JP2008501987A - ２段光双方向送受信器 - Google Patents

Abstract

本発明は双方向送受信器における使用のための２段光フィルタを含む平面光波回路に関する。第１段は特定の波長域内の光、例えば、レーザ光源からの信号チャンネルが入力／出力導波路上に送出されることを可能にする非分散性光フィルタを含む一方、他の波長域内の光、例えば、１つまたは複数の検出器チャンネルが入力／出力導波路から第２段に差し向けられる。第２段は第１段よりも高い解像度を持つ反射性回折格子を含み、第１段よりも２から５倍狭い通過帯域を提供している。

Description

本出願は、参照により全てが本明細書に組み込まれている２００４年６月４日出願の米国特許出願第６０／５７６５９４号明細書、２００４年６月４日出願の同第６０／５７６５９５号明細書、および、２００４年６月８日出願の同第６０／５７７６０４号明細書からの優先権を主張する。

本発明は２段光フィルタに関し、より詳細には、ファイバ・トゥ・ザ・ホーム（ＦＴＴＨ）光ネットワークにおける使用のための平面光波回路（ＰＬＣ）光双方向送受信器に関する。

双方向送受信器、例えば、トリプレクサまたは音声データ・ビデオ（ＶＤＶ）プロセッサは、ＦＴＴＨ光ネットワークから加入者の家庭への光ゲートウェイとして機能する。トリプレクサは、２つの高速チャンネル（例えば、電話およびインターネット用の１４９０ｎｍならびにビデオ用の１５５０ｎｍ）を受信可能である一方、同時に第３のチャンネル（例えば、情報を送出するための１３１０ｎｍ）で送信可能な極端にコンパクトかつ低コストのアクセス・デバイスである。全てのこれらの信号は、単純な設置設備に対して単一の光ファイバ中に多重化されている。事業用の目的に対して、ビデオ・チャンネルは２チャンネル双方向送受信器またはバイプレクサの形成を省略することができる。代わりに、追加の外出（outgoing）情報用チャンネルならびに追加の入来（incoming）データ用チャンネルを追加することができる。

代表的なバイプレクサおよびトリプレクサの要件は、従来のＰＬＣ設計技術に対するかなりの挑戦を提示している。光学的アーキテクチャは、家庭から光信号を送信するために波長が定格で１３１０ｎｍのレーザがシングル・モードのファイバに結合されることを必要とする。その同じファイバ上の他の方向では、家庭の外からの定格１４９０ｎｍおよび１５５０ｎｍの波長の光が取り込まれ、多重分離され、かつ、光検出器に差し向けられる。それらの波長における動作上の通過帯域により困難が生じている。１３１０ｎｍチャンネルでは、レーザが根本的に非熱伝導的に動作可能な大きなマージンをもたらす５０ｎｍから１００ｎｍの帯域が期待されるのに対して、検出器のチャンネルに対して必要である１０ｎｍから２０ｎｍのみの帯域が期待されている。さらに、レーザ・ダイオードはシングル横モードで動作し、一般的な入出力ファイバはシングル・モード・ファイバである。そのため、レーザ・チャンネルが後に続く経路は、全ての地点で、シングル・モード光学系と共用できなければならない。言い換えれば、レーザ・チャンネルの経路は往復可能でなければならない。従来技術、特にＰＬＣにおいて単一の回折構造を使用する設計では、実質的に異なった通過帯域を有するチャンネルを使用して広い波長範囲（〜１２５０ｎｍから１６００ｎｍ）にアドレスする現実的な手段はない。

Ａｌｔｈａｕｓに対して２００２年１２月１０日に発行された米国特許第６４９３１２１号明細書に開示され、かつ、図１に示されているものなどの従来技術のデバイスは、コリメートされたビーム経路に沿った特定の位置に設置され、いくつかの別個に作成された薄膜フィルタ（ＴＦＦ）２ａおよび２ｂを使用するＶＤＶプロセッサ（トリプレクサ１）の機能を達成している。ＴＦＦ２ａおよび２ｂは独立したレーザ３ならびに光検出器４ａおよび４ｂと結合され、かつ、個別のトランジスタ形（ＴＯ）缶６に実装され、続いて、個別に１つの構成部分に組み立てられる。２つの入来チャンネル（１４９０ｎｍおよび１５５０ｎｍ）を使用した入来信号が光ファイバ７を介してトリプレクサ１に入来する。第１のチャンネルは第１のＴＦＦ２ａにより多重分離され、かつ、第１の光検出器４ａに差し向けられ、第２のチャンネルは第２のＴＦＦ２ｂにより多重分離され、かつ、第２の光検出器４ｂに差し向けられる。外出チャンネル（１３１０ｎｍ）は、レーザ３において生成され、かつ、第１および第２のＴＦＦ２ａおよび２ｂを介して光ファイバ７に出力される。残念ながら、そのようなデバイスの組立ては極端に労働集約的であり、要素の全てが非常に小さな許容誤差で位置合わせされることを必要としている。

筐体構造の、および、それによる組立て工程の簡略化の試みが、Ａｌｔｈａｕｓらに２００４年５月４日に発行された米国特許第６７３１８８２号明細書およびＭｅｌｃｈｏｉｒらに２００４年１月２９日に発行された同第６５７５４６０号明細書に開示されている。図２に示されたさらなる進歩は、半導体のマイクロベンチ上に要素の全てを搭載することを含み、反復可能かつ精密な位置合わせを確保している。残念ながら、これらの解決策の全てはＴＯ缶とのＴＦＦの位置合わせを未だに含む。ＴＦＦを使用しない従来技術の解決策の例は、Ｂａｕｍａｎｎらに２００４年２月１７日に発行された米国特許第６６９４１０２号明細書に開示され、同特許は複数のマッハ−ツェンダー干渉計を利用した双方向多重化器を開示している。

光学において、回折格子は、反射性または透過性の基板上の細かい、平行な、等しく間隔を空けられた溝（「罫線」）のアレイであり、この溝は、反射または透過された電磁エネルギーを別個の方向に集中させる回折性かつ相互に干渉性の「次数」または「スペクトル次数」と呼ばれる効果をもたらす。

溝の寸法および間隔は問題の波長のオーダにある。光学の枠内では、回折格子の使用が最も一般的であるが、ミリ当たり何百または何千もの溝がある。

ゼロ次は直接的な透過または鏡面反射に相当する。より高い次数は、幾何（光線）光学により予測される方向からの入射ビームの逸脱をもたらす。垂直な入射角の場合、角度θ、幾何光学により予測された方向からの回折光の逸脱は以下の式により与えられ、ここで、ｍはスペクトル次数、λは波長、かつ、ｄは隣接する溝の対応する部分間の間隔である。

回折ビームの逸脱の角度が波長依存であるため、回折格子は分散性である。すなわち、回折格子は、入射ビームをその構成波長成分に空間的に分離し、スペクトルを生成する。

回折格子により生成されたスペクトル次数は、入射ビームのスペクトルの内容、および、格子上の単位距離当たりの溝の数によっては重なることがある。スペクトル次数が高くなるほど、次のより低い次数への重なりが大きくなる。回折格子はモノクロメータおよび他の光学機器に頻繁に使用されている。

溝の断面形状を制御することにより、問題の次数の回折エネルギーの大半を集中させることが可能である。この技術は「ブレージング」と呼ばれる。

本来、高解像度回折格子は線引きされていた。高品質罫線引き機の構築は大事業であった。後日のフォトリソグラフィ技術は、ホログラフィの干渉縞から格子が作成されることを可能にしている。ホログラフィ格子は正弦形溝を有し、そのため、さほど明るくはないが、モノクロメータには好適である。なぜなら、この格子はブレーズ格子よりもはるかに低いレベルの迷光をもたらすからである。コピー技術は、高品質のレプリカがマスター格子から作成されることを可能にし、このことが格子の費用の低減に役立っている。

平面導波路反射性回折格子は、規則的な連続体に配列されたファセットのアレイを含む。単純な回折格子の性能は図３を参照して示されている。複数の波長チャンネルλ_１、λ_２、λ_３、．．．を備えた光ビーム１１は、格付けピッチΛおよび回折次数ｍを持つ回折格子１２に特定の入射角θ_ｉｎで入射する。続いて、光ビームは、以下の回折格子の式に従って、波長および次数によって角度θ_ｏｕｔで角度の面で分散される。

回折格子の式（１）から、回折された次数の形成のための条件は入射光の波長λ_Ｎに依存する。スペクトルの形成を考慮すると、回折の角度θ_Ｎｏｕｔが入射波長θ_ｉｎと共にどのように変化するかを知ることが必要となる。したがって、入射角θ_ｉｎが固定されていることを確実にして、θ_Ｎｏｕｔに関して式（１）を微分することにより、以下の式が導出される。

量ｄθ_Ｎｏｕｔ／ｄλは、波長λの小さな変化に対応した回折角θ_Ｎｏｕｔの変化であり、回折格子の角度分散として知られている。角度分散は次数ｍが増加するに従い、格付けピッチΛが減少するに従い、および回折の角度θ_Ｎｏｕｔが増大するに従い増大する。回折格子の線形分散は、この項と系の有効焦点距離の積である。

異なった波長λ_Ｎの光が異なった角度θ_Ｎｏｕｔで回折されるため、各次数ｍはスペクトル中に引き出される。特定の回折格子により生成され得る次数の数は、格子ピッチΛにより限定される。なぜなら、θ_Ｎｏｕｔが９０度を超えられないからである。最高の次数はΛ／λ_Ｎにより与えられる。その結果、（大きなΛを持つ）粗い格子は多くの次数を生成する一方、細かい格子は１つまたは２つのみを生成することがある。

回折格子の自由スペクトル域（ＦＳＲ）は、隣接する次数の同じ帯域幅とは重ならない特定の次数の最大帯域幅として定義されている。次数ｍは、連続分散が得られる自由スペクトル域を決定する上で重要である。特定の入力／格子／出力配置構成に対して、好ましい波長λに対する好ましい回折次数ｍにおける格子の動作の場合、他の波長は他の回折次数で同じ経路を辿る。次数の第１の重なりは以下の時に発生する。

ブレーズ格子は、図３に示すように、ブレーズ角ｗを使用して直角三角形を形成するように回折格子の溝が制御されているものである。ブレーズ角ｗの選択は、特に特定の波長に対して、回折格子の全体的な効率の概要を最適化する機会を提供する。

平面導波路回折に基づくデバイスは、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）に対する近赤外（１５５０ｎｍ）領域において、優れた性能を提供する。特に、高い回折次数（４０から８０）、大きな入射角（約６０度）、および、大きな格付けピッチで通常は動作するエシェル格子における進歩は、干渉し合う経路間の大きな位相差につながっている。格子ファセットのサイズが回折次数と共に拡大縮小することにより、回折に基づく平面導波路デバイスの高信頼性の製造に対してそのような大きな位相差が必要なものであると、長く考えられてきた。そのため、現在のデバイスは、必要となる高い回折次数のために、狭い波長域にわたる動作のみに限定されている（式５参照）。

さらに、平面導波路プラットフォーム内に組み立てられた回折格子に基づくデバイスに対して、従来技術において直面された共通の問題は、反射性ファセットＦに隣接した導電性金属Ｓ（反射性コーティング）の存在により引き起こされる１つの偏光の場の排除から生じる偏光依存性損失である。

光ファイバを介して伝播する光信号は、不確定の偏光状態を有し、多重化器（多重分離器）が偏光依存性損失を最小に抑えるように実質的に偏光に不感であることを必要とする。近リトロー条件およびブレーズされた近リトロー条件で使用されている反射格子において、両方の偏光の光は反射性ファセット（図３のＦ）から十分に等しく反射する。しかし、金属被覆側壁ファセットＳは境界条件を導入し、表面（ＴＭ）に平行な偏光を持つ光が表面付近に存在することを防止する。さらに、１つの偏光の光は、他の偏光の光と比較して、側壁Ｓ上の金属によって優先的に吸収される。最終的に、側壁金属の存在はデバイスの性能において自身を偏光依存性損失（ＰＤＬ）として出現させている。

回折格子の偏光感度を低減するために、膨大な数の方法および装置がある。米国特許第５９６６４８３号明細書および同第６０９７８６３号明細書において、Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙは、透過性帯域内の波長の第１と第２の回折効率の間の差を低減することを選択することによる偏光感度の低減を説明している。この解決策は限定された有用性のものとなり得る。なぜなら、この解決策が、ブレーズ角およびブレーズ波長の選択に制限を必要としているからである。

米国特許第６４００５０９号明細書においてＳａｐｐｅｙらは、平坦部により分離された反射性段差面および横方向立ち上がり面を含むことにより偏光感度が低減され得ることを教示している。この解決策も限定された有用性のものである。なぜなら、この解決策は、いくつかの面に反射性コーティングを必要とするが、他の面には必要とせず、反射性境界面の選択的処理を必要とする追加の製造工程につながるからである。

格子の自由スペクトル域は格子ファセットのサイズに比例する。フォトリソグラフィによるエッチングの手段によっては低い回折次数を持つ格子が高信頼性には形成できないことは長く考えられてきた。なぜなら、低い次数は、フォトリソグラフィの解像度より小さいか、または、それに匹敵する段差をしばしば示唆するからである。フォトリソグラフィの解像度およびその後の処理工程は格子の性能を損ない、かつ、実質的に低下させる。したがって、エッチングされた格子の場は、現実的な理由のために、次数１０を典型的に超える適度に大きな回折次数に自身を制限している。次数１に近い範囲の次数を持つデバイスは、実現が非現実的であると長く考えられてきた。

トリプレクサの設計における他の重要な検討事項は、１４９０ｎｍおよび１５５０ｎｍチャンネルからの１３１０ｎｍチャンネルの光学的分離、および、最小に維持されなければならない各チャンネルの挿入損失である。このことは１３１０ｎｍのレーザ・チャンネルに対して特に真実である。なぜなら、導波路チップへのレーザ・ダイオードの結合が困難な工程であり、フィルタ損失により許容される緩められた許容誤差を必要とするからである。さらに、非常に平坦かつ幅広い通過帯域が全てのチャンネルのために必要となる。

ＶＤＶプロセッサにおいて、１３１０ｎｍのレーザ光源と１４９０ｎｍおよび１５５０ｎｍの受信器チャンネルとの間には、５０ｄＢ付近の分離が時々必要とされる。格子に基づくデバイスにおいて、背景光の主な光源は、ファセットの外形の欠陥からの散乱から生じている。ファセット自体は、波長に固有の形で光を散乱および合焦させるための位相コヒーレントな境界面を作るように配列されている。反射性ファセットと非反射性側壁の間の角部の丸まりも周期的となり、したがって、空間的にコヒーレントとなるが、不適切な位相では、低い強度を持つ周期的なゴースト画像につながる。ファセットの粗さは空間的にインコヒーレントとなり、ランダムな低レベルの背景光につながる。そのため、もし強力なレーザ信号が格子に入射し、かつ、受信器チャンネルもその格子から得られていれば、受信器チャンネルは、レーザの強度を下回る典型的に３０ｄＢレベルでのレーザから寄与された強力な背景を有する。約５０ｄＢの分離は実際的なＶＤＶプロセッサの要件により近い。
米国特許第６４９３１２１号明細書 米国特許第６７３１８８２号明細書 米国特許第６５７５４６０号明細書 米国特許第６６９４１０２号明細書 米国特許第５９６６４８３号明細書 米国特許第６０９７８６３号明細書 米国特許第６４００５０９号明細書

本発明の目的は、高い分離および低い挿入損失を備えた２段光フィルタ平面光波回路双方向送受信器を提供することにより、従来技術の短所を克服することである。

従来の反射性格子デバイスにおいては、意図された波長の意図された位置へのスループットを最大化するために分光計の出力角が選択されている。意図された出力発光とほぼ同程度の強度に非常に強いことのあるリトロー放射にはほとんど配慮がなされていない。光通信の領域では、入力経路に沿って戻る光は光学系の全体的性能にとって破壊的なものとなり得る。したがって、反射性格子に基づくデバイスは通信システムに問題を持ち込む可能性がある。その結果、通信のためのほとんど全ての構成部分が最大「反射減衰」または「後方反射」に対する仕様を有しており、この仕様は反射性格子技術を使用して達成することが特に困難であったもので、入力ファイバに向けて高強度の光を直接に反射し戻すために設計により最適化された基本的レイアウトをデバイスが有するものである。

さらに、もし同じ波長がいくつかの異なった角度で分光計から現れるように多数の回折次数が使用を意図されていれば、２次回折の強度は（無限小の量まで）極端に弱いことのある可能性がある。したがって、集積多重分離チャンネル・モニタなどの製品は、２次回折チャンネルにおいて貧弱かつ恐らく不十分な応答性を達成する。

現在、光通信システムにおいて使用されている波長分離デバイスは、本来的に極端に透過性であり、例えば、構成部分から後方に直接に反射する光により引き起こされた強い干渉のないアレイになった導波路格子または薄膜フィルタを採用している。

本発明の目的は、入力ポートへの後方反射を最小に抑え、かつ、様々な回折次数から集光された出力光を最大化するために、格子ファセット回折包絡線に従って最適に位置決めされた入力ポートおよび出力ポートを備えた多重化器／多重分離器を提供することにより従来技術の短所を克服することである。

理想的には、多重化／多重分離（ＭＵＸ／ＤＥＭＵＸ）システムはレーザ波長の小さな変動にもかかわらず一貫して動作し、このことは、多重化／多重分離が周波数領域において平坦な通過帯域を備えて設計されることを必要とする。

光通信の分野で光多重化／多重分離または光チャンネル・モニタ／性能モニタ（ＯＣＭ／ＯＰＭ）に対して使用されているアレイ導波路格子（ＡＷＧ）およびエシェル格子がエッチングされた導波路分光計の双方に対しては、多数の設計が存在する。従来、分光計ユニットの平坦な通過帯域性能は、通過帯域の形状を、導波路に基づくデバイスでは分光計に一般的である理想的な小幅ピーク・ガウス帯域形状から劣化させることにより、より大きな挿入損失を犠牲として達成されている。帯域の形状は、分光計ユニットの入口または出口における光学的開口を広げることにより、および／または、干渉要素に、例えば、焦点外し、コマ収差、球面収差などの収差を導入することにより劣化させられる。理想的な設計に対してさえ、鋭い帯域遮断を備えた平坦な通過帯域頂部は、分光計の透過を犠牲にして実現するのみである。さらに、通過帯域の平坦化は現在の設計では一時的な狭まりをもたらさない。

Ｊｉａｎ−Ｊｕｎ Ｈｅに対して２００１年１０月２日に発行された米国特許第６２９８１８６号明細書およびＨａｎらに対して２００１年２月１３日に発行された６１８８８１８号明細書などの格子に基づく従来のデバイスの場合、平坦な通過帯域性能は、各チャンネルのピークにおける透過を犠牲にすることのみにより達成され得る。さらに、周波数領域における通過帯域の平坦化を伴う時間領域における衝撃の短縮化がない。

したがって、本発明の目的は、系の第１の格子からの発光が第２の格子内への入射角度の周期的なオフセットを達成するように連続して使用される１対の格子を含む多重化／多重分離器を提供することにより、従来技術の短所を克服することである。

したがって、本発明は、システム導波路から第１および第２の入力チャンネルを受信するための、および、システム導波路上に出力チャンネルを送信するための２段光フィルタ平面光波回路デバイスであって、
出力チャンネルを送信するためのレーザ送信器と、
出力チャンネルをシステム導波路に多重化するため、および、出力チャンネルから第１および第２の入力チャンネルを分離するための第１の通過帯域を有する非回折フィルタと、
第１および第２の入力チャンネルの各々が第１の通過帯域より狭い第２の通過帯域を有する、第１および第２の入力チャンネルを多重分離するための回折格子フィルタと、を含むデバイスに関する。

回折格子フィルタは、第１および第２の入力チャンネルを受信するための入力ポートと、ある入射角度で第１および第２の入力チャンネルを受信する回折格子と、回折格子フィルタから第１および第２の入力チャンネルをそれぞれ出力するための第１および第２の出力ポートを含む。

２段光フィルタ平面光波回路デバイスは、それぞれ第１および第２の入力チャンネルを送信するための第１および第２のポートにそれぞれ光学的に結合された第１および第２の出力導波路と、
入力チャンネルを電気信号に変換するための第１および第２の出力ポートにそれぞれ光学的に結合された第１および第２の光検出器と、をさらに含む。

したがって、本発明は、
複数の光チャンネルからなる入力光信号を送出するための入力ポートと、
原理回折最大値（principle diffraction maximum）、複数のより高い次数の回折最大値、および、それらの間の複数の回折最小値を有する回折包絡線に光信号を分散するための反射性導波路回折格子と、
前記光チャンネルを出力するための第１の複数の出力ポートと、を含み、
前記入力ポートは、反射性導波路回折格子から反射された光の量を、入力ポートに進入することから制限するために、前記回折最小値の１つに位置決めされている平面導波路光デバイスに関する。

本発明の他の態様は、
複数の光チャンネルからなる入力光信号を送出するための入力ポートと、
原理回折最大値、複数のより高い次数の回折最大値、および、それらの間の複数の回折最小値を有する回折包絡線に光信号を分散するための反射性導波路回折格子と、
前記光チャンネルを出力するための原理回折最大値に沿って位置決めされた第１の複数の出力ポートと、を含む平面導波路光デバイスに関する。

本発明の他の態様は、
複数の光チャンネルからなる入力光信号を送出するための入力ポートと、
原理回折最大値、複数のより高い次数の回折最大値、および、それらの間の複数の回折最小値を有する回折包絡線に光信号を分散するための反射性導波路回折格子と、
前記光チャンネルを出力するための第１の複数の出力ポートと、
より高い次数の回折最大値の１つからの光を出力するために、同１つに沿って位置決めされた第２の複数の出力ポートと、を含む平面導波路光デバイスに関する。

したがって、本発明は、特定のチャンネル間隔を備えた複数の出力チャンネル帯域に入力光信号を分離するための光チャンネル多重分離器デバイスであって、
特定のチャンネル間隔における複数の光チャンネル帯域を含む入力光信号を送出するための入力ポートと、
出力角の実質的に同じ範囲にわたり各光チャンネル帯域を分散するための第１の次数、特定のチャンネル間隔に実質的に等しい第１のＦＳＲを有する第１の光学格子と、
光チャンネル帯域の各１つの各波長を同じ出力角で差し向けるため、および、各光チャンネル帯域を異なった出力角で差し向けるための第２の次数、および、前記第１の反射性格子から前記光チャンネル帯域を受信するための第２のＦＳＲを有する第２の光学格子と、
複数の光チャンネル帯域の個々の１つを出力するための複数の出力ポートと、を含むデバイスに関する。

本発明の他の態様は、特定のチャンネル間隔を備えた複数の入力チャンネル帯域を単一の出力信号に結合するための光チャンネル多重化器デバイスであって、
複数の光チャンネル帯域の個々の１つを入力するための複数の入力ポートと、
異なった入力角において光チャンネル帯域の各々をそれらの個々の入力ポートから受信するための、および、各光チャンネル帯域を実質的に同じ範囲の出力角にわたり差し向けるための第１のＦＳＲおよび第１の次数を有する第１の反射性格子と、
各光チャンネル帯域を出力信号に結合するための特定のチャンネル間隔に実質的に等しい第２の次数および第２のＦＳＲを有する第２の反射性格子と、
出力信号を出力するための出力ポートと、を含むデバイスに関する。

本発明は、その好ましい実施形態を示す添付の図面を参照してより詳細に説明される。

平面光波回路（ＰＬＣ）回折格子の設計の主な関心事の１つは、それぞれ反射性および側壁のファセットＦおよびＳの製造可能性である。さらに、これまでのファセットの製造可能性に対する主な制限はフォトリソグラフィの解像度の限界であった。典型的なフォトリソグラフィの手順は０．５から１．０μｍの範囲における解像度に限定され、そのため、格子から合理的な性能を達成するための最低要件は、反射性ファセットのサイズＦがこの解像度より大きくなければならず、すなわち、サイズが２．５から５μｍ以上でなければならないことである。

図４において、光路は、入力および出力の角度θ_ｉｎおよびθ_Ｎｏｕｔがそれぞれ同一であるとの仮定により簡略化されている。この仮定はファセットの幾何形状の数学的処理を簡略化するのみのためである。したがって、

式（１）は以下に簡略化される。

式６および７を結合すると、以下が得られる。

図１から、

歴史的には、４５度から６５度の入射角および出力角が使用され、約１となるＦ／Ｓの格子ファセットのアスペクト比に不可避的につながる（図３および式９を参照）。１５５０ｎｍの波長において、式（６）から、反射性表面Ｆおよび非反射性表面Ｓの双方に対する１０から１７μｍのファセット・サイズがＤＷＤＭの実用例に対して従来技術では容易に達成可能であることが見出される。このことは格子ファセットＦを製造可能とするが、偏光依存性損失に寄与している大きな非反射性ファセット（または、側壁）Ｓを犠牲としている。従来技術では、ファセット・サイズの変化は、回折次数ｍを変化させること、すなわち、式（８）の分子を調整することによってもなされる。

電気通信ネットワークは、ＤＷＤＭからＣＷＤＭおよびＦＴＴＨの各ネットワークに進化してきた。後者の２つのネットワーク・アーキテクチャは、〜１２５０ｎｍから〜１６３０ｎｍの広い波長域に広がるチャンネルを有する。これらの広い範囲は高い回折次数のデバイスによっては機能され得ず、１程度に低い次数をしばしば必要としている。従来技術の実施者は式（８）に気付いていないか、使用していなかった。低い回折次数ｍおよび４５度から６５度の動作角θ_ｉｎおよびθ_ｏｕｔにおいて、結果として平面導波路回折格子に対して得られるファセット・サイズＦは、現実的に製造可能となるには小さすぎる。現在の平面導波路回折に基づくデバイスはＡＷＧおよびエシェル格子を含む。両者とも高い回折次数に依存し、ＡＷＧは案内の経路決定の理由のための高い次数の動作を必要とし、エシェル技術は、より容易に製造される大きなファセット・サイズを維持するために高い次数を採用している。そのため、従来技術は、平面導波路プラットフォームにおけるＣＷＤＭまたはＦＴＴＨの各ネットワーク・アーキテクチャにアドレスする上で内因性の限界を有する。

本発明は、式（８）の重要性、特に、分母の角度依存性を介して格子ファセットのアスペクト比Ｆ／Ｓの増大が可能であるという事実を認識している。回折角が低減されるに従い、ファセット・サイズはｔａｎθ_ｉｎと共に線形的に増大する。加えて、発明者は、ファセットのアスペクト比Ｆ／Ｓの増大が改善された偏光依存性損失、および、より大きな自由スペクトル域を備えたデバイスをもたらすことを認識している。

例えば、珪素酸化物／シリコン構造において、１５５０ｎｍの波長における（ＣＷＤＭまたはＦＴＴＨの各ネットワークに対して最小の現実的自由スペクトル域をもたらす）５以下の回折次数、および、５．０μｍを超える反射性ファセットＦのサイズは、Ｆ／Ｓが、回折角を約２５度に低減することによって達成できる３を超えるように増大することを必要とする。したがって、本発明は、少なくとも３の非反射性ファセット（または、側壁）に対する反射性ファセットの比を備えた全ての平面導波路回折格子の設計を包含する。他の平面導波路材料は、珪素酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、シリコン／絶縁体、または、インジウム隣化物を含む。

ＰＤＬの量はアスペクト比Ｆ／Ｓおよび非反射性ファセットＳの長さに強く依存する。従来のエシュレ設計は〜１のアスペクト比を有し、かつ、側壁依存性ＰＤＬを厳しく条件としている。しかし、３を超えるＦ／Ｓに対しては、非反射性ファセットがＰＤＬに実質的にはより小さな寄与をしている。Ｆ／Ｓをさらに増大させることにより、反射光の波長以下の非反射性格子ファセットのサイズＳ、例えば、Ｓ≦３０００ｎｍ、好ましくはＳ≦２５００ｎｍ、より好ましくはＳ≦２０００ｎｍ、かつ、最終的に好ましくはＳ≦１５５０ｎｍを備えた製造可能なファセットを設計することが可能となる。このような格子に対して、金属被覆された側壁との光の相互作用の長さはデバイスのＰＤＬ自由動作が可能となるほどに小さい。

したがって、ｔａｎ（θ）が小さい領域に入れば、すなわち、１／３比またはθ＜２５度を達成するためには、側壁依存性のＰＤＬを低減することができる。

製造可能性の立場から、もし反射性ファセットＦが大きければ、フォトリソグラフィの解像度の限界にもかかわらず、ファセット自体は忠実に再現される。小さな非反射性ファセットＳは忠実に再現される可能性は低く、かつ、わずかに丸まってしまうが、格子の性能は影響を受けない。従来技術の実施者は、疑いなく、ピッチが式（１）に従った如くの分散を支配していることを理解している。しかし、格子のピッチを反射性ファセット（図３の側壁Ｓ）間の通常の距離に等しくすることは非常に一般的である。この考えを以って、側壁Ｓへの歪みはピッチへの歪みと等しくすることができる。これは誤った概念であり、事実、ピッチは式（６）により与えられる。反直感的に、ピッチはＳではなくＦと共に増大する。本発明者はこの事実を認識し、かつ、ピッチに影響を与えるリスクなしに、式（９）に示されたアスペクト比を増大、すなわち、Ｓ／Ｆを低減できる。事実、格子の再現の忠実度は、フォトリソグラフィによってではなく、マスク自体上のフィーチャの正確さにより制限される。この制限はフォトリソグラフィの解像度より数オーダ（１００倍）大きさが小さい。

式（８）と（９）を結合すると以下を見出す。

したがって、小さな回折次数（必要であれば、ｍ＝３、２、または、１）を選択することにより、ＰＤＬをほとんど排除することができる。なぜなら、側壁のサイズＳが波長より小さくなるからである。

図４および図５に示された好ましい実施形態において、分散性ＰＬＣ光フィルタ１９は凹面反射性回折格子２０を含み、同格子２０はチップ２２に設けられたスラブ導波路２１の辺縁部に形成されている。入力ポートは導波路２３の端部により規定され、導波路２３は入力波長分割多重（ＷＤＭ）信号を送信するためにチップ２２の辺縁部からスラブ導波路２１に延長し、導波路２１に対する複数の波長チャンネル（λ_１、λ_２、λ_３、．．．）を含む。図４を参照して上記に定められた如くの回折格子２０は、５より大きなアスペクト比（Ｆ／Ｓ）および波長チャンネル（λ_１、λ_２、λ_３、．．．）の平均波長以下の側壁長Ｓを有する。入力導波路２３は、入射角θ_ｉｎが４５度未満、好ましくは３０度未満、かつ、より好ましくは１５度未満であることを確実にするように位置決めされ、ならびに、格子ピッチΛは、格子２０が５以下の次数で回折をもたらすことを確実にするように選択されている。回折格子２０は入力信号を構成波長に分散し、かつ、各波長チャンネルを出力導波路２５の形の独立した出力ポートに合焦させ、導波路２５の両端は、チップ２２の辺縁部への送信のし戻しのために、ローランド円により規定された格子２０の焦点線（focal line）２６に沿って配置されている。示されたデバイスはいくつかの波長チャンネルを多重化し、入力導波路２３を介してチップ２２の辺縁部に送信し出される単一の出力信号に導波路２５を入力するためにも使用することができる。入力ポートおよび出力ポートは、光が送出され得る、または、取り込まれ得るスラブ導波路２１上の位置を表すが、各ポートは他の透過デバイスと光学的に結合され得るか、または、単に遮断され得る。

図３に示された好ましい実施形態において、凹面反射性回折格子１０はチップ１２に設けられたスラブ導波路１１の辺縁部に形成されている。入力ポートは導波路１３の端部により規定され、導波路１３は入力波長分割多重（ＷＤＭ）信号を送信するためにチップ１２の辺縁部からスラブ導波路１１に延長し、導波路１１に対する複数の波長チャンネル（λ_１、λ_２、λ_３、．．．）を含む。図２を参照して上記に定められた如くの回折格子１０は、５より大きなアスペクト比（Ｆ／Ｓ）および波長チャンネル（λ_１、λ_２、λ_３、．．．）の平均波長以下の側壁長Ｓを有する。入力導波路１３は、入射角θ_ｉｎが３０度未満であることを確実にするように位置決めされ、かつ、格子ピッチΛは、格子１０が５以下の次数で回折をもたらすことを確実にするように選択されている。回折格子１０は入力信号を構成波長に分散し、かつ、各波長チャンネルを出力導波路１５の形の独立した出力ポートに合焦させ、導波路１５の両端は、チップ１２の辺縁部への送信のし戻しのために、ローランド円により規定された格子１０の焦点線１６に沿って配置されている。示されたデバイスはいくつかの波長チャンネルを多重化し、入力導波路１３を介してチップ１２の辺縁部に送信し出される単一の出力信号に導波路１５を入力するためにも使用することができる。入力ポートおよび出力ポートは、光が送出され得る、または、取り込まれ得るスラブ導波路１１上の位置を表すが、各ポートは他の透過デバイスと光学的に結合され得るか、または、単に遮断され得る。

上述の光デバイスを動作させるための特定の実施例は、以下の通りである。

バイプレクサまたはトリプレクサに対して、関連する通過帯域は、レーザに対して１００ｎｍ、および、検出器チャンネルに対しては〜２０ｎｍである。このようなデバイスは、単一の回折構造で実施するのは非現実的である。なぜなら、様々なチャンネルが共通の物理的分散を共有するからである。最小の合理的案内導波路幅が格子の出力において２０ｎｍの通過帯域を扱うように、分光計のスラブ領域が選択されていると仮定する。１００ｎｍ通過帯域チャンネルに必要な導波路幅は、無数のモードに対応するように広くなっており、もし反転可能な経路がこのチャンネルに必要であれば、組立て許容誤差への高感度を備えたデバイスを作り出す。

図６を参照すると、本発明による２段光フィルタは、平面光波回路（ＰＬＣ）チップ３６内に形成された非分散性フィルタ３１、分散性フィルタ３２、レーザ光源３３、ならびに、第１および第２の光検出器３４および３５を含む。検出器チャンネルの１つが省略されれば、単一の光検出器３４が設けられ得る。好ましくは、非分散性フィルタ３１は、レーザ・チャンネルから受信器チャンネルを分離する波長選択性方向性カプラ、すなわち、特定の幅の２つの平行した導波路、間隔、および、カップリング長である。代案として、非分散性フィルタ３１は波長依存性モード干渉（ＭＭＩ）フィルタまたは位相依存性波長スプリッタ、例えば、波長帯域を分割するために設計されたマッハ・ツェンダー干渉計とすることができる。単一段カプラの代わりに、多段カプラまたはＭＭＩが使用され得、これは単一段フィルタにより一般に生成される通過帯域より平坦な通過帯域をもたらし、単一段フィルタからの通過帯域が不安定になり始めたところで、チャンネルの外辺部での挿入損失を僅かに改善する。

レーザ光源３３は、データ・チャンネルを、導波路４１に沿って非分散性フィルタ３１に送信し、フィルタ３１はデータ・チャンネルを出力導波路４２上に多重化する。システム導波路４３、例えば、光フィルタはＰＬＣチップ３６の辺縁部において出力導波路４３に光学的に結合されている。モニタ・フォトダイオード４６はレーザ光源３３の後方ファセットに近接して位置決めされ得るが、本発明の構造は、モニタ・フォトダイオード４６が、レーザ光の小さな部分（２％）を分離するタップ・カプラ４７を介してレーザ光源３３の上流にレーザ光源３３と光学的に結合されて位置決めされることを可能にする。後方ファセット・モニタはレーザにより生成された光を測定するが、導波路４１に、すなわち、ＰＬＣチップ３６内に実際に結合されたものは測定しない。しかし、下流のフォトダイオード４６は導波路４１において光が結合されたものを直接に測定することができる。

検出器チャンネルはフィルタの双方の段、すなわち、非分散性フィルタ３１および分散性フィルタ３２を通過しなければならず、かつ、格子に基づく分散性フィルタ３２により処理される。好ましくは、分散性フィルタ３２は、図５を参照して開示されたように、分散性フィルタ１９と同様であり、好ましくはローランド円により規定された焦点線５６を備えた凹面反射性回折格子５０を含む。上記のように、非分散性フィルタ３１と分散性フィルタ３２の間に延長する送出用導波路５３は、入射角θ_ｉｎが４５度未満、好ましくは３０度未満、かつ、より好ましくは１５度未満となることを確実にするように位置決めされている。さらに、回折格子５０は、回折格子５０が５以下の次数で回折をもたらすことを確実にするように選択されたピッチΛを有する。

格子に基づく典型的な多重分離器は、双方向送受信器の実用例に必要とされるように広く平坦にすることが困難である比較的鋭い通過帯域を示す。したがって、本発明は焦点線５６に沿った出力ポートにおいて多モード出力導波路５１および５２を組み込んでいる。多モード導波路５１および５２は無数のモードの集積に対応しており、このことは図７に示された如くの格子出力のスペクトル応答を平坦化するように機能する。代案として、第１および第２の出力導波路５１および５２は、それぞれ第１および第２のポートに隣接した多モード区間、および、回折格子フィルタ３１に平坦化されたスペクトル応答を供給するための多モード区間からは離れた単一モード区間を含む。導波路５１および５２は、光を出力ポートからそれぞれ第１および第２の光検出器３４および３５に差し向ける。

本発明は、２段フィルタを組み込むことにより検出器および信号チャンネルにための変化する通過帯域を達成し、この帯域内では、レーザ・チャンネルが検出器チャンネルから分離され、これらのチャンネルはより高い解像度の分散性要素でさらに多重分離される。したがって、レーザ・チャンネルの通過帯域はフィルタの第１段、例えば、波長選択性方向性カプラ３１により決定され、一方、検出器チャンネルの通過帯域はフィルタの第２段、例えば、格子に基づく分散性要素３２により決定される。方向性カプラ３１は、図８に示す如くの１００ｎｍの通過帯域を容易に網羅するように設計され得る。検出器チャンネルは格子によるさらなる処理を受ける。

図７および図８に例証されているように、狭い送信通過帯域が検出器チャンネルのために達成されるのに対して、レーザ・チャンネルは非常に広い。１４９０ｎｍおよび１５５２ｎｍにおける検出器チャンネルはフィルタの双方の段に遭遇し、これらのチャンネルは分散性フィルタ３２により狭い帯域に分散される。非分散性フィルタ３２に使用されている出力導波路５１および５２は、通過帯域が問題の範囲全体にわたり極端に平坦かつ広いことを可能にする。１３１０ｎｍの放射は、極端に低い損失でフィルタの第１段のみ、例えば、波長選択性方向性カプラのみに続いて抽出される。したがって、レーザ・チャンネルに対する損失は、レーザ・チャンネルが１つまたはいくつかの格子に基づく要素を通過しなければならない他のトリプレクサ・フィルタに大幅に勝っている。本２段構成は、レーザ光源３３から第１および第２の光検出器３４および３５への直接経路がなく、かつ、これら２つのチャンネルが常に逆伝播しており、第１および第２の光検出器３４および３５からのレーザ光源３３の極端に強い分離をもたらすことを確実にする。この分離のレベルは、標準的な格子からの３０ｄＢの典型的なレベルから大幅に改善されており、かつ、いくつかの顧客により要求された５０ｄＢの仕様を超えることができる。

出力角に対する光周波数を得るために式（１）を整理すると、以下を得る。

図９を参照すると、出力角は光周波数に関して滑らかな単調な形で変化している。もし回折格子が鋭い画像形成のために設計され、かつ、入力および出力の開口が鋭く規定されていれば、この格子デバイスに対する光学的通過帯域の形状は狭い通過帯域形状となり、ピークにおける挿入損失が実質的にはない。従来の設計では、周波数が掃引されるに従い、出力開口にわたる応答が鈍化されるように格子を変形すること、または、光学的開口を広げることにより通過帯域が広げられる。その結果は、ピークにおける挿入損失を犠牲として、平坦かつ潜在的に鋭い側部を持つ通過帯域となり得る。

式１１からは、特定の光周波数に対して、入力角を変化させることにより出力角を変化させ得ることが分かる。事実、このことは、エシェル格子に基づく標準的な光多重分離器およびＯＣＭ／ＯＰＭに対する粗い／細かい屈折率誤差補正の要素である。同様に、式１からは、特定（固定）の出力角に対して、光周波数（または、波長）を入力角と共に変化させ得る。

典型的に、ＩＴＵグリッド・チャンネルの通過帯域にわたり光周波数が変化するに従い、通常は、光の出力角が（図９のように）変化し、光は出力導波路を過ぎて掃引する。しかし、もし入力角が相補的な方向において変化させ得るなら、すなわち、幾分かの周波数不感性を導入するなら、出力角は本来の位置に固定されて保持され得る。多重化／多重分離器として有用とするために、ＩＴＵグリッド上の次の周波数が同調される時点までに、光は、新しい通過帯域にわたる周波数の変化に対して同じ強度で次の出力導波路上に画像形成しなければならない。

本発明によれば、図９の如くの角度依存性に対する周波数が導入されているが、制御された周期、例えば、ＩＴＵグリッド間隔の場合のように各１００ＧＨｚで反復するパターンを伴う。このことを達成するために、図９の回折格子に先立って、必要な角度の変化を達成するために選択された幾何形状を備えて、必要な周期、例えば、１００ＧＨｚの自由スペクトル域（ＦＳＲ）を有する第２の回折格子が挿入されている。

周波数に関して式（１）を整理し、かつ、同じ入力／出力角度の組合せに対する連続した回折次数の周波数を差し引くと、差は（光周波数に伴う屈折率変化を無視した）一定の周波数となり、この周波数が格子のＦＳＲとなる。

したがって、特定のＦＳＲに対する必要な回折次数は以下により与えられる。

１００ＧＨｚのＦＳＲに対して１９４．０ＴＨｚの中央周波数ｆに対して、必要な次数はｍ＝１９４０である。導波路材料の屈折率の分散は、ＦＳＲの算出が実行された時点から周波数が実質的に離れるに従い、ＦＳＲにおいて僅かな誤差をもたらす。このことは回折次数に対する僅かな調整により容易に補償され得る。

同じ幾何形状に対して、格子ファセットのサイズは次数に従って拡大縮小する。これに対して、低い回折次数（ｍが２０まで）における標準的な多重分離器はサイズが１０μｍまでのファセットを有し、高い次数の格子はサイズが１ｍｍまでのファセットを有する。

周波数不感性の設計がどのように機能するかを理解するために、ローランド円の幾何形状を持つ高次数（ＦＳＲ＝１００ＧＨｚ）格子分光計を考える。算出の便宜のために、高次数分光計の出力角は標準次数（ｍが２０まで）の設計に使用されている入力角と同じになるように選択されている。高次数分光計のローランド円は、この分光計の出力が標準分光計の入力に位置するように定置されている。各格子および高次数分光計への入力は、高次数分光計から標準分光計への光の結合が最適となるように配列されている。入力角および出力角の選択および格子の幾何形状は算出の便宜のためのみである。

図１０を参照すると、複数の光チャンネル帯域からなるＷＤＭ光信号が平面光波回路チップ１１０の辺縁部において光導波路１０９に入力され、かつ、入力ポート１１２において第１のスラブ導波路１１１に進入する。第１の凹面反射性格子１１３は比較的高い次数、例えば、１０００を超え、好ましくは１５００を超え、かつ、さらに好ましくは１８００を超える次数を有し、ならびに、比較的小さなＦＳＲ、例えば、出力される光チャンネル帯域のチャンネル間隔と実質的に同じＦＳＲを有する。ＦＳＲが小さいために、第１の格子１１３は各チャンネル帯域を出力角の同じ小さな範囲にわたり開口１１４を介して第２のスラブ導波路１１６内に分散する。第２の凹面反射性格子１１７は、面対面の関係で第１の反射性格子１１３の反対側に、第２のスラブ導波路１１６の一方の側に位置決めされている。第１および第２の反射性格子１１３および１１７は光パワーを有し、ローランド円１１８により規定されている同じ線に沿って光を合焦させる。第２の反射性格子１１７は第１の反射性格子１１３よりも大幅に低い次数、例えば、１００未満、好ましくは５０未満、かつ、より好ましくは２５未満の次数を有し、大幅に大きなＦＳＲ、例えば、第１の格子のＦＳＲよりも１０倍大きなＦＳＲを有し、かつ、（第１の格子１１３からの小さな範囲の出力角に対応した）小さな範囲の入力角を各チャンネル帯域に対する、すなわち、小さな範囲の波長に対する単一の出力角に変換するように設計され、第２の格子１１７の出力角は同じままとなる。したがって、単一チャンネルの波長の帯域における各波長は出力導波路、例えば、出力導波路１２０ａに対応する出力ポート、例えば、出力ポート１１９ａ上の同じスポットに正確に差し向けられる。次のチャンネル帯域が第２の格子１１７に突き当たると、周波数は上昇するが、入力角は範囲の最低端に戻り、第２の格子１１７の出力角の変化をもたらす。第２の格子１１７からの新しい出力角は新しいチャンネル帯域の全ての波長に対して固定されたままとなり、この帯域は第２の出力ポート、例えば、出力ポート１１９ｂに出力される。光ファイバなどの他の導波路は光信号を送信するために平面光波回路チップ１１０の辺縁部に装着されている。

このデバイスは、複数の入力光チャンネル帯域を単一の出力信号に多重化するために、逆行可能な形でも使用され得る。この場合、第２の反射性格子１１７は各チャンネル帯域を異なった入力角で受信し、この入力角は第２の反射性格子１１７が開口１１４を介した送信のために同じ小さな範囲の出力角に変換する。続いて、第１の反射性格子１１３は小さな範囲の入力角を単一の出力角に変換し、それにより、全てのチャンネルを単一の出力導波路１０９上に結合する。

この二重格子構成において、入力周波数が同調すると、第１の分光計の出力角は、第２の格子の所望のチャンネル間隔、すなわち、入力信号と出力信号に従った周期的なパターンで変化する。もし第１の分光計の幾何形状およびファセット間隔が適切に選択されていれば、このパターンは、第２の分光計への入力角の変化となる出力角の変化を伴って１００ＧＨｚ毎に（または、他の所望のチャンネル間隔で）反復する。光周波数に従った入力角の変化は、各チャンネルの波長の帯域における全ての波長に対して一定の出力角をもたらし、この出力角は、指定された出力導波路に出力画像をほぼ正確に定置することができる。式１１を参照すると、入力角θ_ｉｎの変化が周波数ｆの変化を補償してチャンネル帯域の波長の特定の範囲にわたり一定の出力角θ_ｏｕｔをもたらすように、第２の格子１１７は設計されている。次のチャンネル帯域に対して、周波数は上昇し続けるが、入力角θ_ｉｎは反復範囲の低端部に復帰し、この復帰は次のチャンネルに対する新しいθ_ｏｕｔをもたらす。

現実には、珪素酸化物の屈折率の分散、すなわち、光周波数と共に屈折率が変化するため、第１の分光計１１３からの出力は１００ＧＨｚの周期では正確には周期的ではなく、周波数がＩＴＵグリッド全体にわたり同調されるに従い、出力角の段階的なドリフトをもたらす。ウォーク・オフ効果は、第２の分光計１１７の出力ポート１１９ａおよび１１９ｂを固定入力開口位置に対するそれらのポートの通常の位置を基準として再位置決めすることにより、部分的に補償され得る。さらに、上記に説明されたように、第１の格子７の周期を必要な値に同調するために、この格子の回折次数に修正が行なわれ得る。

図１１は、周波数に対する第２の分光計１１７への入力角θ_ｉｎ、すなわち、第１の分光計１１３の出力角θ_ｏｕｔのほぼ周期的な挙動、ならびに、光周波数に対する第２の分光計１１７の出力角θ_ｏｕｔの段階的挙動を示す。以下の屈折率の分散がこれらの算出のために使用され、ここで、λはナノメータで表されている。

図１１は、光周波数に応じて、第２の格子１１７への入力角と第２の格子１１７からの出力角を視覚的に関連付け、入力角の周期的性質および出力角の結果的な段階的応答を示している。

（珪素酸化物導波路の）屈折率の僅かな波長依存性は、Ｃ帯域の広い周波数範囲にわたる第２の分光計１１７への入力角中央値の僅かに感受可能なシフトにつながるが、一般に、第２の分光計１１７の出力角は、予想された段階的性能を確かに示している。すなわち、各ＩＴＵグリッドの大きな部分にわたって、段階はほとんど傾斜を示していない。珪素酸化物／シリコンの設計における典型的な導波路のモードの角度成分は、数度のオーダの大きさを有する。もしこれらの出力導波路への結合の角度がこのモードの角度成分の小さな部分に固定され、保持され得るなら、この結合は不変のままとされるべきである。

図１２のグラフは、グリッドをまたぐ出力角の中央位置からの出力角の逸脱を示している。同図から分かるように、出力角は、出力角の必要な中央位置に、２ミリ度以内に確かに固定されている。出力導波路間の物理的間隔は約１５μｍであり、そのため、第２の格子からの出力位置の物理的誤差は０．３μｍまでに相当する。

本発明による二重格子の減法分散設計は時間領域ならびに周波数領域において便益を有する。しかし、十分に最適化された鋭い（ガウス）通過帯域を備えた標準的な単一格子の設計において、改善された性能は、時間と周波数の領域間で変換されると制限を受ける。時間衝撃波の広がりが発生する。なぜなら、入力から格子の遠い辺縁部を介したいずれかの出力への光路に対する近い辺縁部を介した光路が、衝撃波の広がりを示すゼロではない長さだけ異なっているからである。上述のように、頂部が平坦な通過帯域は、格子に収差を導入することにより、または、入力もしくは出力の開口を増大させることにより、通常は得られているが、これらの解決策のいずれも格子にわたる異なった経路に対して時間の広がりを低減しない。すなわち、標準的な頂部が平坦な設計は、時間応答を狭めない。本発明による二重格子減法分散構成において、第１の格子１１３を通過しない第２の格子１１７の入力への短縮経路を辿る光線は、第２の格子１１７を通過しない第２の格子の出力ポート１１９ａへの長い経路を辿る。第１の格子１１３からの長い経路を最初に取る光線に対しては、この逆が成り立つ。その結果、周波数領域の広がりと同時に時間圧縮が達成される。したがって、減法分散二重格子デバイスは、標準的な設計の平坦通過帯域デバイスよりも大幅に高いデータ・ビット・レートで利用され得る。

各々がローランド円の幾何形状で動作する２つの格子を備えた図１０に示されたデバイスは、計算の簡略さのための実施例として提供された第１の実施形態であった。しかし、より好ましい可能性のあるいくつかの他の選択肢がある。１つの選択肢は、第２の格子への入力のために中心を合わせられた第２の格子のローランド円における弦に沿って画像形成するためにより適切となる形状で、第１の格子を設計することである。第２の選択肢は、第１の格子の回折光をコリメートするように第１の格子を作成すること、すなわち、無限遠に画像形成することであり、第２の格子は自身の回折光を再合焦させるために、同じ方法で整形される。

第１の格子の出力は第２の格子により効率的に回収される必要がある。同時に、何らかの形態の開口が、第１と第２の格子の間に必要となる。なぜなら、第２の格子への意図された入力に近い第１の格子から発する多数の次数からの光があるからである。開口の多くは、大きな次数の格子ファセットが物理的に非常に大きく、第１の格子からの回折包絡線の狭まりにつながるという事実に単により達成される。もし適切にブレーズされていれば、意図された回折次数のみが何らかの合理的な強度を備えて第２の格子に到達する。次数の重なりが第２の格子のスペクトルを混乱させることを防止するために、開口は、第１の格子から第２の格子に進入する角度の範囲を制限する必要もある。

減法分散分光計の対はＡＷＧを使用して設計することもできるが、この場合、高ＦＳＲの第１の分光計は位相制御に関する多くの短所を有する。エッチングによる格子に基づくデバイスに対して、ファセットの形状はＡＷＧに対する直接的な類似点を持たないパラメータである。すなわち、高ＦＳＲの第１の格子から放射が出現する際に放射の位相を制御するために、一直線、円形、放物線形、楕円形、または、他の形状を実現することができる。

二重格子デバイスの全体的な透過率、すなわち、いずれの通過帯域の高さも、非常に高くし得る。限られた角度領域にわたり非点収差のあるように、かつ、その領域に対してブレーズされるように設計された回折格子は、０．５ｄＢまでの超過損失と同程度に効率的とし得る。１ｄＢまでの理論的挿入損失は格子対デバイスに対して予期されないものではない。従来のチャンネル平坦化技術はこの損失の２倍以上をしばしば必要とし、はるかに適さない性能を達成している。通過帯域の鋭さ、すなわち、帯域壁の険しさは、特定の光導波路モード幅により網羅される周波数範囲を狭めることにより増大させることができる。これを行なうための１つの単純な手段は、第２の格子系のローランド円の直径を増大させること、または、より一般的に、第２の格子系の物理的分散を増大させることである。第１の格子系も同様に適切に変更されなければならない。通過帯域の幅は、直前で述べた開口によってのみ制限される。４０チャンネル、１００ＧＨｚの設計に対して、〜４０から５０ＧＨｚまでの幅は達成可能である。壁の険しさによっては、これらの数字は全てが互いの数ＧＨｚ内にある−０．５ｄＢ、１ｄＢ、および、−３ｄＢの幅を表している。

二重格子構成の性能はほぼ変換により制限されることが予想され、これにより、標準的な平坦な頂部の設計が許容するよりも高いビット・レートで良好な光学的性能を提供する。

本発明は高透過率、極く平坦かつ極く鋭い通過帯域、高ビット・レートの互換性多重化／多重分離器を作成するために使用できる。本発明は、全てが第１および第２の格子に対する回折次数の適切な選択により、ＤＷＤＭ，ＣＷＤＭ，１３１０／１５５０ｎｍスプリッタ、櫛形フィルタ、または、光チャンネル・モニタに適用できる。

格子からの回折の効率は、個々のファセットからの回折包絡線のコヒーレントな重ね合わせである。ファセットの多くの位置決めは固有の波長における格子からの発光のモード形状を支配する一方、個々のファセットのサイズは異なった角度／波長での異なったモードの相対強度を支配する。この回折包絡線は基本的に（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）^２の強度分布である。回折包絡線の最小値において分光計への入力の位置、および、分布の最大値付近を中心とした必要な出力を注意深く選択することにより、分光計の入力に向かう光の反射が最小となった分光計の出力への最適な透過率を有することが可能となる。

もし２次回折次数が１次次数と同様に採用されれば、回折包絡線の他の最大値に２次出力を置くことが望ましく、このことは２次出力において取り込まれた信号を改善する一方、同時に、格子ファセットの向きの僅かな変化に対する２次信号の感度の強さを低減する。

格子ファセット回折包絡線の最小値および２次（または、より高次の）最大値の意図的な利用は新しい。これらの最小値または最大値を使用する設計は、全体として格子の性能の原因となることにより格子分光計の入力および出力をはっきりと位置決めする。

図１３を参照すると、単純な光多重分離器は、低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ）のための１つの入力チャンネル２２１および４つの出力チャンネル２２２ａから２２２ｄを備えて設計されている。中央波長λ_１からλ_４により定義された複数の光チャンネルを備えた光信号は、入力チャンネル２２１を介してスラブ導波路領域２２３に送出され、格子２２４に入射する。格子２２４は光チャンネルを波長に従って分散し、これにより、各光チャンネルλ_１からλ_４は出力チャンネル２２２ａから２２２ｄの１つにより取り込まれる。

図１３のデバイスに対する中央ファセットからの回折包絡線は図１４に示されている。高い主最大値２３１、および、間に最小値２３３を持つ多数のより高い次数の最大値２３２に注目されたい。入力導波路２２１を回折包絡線の最小値２３３に移動することにより、戻り光の強度は大きく低減される。さらに、出力チャンネル２２２ａから２２２ｄを主最大値２３１、または、少なくともより高い次数の最大値２３２に移動することにより、透過光は最大化される。明らかに、入力導波路２２１および出力導波路２２２ａから２２２ｄを最小値２３３および最大値２３１に位置決めすることは好ましい。

図１５を参照すると、回折包絡線の位置、格子２４１の設計、および、入力ポート２４２の位置が全て相互関連しているため、多重分離器デバイス２４０の設計は、回折包絡線に十分な量のより高い次数の最小値および最大値を全般にもたらすための格子２４１の設計で開始する反復性の工程である。好ましくは、格子２４１は、ローランド円２４３に沿った焦点線を備えた図４および５を参照して上記に開示された如くの凹面反射性格子である。次に、入力ポート２４２に対する初期試験的位置が選択され、かつ、結果として得られた回折包絡線が検査される。入力ポート２４２がより高い次数の所望の最小値に正確に位置決めされなかったと仮定すると、第２の試験的位置が選択される。工程は、入力ポート２４２がより高い次数の所望の最小値と一致するまで継続する。今、１次出力ポート２４４、例えば、次数ｎが１次最大値に基づき選択され得て、かつ、光検出器からなる光チャンネル・モニタ用検出器アレイ２４８に例えば対する出力導波路２４７に光学的に結合されている２次出力ポート２４６は、より高い次数の最大値、例えば、次数ｎ−１の位置に基づき選択される。理想的には、出力ポート２４４および２４６の全てはローランド円により規定された格子２４１の焦点線２４３に沿って位置決めされる。

図１６は、入力ポート２４２が原理回折最大値内のどこかに該当するように、入力ポート２４２が出力ポート２４４の物理的に近くに所在する状況に対するスペクトルを示し、このスペクトルはエシェル格子に基づく多重分離器には非常に典型的なものである。戻り光信号の強度２５１は主出力信号の強度２５２に匹敵し、かつ、電気通信等級の光学的構成部分にとっては許容不可能な非常に大きな反射減衰をもたらし得る。同様のスペクトルが算出され、図１７に示されており、同図において、入力ポート２４２は第３の回折包絡線最小値に所在していた。入力チャンネルに沿って戻る光の強度２５３のほぼ２４０ｄＢの低減に注目されたい。

入力チャンネルの中央の鋭い落ち込みは入力ポート２４２自体の広がり内で劇的に最小化した回折包絡線の結果である。

出力ポート２４６の２次的な組は、中でも集積多重分離器／光チャンネル・モニタとして有用である主出力ポート２４４を介して主出力導波路２４４ａ内への光の取り込みと平行して複製信号を取り込むために、より高い次数の回折包絡線最大値２３２に所在している（図１４を参照）。この場合、主多重分離器出力ポート２４４は主回折包絡最大値２３１の領域に適合する一方、同じ波長に対するが、格子２４１から離れた異なる回折次数における２次出力ポート２４６、例えば、チャンネル・モニタ導波路は、２次またはより高い回折包絡最大値２３２の領域に適合する。したがって、多重分離器の各チャンネルλ_１からλ_４における光パワーのモニタは、タップ・カプラの挿入、および、それに続く、その光信号の多重分離／モニタを介したものに代わり、異なった次数に結合された光の測定により行なわれ得る。

従来の薄膜フィルタに基づくトリプレクサを示す図である。 半導体基板を利用した従来の薄膜フィルタに基づくトリプレクサを示す図である。 従来の反射性回折格子を示す図である。 本発明による回折格子を示す図である。 本発明による反射性凹面回折格子ＰＬＣフィルタを示す図である。 本発明による２段光フィルタを示す図である。 図６の光フィルタの第２段からの出力スペクトルを示す図である。 図６の光フィルタの第１段からの出力スペクトルを示す図である。 反射性回折格子に対する出力角と周波数のグラフである。 本発明による二重格子減法分散多重化／多重分離器の上面図である。 図１０のデバイスの第２の回折格子に対する入力角と周波数のグラフおよび出力角と周波数のグラフである。 図１０のデバイスの第２の回折格子に対する角度誤差と周波数のグラフである。 入力導波路が回折包絡線の最小値に位置決めされた本発明による平面導波路反射性回折格子を組み込んだ光デバイスの代案実施形態を示す図である。 図１３のデバイスに対する中央ファセットからの回折包絡線を示す図である。 入力導波路が回折包絡線の最小値に位置決めされ、かつ、第１および第２の組の出力導波路が回折包絡線の最大値に位置決めされた本発明による平面導波路反射性回折格子を組み込んだ光デバイスの代案実施形態を示す図である。 入力導波路が物理的に出力導波路の近くに所在する状況に対するスペクトルを示す図である。 入力導波路が第３の回折包絡最小値に所在していた状況に対するスペクトルを示す図である。

Claims (59)

1. システム導波路から第１および第２の入力チャンネルを受信するための、および、システム導波路上に出力チャンネルを送信するための２段光フィルタ平面光波回路デバイスであって、
   出力チャンネルを送信するためのレーザ送信器と、
   出力チャンネルをシステム導波路に多重化するため、および、前記出力チャンネルから前記第１および第２の入力チャンネルを分離するための第１の通過帯域を有する非回折フィルタと、
   前記第１および第２の入力チャンネルの各々が前記第１の通過帯域より狭い第２の通過帯域を有する、前記第１および第２の入力チャンネルを多重分離するための回折格子フィルタであって、
   前記第１および第２の入力チャンネルを受信するための入力ポート、
   ある入射角度で前記第１および第２の入力チャンネルを受信する回折格子、および
   前記回折格子フィルタから前記第１および第２の入力チャンネルをそれぞれ出力するための第１および第２の出力ポートを含む、回折格子フィルタと、
   それぞれ前記第１および第２の入力チャンネルを送信するための前記第１および第２のポートにそれぞれ光学的に結合された第１および第２の出力導波路と、
   前記入力チャンネルを電気信号に変換するための前記第１および第２の出力ポートにそれぞれ光学的に結合された第１および第２の光検出器と、を含むデバイス。
2. 前記第１および第２の出力導波路は前記回折格子フィルタに平坦化されたスペクトル応答を供給するための多モード導波路である請求項１に記載のデバイス。
3. 前記第１および第２の出力導波路は、それぞれ前記第１および第２のポートに隣接した多モード区間、および、前記回折格子フィルタに前記平坦化されたスペクトル応答を供給するための前記多モード区間からは離れた単一モード区間を含む請求項１に記載のデバイス。
4. 前記回折格子フィルタは凹状で焦点線を規定するものであり、かつ、前記第１および第２の出力ポートおよび前記入力ポートは全て前記焦点線に沿って位置決めされている請求項１に記載のデバイス。
5. 前記焦点線はローランド円により規定されている請求項４に記載のデバイス。
6. 前記非回折性フィルタはモード干渉（ＭＭＩ）フィルタを含む請求項１に記載のＰＬＣ。
7. 前記非回折性フィルタは波長依存性方向性カプラを含む請求項１に記載のＰＬＣ。
8. 前記非回折性フィルタは多段波長依存性方向性カプラを含む請求項８に記載のＰＬＣ。
9. 前記非回折性フィルタは位相依存性波長スプリッタを含む請求項１に記載のＰＬＣ。
10. 前記非回折性フィルタはマッハ・ツェンダー干渉計を含む請求項９に記載のＰＬＣ。
11. 前記非回折性フィルタは多段位相依存性波長スプリッタを含む請求項９に記載のＰＬＣ。
12. 前記レーザ送信器と前記非回折性フィルタの間に配置され、前記出力チャンネルの一部をタッピングするためのタップ・カプラと、
    前記出力チャンネルの一部を測定し、前記出力チャンネルにおけるパワーの測定値を提供するためのモニタ光検出器と、をさらに含む請求項１に記載のＰＬＣ。
13. 前記第１および第２の入力チャンネルは約２０ｎｍから３０ｎｍの通過帯域を有し、かつ、前記出力チャンネルは約１００ｎｍの通過帯域を有する請求項１に記載のデバイス。
14. 前記第１および第２の入力チャンネルは前記出力チャンネル通過帯域よりも約２から５倍広い通過帯域を有する請求項１に記載のデバイス。
15. 前記回折格子フィルタは、波長に従った様々な角度で前記第１および第２のチャンネルを分散するための反射性回折格子であり、前記反射性回折格子はファセット長により規定された複数の反射性壁、および、側壁長により規定された複数の側壁を有し、かつ、前記側壁長により除された前記ファセット長により規定されたアスペクト比は３を超える請求項１に記載のデバイス。
16. 前記回折格子フィルタは、波長に従った様々な角度で前記第１および第２のチャンネルを分散するための反射性回折格子であり、前記反射性回折格子はファセット長により規定された複数の反射性壁、および、側壁長により規定された複数の側壁を有し、かつ、前記側壁長は前記第１および第２のチャンネルの平均波長以下である請求項１に記載のデバイス。
17. 前記入力ポートは３０度未満の回折格子入射角で前記第１および第２のチャンネルを送出する請求項１に記載のデバイス。
18. 前記回折格子フィルタは、波長に従った様々な角度で前記第１および第２のチャンネルを分散するための反射性回折格子であり、前記反射性回折格子はファセット長により規定された複数の反射性壁、および、側壁長により規定された複数の側壁を有し、かつ、前記ファセット長および前記入射角は、前記格子が７以下の絶対値を持つ次数における回折をもたらすことを確実にするように選択される請求項１に記載のデバイス。
19. 前記入力ポートは３０度未満の回折格子入射角で前記第１および第２のチャンネルを送出する請求項１８に記載のデバイス。
20. 入力光信号を特定のチャンネル間隔における複数の出力チャンネル帯域に分離するための光チャンネル多重分離器デバイスであって、
    前記入力光信号を送出するための入力ポートと、
    出力角の実質的に同じ範囲にわたり各光チャンネル帯域を分散するための第１の次数、および、特定のチャンネル間隔に実質的に等しい第１のＦＳＲを有する第１の光学格子と、
    前記光チャンネル帯域の各１つの各波長を同じ出力角で差し向けるため、および、各光チャンネル帯域を異なった出力角で差し向けるための第２の次数、および、前記第１の反射性格子から前記光チャンネル帯域を受信するための第２のＦＳＲを有する第２の光学格子と、
    前記複数の光チャンネル帯域の個々の１つを出力するための複数の出力ポートと、を含むデバイス。
21. 前記第１および第２の光学格子は共に反射性光学格子である請求項２０に記載のデバイス。
22. 前記第１および第２の光学格子は共に、第１および第２の焦点線を規定している光パワーを持つ凹面反射性光学格子である請求項２１に記載のデバイス。
23. 前記第１および第２の格子は、１対の相互接続されたスラブ導波路の相対する側面に面対面で位置決めされている請求項２２に記載のデバイス。
24. 前記第１および第２の焦点線は単一の共用焦点線を形成している請求項２３に記載のデバイス。
25. 前記共用焦点線はローランド円である請求項２４に記載のデバイス。
26. 前記入力および出力ポートは前記共用焦点線に沿って位置している請求項２５に記載のデバイス。
27. 前記入力および出力ポートの各々から延長している導波路をさらに含む請求項２６に記載のデバイス。
28. 前記第１および第２の反射性格子および前記１対のスラブ導波路は平面光波回路を形成している請求項２７に記載のデバイス。
29. 前記第２の焦点線はローランド円を規定し、かつ、前記第１の焦点線は前記第２の光学格子上に中心を持つ前記第２の焦点線の弦を規定する請求項２３に記載のデバイス。
30. 前記第１の光学格子は前記入力光信号をコリメートする請求項２３に記載のデバイス。
31. 前記第１の次数は１０００を超え、かつ、前記第２の次数は１００未満である請求項２０に記載のデバイス。
32. 前記第２のＦＳＲは前記第１のＦＳＲよりも少なくとも１０倍大きい請求項２０に記載のデバイス。
33. 特定のチャンネル間隔を備えた複数の入力チャンネル帯域を単一の出力信号に結合するための光チャンネル多重化器デバイスであって、
    前記複数の光チャンネル帯域の個々の１つを入力するための複数の入力ポートと、
    異なった入力角において前記光チャンネル帯域の各々をそれらの個々の入力ポートから受信するための、および、各光チャンネル帯域を実質的に同じ範囲の出力角にわたり差し向けるための第１のＦＳＲおよび第１の次数を有する第１の反射性格子と、
    各光チャンネル帯域を前記出力信号に結合するための特定のチャンネル間隔に実質的に等しい第２の次数および第２のＦＳＲを有する第２の反射性格子と、
    前記出力信号を出力するための出力ポートと、を含むデバイス。
34. 前記第１および第２の光学格子は共に、第１および第２の焦点線を規定している光パワーを持つ凹面反射性光学格子である請求項３３に記載のデバイス。
35. 前記第１および第２の格子は、１対の相互接続されたスラブ導波路の相対する側面に面対面に位置決めされている請求項３４に記載のデバイス。
36. 前記第１および第２の焦点線は単一の共用焦点線を形成している請求項３５に記載のデバイス。
37. 前記共用焦点線はローランド円である請求項３６に記載のデバイス。
38. 前記第１の次数は１０００を超え、かつ、前記第２の次数は１００未満である請求項３３に記載のデバイス。
39. 前記第２のＦＳＲは前記第１のＦＳＲよりも少なくとも１０倍大きい請求項３３に記載のデバイス。
40. 複数の光チャンネルからなる入力光信号を送出するための入力ポートと、
    原理回折最大値、複数のより高い次数の回折最大値、および、それらの間の複数の回折最小値を有する回折包絡線に前記光信号を分散するための反射性導波路回折格子と、
    前記光チャンネルを出力する第１の複数の出力ポートと、を含み、
    前記入力ポートは、反射性導波路回折格子から反射された光の量を、前記入力ポートに再進入することから制限するために、前記回折最小値の１つに位置決めされている平面導波路光デバイス。
41. 前記より高い次数の回折最大値の１つから光を出力するために、これに沿って位置決めされた第２の複数の出力ポートをさらに含む請求項４０に記載のデバイス。
42. 光チャンネルのモニタでの使用のための、前記第２の複数の出力ポートの少なくとも１つに光学的に結合された光検出器をさらに含む請求項４１に記載のデバイス。
43. 前記第１の複数の出力ポートは、前記光チャンネルを出力するために前記原理回折最大値に沿って位置決めされている請求項４０に記載のデバイス。
44. 前記より高い次数の回折最大値の１つから光を出力するために、これに沿って位置決めされた第２の複数の出力ポートをさらに含む請求項４３に記載のデバイス。
45. 光チャンネルのモニタでの使用のための、前記第２の複数の出力ポートの少なくとも１つに光学的に結合された光検出器をさらに含む請求項４４に記載のデバイス。
46. 前記反射性導波路回折格子は焦点線に沿って前記光チャンネルを合焦させ、かつ、前記入力ポートおよび前記第１の複数の出力ポートは前記焦点線に実質的に沿って位置決めされている請求項４０に記載の平面導波路光デバイス。
47. 前記焦点線はローランド円により規定されている請求項４６に記載の平面導波路光デバイス。
48. 複数の光チャンネルからなる入力光信号を送出するための入力ポートと、
    原理回折最大値、複数のより高い次数の回折最大値、および、それらの間の複数の回折最小値を有する回折包絡線内に前記光信号を分散するための反射性導波路回折格子と、
    前記光チャンネルを出力するための前記原理回折最大値に沿って位置決めされた第１の複数の出力ポートと、を含む平面導波路光デバイス。
49. 前記より高い次数の回折最大値の１つからの光を出力するために、その１つに沿って位置決めされた第２の複数の出力ポートをさらに含む請求項４８に記載のデバイス。
50. 光チャンネルのモニタでの使用のための、前記第２の複数の出力ポートの少なくとも１つに光学的に結合された光検出器をさらに含む請求項４９に記載のデバイス。
51. 前記反射性導波路回折格子は焦点線に沿って前記光チャンネルを合焦させ、かつ、前記入力ポートおよび前記第１の複数の出力ポートは前記焦点線に実質的に沿って位置決めされている請求項５０に記載の平面導波路光デバイス。
52. 前記焦点線はローランド円により規定されている請求項５１に記載の平面導波路光デバイス。
53. 複数の光チャンネルからなる入力光信号を送出するための入力ポートと、
    原理回折最大値、複数のより高い次数の回折最大値、および、それらの間の複数の回折最小値を有する回折包絡線内に前記光信号を分散するための反射性導波路回折格子と、
    前記光チャンネルを出力するための第１の複数の出力ポートと、
    前記より高い次数の回折最大値の１つからの光を出力するために、それに沿って位置決めされた第２の複数の出力ポートと、を含む平面導波路光デバイス。
54. 前記反射性導波路回折格子は焦点線に沿って前記光チャンネルを合焦させ、かつ、前記入力ポートおよび前記第１の複数の出力ポートは前記焦点線に実質的に沿って位置決めされている請求項５３に記載の平面導波路光デバイス。
55. 前記焦点線はローランド円により規定されている請求項５４に記載の平面導波路光デバイス。
56. 前記反射性導波路回折格子はファセット長により規定された複数の反射性壁、および、側壁長により規定された複数の側壁を有し、かつ、前記側壁長により除された前記ファセット長により規定されたアスペクト比は３を超える請求項４０に記載のデバイス。
57. 前記反射性導波路回折格子は、ファセット長により規定された複数の反射性壁、および、側壁長により規定された複数の側壁を有し、かつ、前記側壁長は前記複数の光チャンネルの平均波長以下である請求項４０に記載のデバイス。
58. 前記入力ポートは１５度未満の入射角で前記反射性導波路回折格子において前記入力光信号を送出する請求項４０に記載のデバイス。
59. 前記反射性導波路回折格子は、ファセット長により規定された複数の反射性壁、および、側壁長により規定された複数の側壁を有し、かつ、前記ファセット長および前記入射角は、前記格子が３以下の絶対値を持つ次数における回折をもたらすことを確実にするように選択される請求項４０に記載のデバイス。

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