波路領域との間の界面は、湾曲され、光出力を提供するものであり、ＰＬＣチップの外側の湾曲した焦点面に沿って波長チャネルを集束する、入力アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）と、選択された波長チャネルを出力光信号に結合するための第１の複数の出力ＡＷＧであって、各出力ＡＷＧは、チャネル導波路の第１のアレイと第１のＰＬＣチップの縁部との間で分散された波長チャネルを案内するための入力／出力スラブ導波路領域と、入力／出力スラブ導波路領域から延びるチャネル導波路の第２のアレイと、チャネル導波路の第２のアレイとＰＬＣチップの第２の縁部との間で出力光信号を案内するための第１の複数の出力スラブ導波路領域とを含み、チャネル導波路の第２のアレイと入力／出力スラブ導波路領域との間の界面は、湾曲され、光出力を提供する、第１の複数の出力ＡＷＧと、出力光信号を出力するための第１の複数の出力ポートと備え、
波長分散デバイスは、さらに、
第１の入力光信号から、それぞれ第１の出力ポートに出力するための第１の出力光信号を形成する選択された第１の出力アレイ導波路回折格子へ、各波長チャネルを独立して再方向付けするためのスイッチング要素の第１のアレイと、
湾曲ラインからスイッチング要素の第１のアレイを画定する直線ラインに沿って導波路チャネルの焦点面を変更するための、ＰＬＣチップの第１の縁部とスイッチング要素の第１のアレイとの間の視野レンズとを備える。

本発明は、その好ましい実施形態を表す添付の図面を参照してより詳細に記載する。

本発明は、標準のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の概念を拡張するもので、それは、離散導波路が配置されるチップ内側のＲｏｗｌａｎｄ円に各波長成分を集束し、その１つに、チップの外側に各波長成分を集束し、かつ次に焦点位置にＭＥＭＳミラー・アレイを配置する。図３を参照すると、本発明による基本デバイス２１は、その縁部に入力ポート２３を有するＰＬＣチップ２２を含み、第１のＡＷＧ２４が入力ファイバ２６に光学的に結合されることを可能にする。１つ以上の波長チャネルを含む入力光信号が、入力ポート２３を介して入力ファイバ２６からＡＷＧ２４内に発射され、かつチャネル導波路２８のアレイへ入口スラブ導波路セクション２７内に一次元で回折する。チャネル導波路２８の出力は、光出力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を有する仮想サブ瞳孔（ｖｉｒｔｕａｌ ｓｕｂ−ｐｕｐｉｌ）３０を形成する湾曲された界面に沿って長い出力スラブ導波路領域２９と連結し、それによって、波長チャネルは、第１のＡＷＧ２４と平行なまたは第１のＡＷＧ２４と一致する分散面内のＰＬＣチップ２２の外に屈折し、増大する波長の順番で、全体的に３１で示される円を描く様々な点で集束する。

図４を参照すると、上方の光線（破線）は、いちばん端の波長、例えば対象の、所期のスペクトル帯の短い波長端部で、チャネル導波路２８のアレイの端部、すなわち仮想瞳孔３０から放出される光線を表し、一方、中間の光線（一点鎖線）は、中心波長軌跡を表し、下側の光線（二点鎖線）は、上方の光線によって表されるいちばん端の波長とは反対側のいちばん端の波長を表す。前述の像形成（ｉｍａｇｉｎｇ）は、例示的な分散方向およびＡＷＧ２４の面に適用されるが、ＰＬＣチップ２２に垂直な方向または面、すなわち図３の面の外にＰＬＣチップ２２の外に回折する光の像形成の考察は、以降に示される。

チャネル導波路２８、３７ａ、および３７ｂと出力スラブ導波路領域２９との間の光学的に湾曲された界面は、光出力を有しており、すなわち仮想瞳孔、例えば増大する波長とともに傾斜する光出力を有する湾曲されたレンズとして考えられることができる。仮想瞳孔は、スラブ導波路領域に到達する導波路のアレイを参照し、それによって、それらから放出される光は、「波長とともにのみ傾斜する」場を生成し、すなわちＡＷＧの分散に応じるその方向を除いて各波長に関して同一であり、すなわち波長間に一定の遅延を生成する。小さな傾斜に関するこの挙動を確実にするために、入力ＡＷＧ２４の導波路チャネル２８のアレイ内の隣接する導波路は、それらの間に一定の遅延を有する。チャネル導波路２８、３７ａ、および３７ｂの端部は、このように、図３において想像線で示されるそれぞれサブ瞳孔またはサブ・レンズ３０、４０ａ、および４０ｂを示す。瞳孔は、スペクトル解像度が選択されることができるように、すなわち、所定のサブ瞳孔における導波路がより多くなると、スペクトル解像度がより細かくなるように分割されることができる。例えば、３個のポートよりむしろ、５個のポートは、図３において示唆されるＰＬＣチップ２２のスペクトル解像度の３／５のスペクトル解像度を有するＰＬＣチップ２２上に配置されることができる。

サブ瞳孔３０は、所定の波長でサブ瞳孔３０から出る任意のビームが、独特の角度で分散するように、各導波路チャネルの光線を分散する。ＡＷＧ２４と湾曲された出力スラブ領域２９（または６９）との間に界面を作る効果は、入力ＡＷＧ２４の出力でレンズを有効に配置することであり、それによって各導波路チャネルの光線の束は、あるスポットに集束する。

理想的には、例えば傾斜するＭＥＭのミラー３５のアレイなどの修正または再方向付けする要素のアレイは、各波長チャネルを複数の出力ＡＷＧ３６ａおよび３６ｂの所望のまたは選択された１つへ出力スラブ導波路領域２９を通って戻し、または入力ＡＷＧ２４へ戻して独立して再方向付けするために、焦点、すなわち各波長チャネル位置で１つの焦点に配置されるべきである。したがって、サブ瞳孔３０から来る１つ以上の波長チャネルを表す光線の束は、所望の出力ポート３９ａまたは３９ｂを再結合しかつ出力するために、サブ瞳孔４０ａまたは４０ｂの１つに向けて反射される。各出力ＡＷＧ３６ａおよび３６ｂは、それぞれチャネル導波路３７ａおよび３７ｂのアレイ、およびそれぞれ出口スラブ導波路セクション３８ａおよび３８ｂを含む。出力ポート３９ａまたは３９ｂは、出口スラブ導波路セクション３８ａおよび３８ｂを、それぞれ出力ファイバ４２ａおよび４２ｂに光学的に結合されることを可能にする。

さらに、ＭＥＭミラー３５のアレイは、他の光学スイッチング要素、例えば、参照によって本明細書に組み込まれるＦｒｉｓｋｅｎらへ２００６年３月３０日に公開された米国特許出願公開第２００６／００６７６１１号に開示されるなどのシリコン上の液晶（ＬＣｏＳ）フェーズアレイ、または個別の波長チャネルの偏光を独立して回転し、それによって波長チャネルの一部または全部が妨げられまたはスイッチングされることができる液晶セルなどの偏光回転子のアレイで置き換えられることができる。

示される実施形態は、１つの入力および２つの出力導波路およびポートを含むが、追加の入力および出力導波路およびポートは、本発明の範囲内にある。さらに、簡略性のために、ポートおよびＡＷＧは、「入力」および「出力」として識別されるが、全てのポートおよび導波路は、特定の適用に応じて入るかつ／または出る信号の両方に適している。

残念ながら、図３および図４に示される実施形態は、製造および／または像形成において困難性を引き起こす欠点を有する。第１に、各導波路チャネルのための光線束は、直線にならないが、図４に示されるようにＲｏｗｌａｎｄ円の屈折された像３１になる。そのように、ＭＥＭミラー・アレイ３５が、直線上に位置しないだけでなく、入力ポートを出力ポートに接続するために必要な角度範囲は、波長依存性になり、このように、テレセントリック・システムと比べてＭＥＭミラーに関する増大した範囲の傾斜角度を必要とし、入力ＡＷＧ２４からの所定の波長の光線の収集を表す全てのコーンは、平行な焦点になり、すなわち対応するＲｏｗｌａｎｄ円は、無限大の径を有する。

第２に、焦点の詳細（図５）は、導波路／空気界面を通る場を集束することによって導入される球面収差が著しいことを示す。この特定の設計の詳細は本発明に関連しないが、参照のために、光線のこの特定の収集に関する「最小錯乱円」は、１１ミクロンの直径を有することが留意されるべきである。

本発明によりＷＳＳとしてより良好に動作するために、チップから集束する場の位置を表す円３１は、例えば視野レンズなどのある形態の光学装置を介して、例えばＭＥＭミラーなどの波長チャネル再方向付け手段のアレイに対応するラインに対して直線にされなければならない。集束する場の位置に直線にすることに加えて、視野レンズは、また、チップ／空気界面に由来する球面収差を低減する。

前述の問題を解決するために、図６に示される外部視野レンズ５４は、ＰＬＣチップ２２の縁部と修正または再方向付け要素３５との間のＷＳＳ５１に追加される。ＷＳＳ５１の残りの要素は、図３のＷＳＳ２１の要素と実質的に同一である。結果として、（今やテレセントリックな）コーンは直線にされ、このように、ＭＥＭＳミラー３５のアレイの所定の目標幅のために必要なミラー傾斜範囲を最小化する。さらに、視野レンズ５４は、視野レンズ５４に由来する球面収差が、どこでもＰＬＣチップ２２と空気との間の界面に由来する球面収差とは符号が逆であるように、選択されかつ設計される。光学的結合をさらに改善するために、チャネル導波路２８、３７ａ、および３７ｂと出力スラブ導波路領域２９との間の界面は、通常の円形形状からより一般的な円錐形状に修正される。仮想瞳孔が波長とともに単純に回転するが、そうでなければその同一形状を維持する条件を維持するために、全ての隣接するチャネル導波路は、一定の遅延を有する。この制約は、次に各ポートのＡＷＧを備える個別のチャネル導波路の設計配置において考えられる。

チャネル／スラブ界面を最適化することと単純な円筒状視野レンズの導入との組み合わせの最終的な結果は、集束されたスポットで見られる収差の実質的な低減である。図７で示されるように、いちばん端の波長での焦点における最小錯乱円は、この特定の設計に関して３５０分の１より低減され、すなわち約３０ｎｍに低減される。チャネル導波路２８と出力スラブ導波路領域２９との間の界面を調整する円筒状視野レンズ５４と、隣接する導波路間の遅延が一定であるようにチャネル導波路２８の配置との組み合わせは、入力ＡＷＧ２４の構造が、ＭＥＭアレイ３５を含む平坦な面でテレセントリックな回折制限された場に個別の波長を集束することを可能にする。さらに、アーキテクチャは、光がほとんどの時間でＰＬＣチップ２２内に留まり、完全にモノリシックな（全てチップ上にある）解決方法とほとんど同等である頑強性を可能にするようなものである。

残念なことに、出力スラブ領域２９に関連するかなり大きな領域は、ＰＬＣチップ２２の価格に有意に追加される。価格を最小化するための１つの方法は、低減されたＰＬＣチップ６２上に低減された出力スラブ導波路領域６９を提供し、すなわち図８にＷＳＳ６１上に示されるように、ＰＬＣチップ６２と視野レンズ５４との間に案内されていない領域を追加することである。焦点の品質は、より長い出力スラブ領域に関連する焦点の品質より劣ると予想されるが、これは、低減されたチップ価格との妥協を表す。図８の実施形態における残りの要素は、図３および図６の要素と同一である。

入力ＡＷＧ２４からのチャネル導波路２８の端部、すなわちサブ瞳孔３０は、所定の波長でその瞳孔から出る任意のビームは、図９ａで示唆されるように独特な角度で分散するように、入力光信号を分散する。ＡＷＧ２４と湾曲された出力スラブ領域２９（または６９）との間に界面を作る効果は、図９ｂで示唆されるように入力ＡＷＧ２４の出力でレンズを有効に配置することである。ＭＥＭのアレイ３５がＰＬＣチップ２２の縁部に配置されることを仮定すると、波長分散場は、図９ｂにおけるように曲率半径（Ｒｏｗｌａｎｄ円３１）に等しい、ガラス、すなわちＰＬＣ２２の材料内の有効焦点距離（ＥＦＬ）に対応する距離で焦点になる。しかしながら、前述の仮定は、場が、ＰＬＣチップ２２の縁部と案内されない領域（空気）との間の第２の界面を通して屈折するので、完全に正しくはない。ＰＬＣチップ２２の縁部を通して案内されない領域への屈折は、図９ｃに示されるように、ＰＬＣチップ２２の縁部からあるより短い距離で実際のＡＷＧ瞳孔３０と同じサイズの仮想瞳孔３０’を有効に配置する。サブ瞳孔３０は、ＰＬＣチップ２２の縁部から距離Ｄに配置されるなら、仮想瞳孔は、チップ縁部から距離Ｄ／ｎで見出され、ｎは、出力スラブ導波路セクション２９またはＰＬＣチップ２２に関する有効スラブ屈折率である。仮想瞳孔／レンズ３０’は、ＡＷＧ２４が空気内で構成されたかのように挙動し、有効焦点距離ＥＦＬ_{ＡＷＧ，Ａｉｒ}は、１／ｎの倍率だけＲｏｗｌａｎｄ円半径より小さい。

図１０は、本発明による完全近軸モデルを示し、仮想瞳孔３０’は、面ＥＦＬ_{ＡＷＧ，Ａｉｒ}から外して波長チャネルの光線を集束する。視野レンズ５４の光学軸ＯＡに平行な全ての波長での焦点のために必要なことは、仮想瞳孔３０’が、視野レンズ５４の前側焦点面、すなわちＥＦＬ_ＦＬ１つ離れて現れ、かつＥＦＬ_ＦＬ＜ＥＦＬ_{ＡＷＧ，Ａｉｒ}であることである。これら２つのＥＦＬ間の差異は、視野レンズに対する一次の像形成条件に従って−ｏとして示され、１／ｏ＋１／ｉ＝１／ＥＦＬ_ＦＬである。結果を簡単化すれば、ｉ＝（ＥＦＬ_ＦＬ／ＥＦＬ_{ＡＷＧ，Ａｉｒ}）（ＥＦＬ_{ＡＷＧ，Ａｉｒ}−ＥＦＬ_ＦＬ）であり、焦点における結果としての強度は、Ｍ＝−ｉ／ｏ＝ＥＦＬ_ＦＬ／ＥＦＬ_{ＡＷＧ，Ａｉｒ}である。

追加の構造は、光学性能および組み合わせられた光学モジュール５１（または６１）の感度をさらに改善するために、ＰＬＣチップ２２上に配置されることができる。追加の構造は、本発明によるファイバ２６、４２ａ、および４２ｂと光学モジュール５１（または６１）との間の光学的結合損失を改善し、非分散方向における光の開口数も低減し、要件を低減し、かつ光学モジュール５１の自由空間光学ブロックの性能を改善する。

ＰＬＣチップ２２（または６２）のサイズを低減するために、より大きな屈折率コントラスト、すなわちＰＬＣチップ２２のコアとクラッドとの屈折率の差は、チャネル導波路２８、３７ａ、および３７ｂにおけるより小さい曲げ半径を可能にするように選択される。しかしながら、屈折率コントラスト差は、ファイバ２６、４２ａ、および４２ｂのモードをチャネル導波路２８、３７ａ、および３７ｂに一致させようとするときに望ましくない結合損失を結果として生じる。

参照によって本明細書に組み込まれる、Ｚ．ＷｅｉｓｓｍａｎおよびＩ．Ｈｅｎｄｅｌの「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｍｏｄｅ Ｅｘｐａｎｄｅｒｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第１３巻、第１０号、１９９５年１０月は、ファイバと導波路との間のモード不一致の低減を可能にする二次元テーパ構造を開示する。

本発明の好ましい実施形態において、光は、ＡＷＧ２４の入口スラブ導波路セクション２７内に直接発射される。ファイバ２６と入口スラブ導波路セクション２７との結合を改善するために、周期的に分けられたスラブ・セグメント（ＰＳＳ）７１は、ファイバ２６と入口スラブ導波路セクション２７、すなわち最も近い入力ポート２３との間の界面に提供される。ＰＳＳ７１は、実質的に均一な周期を有し、周期（Ｐ）に対する導波路セグメントの幅（ａ）の比を表すデューティ・サイクルが、チャネル導波路２８のアレイの側で１から、入力ポート２３に最も近い０と１との間の出口比（０．１から０．９、好ましくは０．２５から０．７５）へ低減する。出口比は、ＰＬＣチップ２２とファイバ２６との間の屈折率コントラストの差異に応じる。

例えば、０．３％デルタ・ファイバの０．７％デルタ導波路への結合の場合には、出口比は、０．７に近い値について最適であることが見出された。出口比は、当然、ファイバ２６とＰＬＣチップ２２との間の屈折率差が小さいなら１に近く、差が大きいなら小さい。

図１２を参照すると、ＰＬＣ２２（または６２）の断面は、クラッド層７７間に挟まれたコア領域７６を支持する基板７５を含む。コア領域７６は、出口スラブ導波路セクション、例えば３８ａ、およびチャネル導波路、例えば３７ａを画定する。出口スラブ導波路セクション３８ａを出る光は、所定の開口数（ＮＡ）を有し、開口数は、ＰＬＣチップ２２の屈折率コントラスト、すなわちコア７６とクラッド７７との屈折率差に応じる。

ＰＬＣチップ２２のサイズを低減するために、ＰＬＣチップ２２の屈折率コントラストは、チャネル導波路３７ａおよび３７ｂにおけるより小さい曲げ直径を可能にするために、ファイバ４２ａおよび４２ｂの屈折率コントラストより大きく選択される。しかしながら、より大きな屈折率コントラストは、結果としてより大きなＮＡを生じ、光学性能、例えばより大きな光学収差、およびモジュール５１（または６１）の自由空間伝播部分の安定性、例えばパッケージの傾斜または変位に対するより大きな感度に負の影響を有することがある。大きなＮＡを補償する１つの解決方法は、モジュールの価格および複雑性を追加するより複雑な自由空間光学要素またはパッケージを使用することである。

本発明の好ましい実施形態において、周期的に分けられたスラブ・セグメント（ＰＳＳ）８１は、図１２および図１３に示されるように、非分散方向でＰＬＣチップ２２を出る光のＮＡを低減しかつ調整するために、出口スラブ導波路セクション３８ａおよび３８ｂと出力ファイバ４２ａおよび４２ｂ、すなわち出口ポート３９ａおよび３９ｂの界面に配置される。ＰＳＳ８１は、実質的に均一な周期を有し、導波路セグメントａと周期Ｐとの間の比を表すデューティ・サイクルが、（チャネル導波路３７ａおよび３７ｂのアレイの側で）１から、出力ポート３９ａおよび３９ｂに最も近い０と１との間の出口比（０．１から０．９、好ましくは０．２５から０．７５）へ低減する。出口比を１より小さく選択することによって、非分散方向におけるモードは、有効に拡張され、それによって図１３に示されるように開口数を低減する。

図１４から図１６に示される本発明の特定の実施形態は、ＰＬＣチップ１０４に形成された、入力またはＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１、出力またはＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２、および入力／出力またはＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３を含む、Ａｄｄ／Ｄｒｏｐマルチプレクサ９１に関する。デバイスの機能性は、ＤＷＤＭチャネルの連続する帯域すなわち波長の連続する範囲が、所望の中心波長（ＣＷ）および帯域幅（ＢＭ）を有する、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１からＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０２へ方向付けられることができるようなものである。所望の範囲に対応しない全ての波長は、ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０３へ最小の減衰で送られる。信号は、ＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３からＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１へ加えられることができるか、またはＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１からＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３へドロップされることができる。前者の場合、ＥＸＰＲＥＳＳ構成に対応する信号は、ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０３を通して入力され、かつＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１を通して出力される。後者の場合、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１からのＥＸＰＲＥＳＳ信号は、ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０３に出力される。

ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１は、入力ポート１０６、入力スラブ導波路１０７、および湾曲した界面、すなわち仮想瞳孔１０９を形成する端部を有するチャネル導波路１０８のアレイを含む。入力ポート１０６は、導波路１１０、例えば光ファイバに光学的に結合される。ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２は、出力ポート１１１、出力スラブ導波路１１２、および湾曲した界面、すなわち仮想瞳孔１１４を形成する端部を有するチャネル導波路１１３のアレイを含む。出力ポート１１１は、結合光学装置１２１を介して導波路１１５、例えば光ファイバに光学的に結合される。ＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧは、入力／出力ポート１１６、入力／出力スラブ導波路１１７、および湾曲した界面、すなわち仮想瞳孔１１９を形成する端部を有するチャネル導波路１１８のアレイを含む。入力／出力ポート１１６は、導波路１２０、例えば光ファイバに光学的に結合される。瞳孔１０９、１１４、および１１９は、スラブ導波路領域１２２を有するＰＬＣチップ１０４の縁部に光学的に結合される。上述されたような周期的に分けられた導波路構造は、光学的結合損失を改善しかつ非分散方向における開口数を低減するために、スラブ導波路１０７、１１２、および１１７に加えられることができる。

図１４は、光学システムを通りＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１およびＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２から発射され、焦点面またはミラー面１２５内の焦点に来る信号に関する光線軌道を示す。光学システムは、ＰＬＣスラブ・モードに対して垂直な方向（高速軸）で作用する円筒レンズ１３１、およびスラブ・モードに対して平行な方向（低速軸）で作用する一組のレンズ１３２および１３３を備える。理想的には、全ての波長に関する場は、空間的に分離された波長チャネルを有するミラー面１２５に配置されたウエストを結果として生じる。図１４に示されるように、ミラー１２５は、レンズ１３２および１３３の光学軸ＯＡに垂直である。さらに、ミラー１２５の法線上にＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１から来る全ての光線は、等しいが反対の角度で、すなわち全ての波長を保持する「テレセントリック性」条件でＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２から来る光線に一致される。したがって、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１から発射される全ての波長での信号は、光学デバイスの中間面にあるミラー１２５から反射して、ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２を通して出て、また逆も同じである。

ミラー１２５が、図１５に示されるように光学軸ＯＡに対して適切な量で傾斜されるなら、焦点は、全ての波長でまだ整列されるが、むしろＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２を通して出て、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１から発射される信号は、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１とＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２との間に配置されるＡＤＤ／ＤＲＯＰポート１０３に像形成される。したがって、ＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３またはＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２に光学的に結合されるＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１間で識別する全ては、中間面でのミラー１２５の傾斜である。

ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１からＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３へ所望のサブセットの波長を再方向付けするために、再方向付けする要素１３６を含むスプリット・ミラー・アセンブリ（図１６ａおよび図１６ｂ）が、それらの経路に配置され、一方、残りの波長は、ミラー１２５でＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２へ反射する。理想的には、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１とＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２との間に接続される波長は、可能な限り低損失であるべきであり、一方、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１とＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３との間の波長は、いくぶんより多い損失が与えられることがある。

スプリット・ミラー・アセンブリの例示的な実施形態は、図１６ａおよび図１６ｂに示される。上方（実線）の光線は、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１とＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２との間に結合される予定の波長に関する主波長を表し、一方、下方（破線）の光線は、ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１とＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３との間に結合される予定の波長に関する波長に対応する。図１６ａにおいて、上方の光線は、大きな固定ミラー１２５で反射して、一方、下方の光線は、可動ミラー１３６によって遮られる。可動ミラー１３６が、一方向、例えば紙面内により広い三角形に似た形状であるなら、所望のＣＷは、可動ミラー１３６の垂直方向位置によって選択されることができ、所望のＢＷは、紙面内／外の位置を選ぶことによって選択されることができる。ＥＸＰＲＥＳＳ構成に関する低損失の方向性と一致するように、固定（より大きな）ミラー１２５で反射する上方（実線）の光線は、ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２に正確に像形成される。しかしながら、図１６ａにおける下方（破線）の光線の仮想源位置、すなわち点線によって示唆される位置の検査は、反射された光線が、ある損失を導くその適切な位置からオフセットされる（したがって焦点がずらされる）ことを示す。一方向、例えば紙面における上下に小さなミラー１３６を移動することで、ＣＷを調整し、一方、垂直方向、例えば紙面に入るかつ出る方向に小さなミラー１３６を移動することで、ＢＷを調整する。したがって、２Ｄ調整機構で所望の機能性が達成される。

基本的な可動ミラー概念におけるさらなる改善が、図１６ｂに示され、屈折プリズム１３８は、ビームをＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ１０１からＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３に向かって有効に向けるために使用される。固定ミラー１２５は、両方の構成で使用されるが、プリズム１３８で重なるこれら波長は、プリズム１３８を通して屈折し、固定ミラー１２５を反射して外れ、かつプリズム１３８からＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ１０３へ向かって屈折して戻り、一方、他の全てはＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ１０２へ向かって方向付けられる。より良好な結合（ミラーで妨げられる仮想主光線によって明らかなように）だけでなく、反射角度は、プリズム１３８の任意の回転（一次）に対して安定であり、調整機構を非常により頑強にする。

反射プリズム１３８の製造は、図１７ａから図１７ｃに示される。要素は、図１７ａに示されるように不等辺四角形プリズム１４１として始まる。前面１４２および後面１４３は、それらの間に厳しく制御された鋭角αを有して研磨される。全ての他の表面は、精巧に磨かれだけである。構造は、次に第１の側面１４５および第２の側面１４６に沿ってさらに磨かれる。残る非対称角錐体１３８（図１７ｃ）は、所望の調整光学装置である。再び、一方向、例えば図１６ｂの面における上方および下方に角錐体１３８を移動することが、ＣＷを調整し、一方、垂直方向、例えば紙面に入るおよび出る方向に角錐体１３８を移動することが、ＢＷを調整する。したがって、２Ｄ調整機構で所望の機能性が達成される。

従来のＰＬＣ ＷＳＳの平面図である。 従来の多層ＰＬＣ ＷＳＳの側面図である。 訂正光学装置なしの本発明によるＰＬＣチップの平面図である。 図３のＰＬＣの光線図である。 導波路／空気界面を通る場を集束するために導入された球面収差を示す図である。 本発明によるＰＬＣ ＷＳＳの平面図である。 図６のＰＬＣ ＷＳＳの光線図である。 本発明によるＰＬＣ ＷＳＳの他の実施形態の平面図である。 図９ａはＡＷＧのチャネル導波路からの入力光信号のスラブ導波路領域内への分散を示す図である。図９ｂはＡＷＧのチャネル導波路と湾曲された出力スラブ領域との間に界面を作る作用を示す図である。図９ｃはＰＬＣチップの縁部からより短いある距離にＡＷＧ瞳孔と同一のサイズの仮想瞳孔を有効に配置する、案内されない領域内へのＰＬＣチップの縁部を通る屈折を示す図である。 仮想瞳孔が、波長チャネルの光線を面ＥＦＬ_{ＡＷＧ、Ａｉｒ}を外して集束する、本発明による完全近軸モデルを示す図である。 図１１ａは図８のＰＬＣ ＷＳＳのスラブ導波路領域内の周期的に分けられたスラブ・セグメントの平面図を示す図である。図１１ｂは図８のＰＬＣ ＷＳＳのスラブ導波路領域内の周期的に分けられたスラブ・セグメントの平面図を示す図である。 図８のＰＬＣ ＷＳＳのスラブ導波路領域の側面図である。 図８のＰＬＣ ＷＳＳのスラブ導波路領域内の周期的に分けられたスラブ・セグメントの側面図である。 光がＥＸＰＲＥＳＳポートに切り替えられた、本発明によるＰＬＣ ＷＳＳの他の実施形態の平面図である。 光がＡＤＤ／ＤＲＯＰポートに切り替えられた、図１４のＰＬＣ ＷＳＳの平面図である。 図１６ａは図１５によるスプリット・ミラー・アセンブリの代替実施形態を示す図である。図１６ｂは図１５によるスプリット・ミラー・アセンブリの代替実施形態を示す図である。 図１７ａは図１４のＰＬＣ ＷＳＳによる切り替えウエッジを示す図である。図１７ｂは図１４のＰＬＣ ＷＳＳによる切り替えウエッジを示す図である。図１７ｃは図１４のＰＬＣ ＷＳＳによる切り替えウエッジを示す図である。

符号の説明

２１ 基本デバイス
２２、６２、１０４ ＰＬＣチップ
２３、１０６ 入力ポート
２４ 第１のＡＷＧ
２６ 入力ファイバ
２７ 入口スラブ導波路セクション
２８、３７ａ、３７ｂ、１０８、１１３、１１８ チャネル導波路
２９、６９ 出力スラブ導波路領域
３０、１０９、１１４、１１９ 仮想瞳孔
３１ 円
３５ ＭＥＭミラー
３６ａ、３６ｂ 出力ＡＷＧ
３８ａ、３８ｂ 出口スラブ導波路セクション
３９ａ、３９ｂ、１１１ 出力ポート
４２ａ、４２ｂ 出力ファイバ
５１、６１ ＷＳＳ
５４ 外部視野レンズ
７１、８１ スラブ・セグメント
７６ コア
７７ クラッド
９１ Ａｄｄ／Ｄｒｏｐマルチプレクサ
１０１ ＣＯＭＭＯＮ ＡＷＧ
１０２ ＥＸＰＲＥＳＳ ＡＷＧ
１０３ ＡＤＤ／ＤＲＯＰ ＡＷＧ
１０７ 入力スラブ導波路
１１２ 出力スラブ導波路
１１６ 入力／出力ポート
１１７ 入力／出力スラブ導波路
１２１ 結合光学装置
１２５ ミラー面
１３１ 円筒レンズ
１３２、１３３ レンズ
１３６ 可動ミラー
１３８ プリズム
１４１ 不等辺四角形プリズム
１４２ 前面
１４３ 後面
１４５、１４６ 側面

Claims (16)

1. 波長分散デバイスであって、
   第１のプレーナ光波回路（ＰＬＣ）チップを備え、第１のプレーナ光波回路（ＰＬＣ）チップは、
   複数の波長チャネルを含む入力光信号を発射するための入力ポートと、
   複数の波長チャネルを分散するための入力アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）構造であって、前記入力ポートに光学的に結合される入力スラブ導波路領域と、前記入力スラブ導波路領域から延びるチャネル導波路の第１のアレイと、前記チャネル導波路の第１のアレイと前記第１のＰＬＣチップの第１の縁部との間で前記分散された波長チャネルを案内するための入力／出力スラブ導波路領域とを含み、前記チャネル導波路の第１のアレイと前記入力／出力スラブ導波路領域との間の界面は、湾曲され、光出力を提供するものであり、前記ＰＬＣチップの外側の湾曲した焦点面に沿って前記波長チャネルを集束させる、入力アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）構造と、
   選択された波長チャネルを出力光信号に結合するための第１の複数の出力ＡＷＧ構造であって、各出力ＡＷＧ構造は、前記第１のＰＬＣチップの前記第１の縁部から前記分散された波長チャネルを案内するための前記入力／出力スラブ導波路領域と、前記入力／出力スラブ導波路領域から延びるチャネル導波路の第２のアレイと、前記チャネル導波路の第２のアレイと前記ＰＬＣチップの第２の縁部との間で前記出力光信号を案内するための第１の出力スラブ導波路領域とを含み、前記チャネル導波路の第２のアレイと前記入力／出力スラブ導波路領域との間の界面は、湾曲され、光出力を提供する、第１の複数の出力ＡＷＧ構造と、
   前記出力光信号を出力するための第１の複数の出力ポートとを備え、
   波長分散デバイスは、さらに、
   前記第１の入力光信号から、それぞれ第１の出力ポートに出力するための前記出力光信号を形成する選択された第１の出力アレイ導波路回折格子構造へ、各前記波長チャネルを独立して再方向付けするためのスイッチング要素の第１のアレイと、
   前記湾曲ラインから前記スイッチング要素の第１のアレイを画定する直線ラインに沿って前記波長チャネルの焦点面を変更するための、前記ＰＬＣチップの第１の縁部と前記スイッチング要素の第１のアレイとの間の視野レンズとを備える波長分散デバイス。
2. 前記視野レンズに由来する球面収差は、前記ＰＬＣチップと自由空間との間の界面とは符号が反対である請求項１に記載のデバイス。
3. 前記チャネル導波路の第１のアレイと前記入力／出力スラブ導波路領域との間の前記界面は、入力ＡＷＧ構造と出力ＡＷＧ構造との間の光学的結合を改善するために円錐状である請求項１に記載のデバイス。
4. 前記第１のアレイのチャネル導波路における全ての隣接するチャネル導波路は、それらの間に一定の遅延を有する請求項１に記載のデバイス。
5. 前記ＰＬＣチップの前記縁部を通る屈折は、前記第１の縁部から距離Ｄ／ｎで仮想瞳孔を作り、ここで、ｎは、前記入力／出力スラブ導波路領域に関する有効スラブ屈折率であり、かつＤは、前記第１の縁部から前記界面への距離であり、前記視野レンズは、前記仮想瞳孔が前記視野レンズの前側焦点面に現れるように配置される請求項１に記載のデバイス。
6. 前記入力スラブ導波路領域は、前記ＰＬＣチップと前記入力スラブ導波路領域に光学的に結合された導波路との間の屈折率コントラスト差に応じて、一方の端部で実質的に１のデューティ・サイクル、および他方の端部で０と１との間のデューティ・サイクルを有する周期的に分けられたスラブ・セグメントを含む請求項１に記載のデバイス。
7. 周期的に分けられたスラブ・セグメントが、各前記出力スラブ導波路領域内に含まれ、前記周期的に分けられたスラブ・セグメントは、前記出力スラブ導波路領域から出る光の開口数を低減するために、前記ＰＬＣチップと前記入力スラブ導波路領域に光学的に結合された導波路との間の屈折率コントラスト差に応じて、第１の端部で実質的に１のデューティ・サイクル、および第２の端部で０と１との間のデューティ・サイクルを有する周期的に分けられたスラブ・セグメントを含む請求項１に記載のデバイス。
8. 前記デューティ・サイクルは、前記第２の端部で０．１と０．９との間である請求項７に記載のデバイス。
9. 前記デューティ・サイクルは、前記第２の端部で０．２５と０．７５との間である請求項７に記載のデバイス。
10. 前記スイッチング要素の第１のアレイは、前記第１の複数の出力ＡＷＧ構造の１つに第１の光信号を反射するための固定ミラーと、前記第１の複数の出力ＡＷＧの他方の１つに第２の光信号を再方向付けするための可動要素とを備える請求項１に記載のデバイス。
11. 前記可動要素は、第１の方向に往復移動可能であり、前記可動要素は、前記第１の方向の往復移動の間に前記第２の光信号の通過帯域を調整するための可変幅の面を有する請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記可動要素は、前記第２の光信号の中心波長を調整するために第２の方向に往復移動可能である請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記可動要素は、前記第２の光信号を再方向付けするための非平行な前面および後面を有するプリズムを備える請求項１０に記載のデバイス。
14. 前記プリズムは、波長チャネルを前記固定ミラーの外に屈折し、かつそれらを通して戻すための非対称角錐体である請求項１３に記載のデバイス。
15. 前記非対称角錐体は、第１の方向に往復移動可能であり、前記非対称角錐体は、前記第１の方向の往復移動の間に前記第２の光信号の通過帯域を調整するための可変幅の面を有する請求項１４に記載のデバイス。
16. 前記可動要素は、前記第２の光信号の中心波長を調整するために第２の方向に往復移動可能である請求項１５に記載のデバイス。

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