JP2009198826A - 光信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実装が容易で、方向性結合器を使用しない消光比の高い光信号処理装置を提供する。
【解決手段】基板上に作製された、少なくとも１つの入出力導波路（１０２）と接続された第１のスラブ導波路（１０４）と、第１のスラブ導波路と接続導波路アレイ（１０６）で接続されたアレイ導波路格子であって、第２のスラブ導波路（１１２）およびアレイ導波路（１１４）を含む少なくとも１つのアレイ導波路格子（１１０）と、アレイ導波路格子から出射した光を集光するレンズ（２００，３００）と、集光された光に位相シフトを与える位相変調素子を有する位相変調器（４００）とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号処理装置に関し、より詳細には、多光束干渉を利用した光信号処理装置に関する。

従来、回折格子やレンズなどバルクデバイスを用いた波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

また、光平面回路（ＰＬＣ：Planer Lightwave Circuit）上に方向性結合器およびアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）を配置した波長選択スイッチが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２３３６１９号公報（図７） Kyoungsik Yu, et al., "A wavelength selective switch with flat passband using a free-space grating and MEMS phase-shifters", JTuC67, Quantum Electronics and Laser Science Conference, May 2005

しかしながら、バルクデバイスを用いたＷＳＳでは、これらのバルクデバイスの実装が容易ではないという問題があった。また、ＷＳＳにおける光の方路の増大に伴いファイバコリメータをアレイ化する必要があり、ＷＳＳにおける光の方路を増大することが困難であるという問題があった（例えば、ＷＳＳの入出力の規模は、１入力９出力程度に限定されていた）。

また、ＰＬＣ上に方向性結合器や多モード干渉カプラおよびＡＷＧを配置したＷＳＳでは、方向性結合器や多モード干渉カプラの製造誤差等により高い消光比を得ることができないという問題があった。また、ＡＷＧ単体を分光器として用いているため、広い透過帯域を確保することが困難であるという問題があった。

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、バルクデバイスの数を少なくすることで実装が容易な光信号処理装置を提供することにある。また、方向性結合器や多モード干渉カプラを使用しない消光比の高い光信号処理装置を提供することにある。

本願発明に係る光信号処理装置は、入力導波路から入射した複数の波長が多重された信号光を複数に分岐し、分岐した信号光の各々を波長分離し、波長分離した各波長の光信号に位相シフトを与えた後に波長合成し、位相シフトが与えられ波長合成された複数の信号光を多光束干渉させて複数の出力導波路へ結合する。

本発明に係る光信号処理装置は、基板上に作製された、少なくとも１つの入力導波路および少なくとも１つの出力導波路と接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路と接続導波路アレイで接続されたアレイ導波路格子であって、各々第２のスラブ導波路およびアレイ導波路を含む少なくとも１つのアレイ導波路格子と、前記基板上に作製された前記アレイ導波路格子から出射した光を集光する集光手段と、前記集光手段によって集光された光に位相シフトを与える位相変調素子を有する位相変調手段とを備えたことを特徴とする。

本願発明に係る光信号処理装置の基板上に作製された第１のスラブ導波路および接続導波路アレイは、入力導波路から入射した複数の波長が多重された信号光を複数に分岐してアレイ導波路格子の第２のスラブ導波路へ結合するように作用する。

また、本願発明に係る光信号処理装置の集光手段および基板上に作製されたアレイ導波路格子は、分岐された信号光の各々を波長分離する分光部として作用する。

さらに、本願発明に係る光信号処理装置の位相変調手段は、波長分離した各波長の光信号に位相シフトを与える位相変調部として作用する。さらに、位相変調手段は、位相シフトを与えた各波長の光信号が基板上に作製された第１のスラブ導波路の入出力面に形成する干渉縞の強度がピークになる位置を移動させるように作用する。

さらにまた、光信号処理装置の基板上に作製された第１のスラブ導波路および接続導波路アレイは、再結合した光信号を多光束干渉させる干渉計として作用する。

一実施形態では、前記接続導波路アレイは、当該接続導波路アレイを導波した信号光の干渉により第１のスラブ導波路の入出力面上に生じる干渉縞の自由スペクトルレンジが前記入力導波路に入射する信号光に多重された複数の波長の光信号の周波数間隔よりも大きくなる光路長差を有することを特徴とする。

また、一実施形態では、前記入出力導波路に入射する複数の波長の信号光が多重された信号光の周波数帯域をＦとし、前記アレイ導波路格子に接続された前記接続導波路の数をＮとしたとき、前記アレイ導波路格子は、Ｎ×Ｆ以上の自由スペクトルレンジを有するように構成されていることを特徴とする。

さらにまた、一実施形態では、光信号処理装置は、基板上に作製された、入力導波路と接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路と第１の接続導波路アレイで接続された第１のアレイ導波路格子であって、各々第２のスラブ導波路、第１のアレイ導波路および第３のスラブ導波路を含む少なくとも２つの第１のアレイ導波路格子と、前記基板上に作製された、出力導波路と接続された第６のスラブ導波路と、前記第６のスラブ導波路と第２の接続導波路アレイで接続された第２のアレイ導波路格子であって、各々第５のスラブ導波路、第２のアレイ導波路および第４のスラブ導波路を含む前記第１のアレイ導波路格子と同数の第２のアレイ導波路格子と、前記基板上に作製された、前記第１のアレイ導波路格子と前記第２のアレイ導波路格子とに接続された前記第１のアレイ導波路格子と同数の位相シフタアレイとを備える。

以上説明したように、本発明によれば、バルクデバイスの数を少なくすることで実装が容易な光信号処理装置を提供することができる。また、方向性結合器を使用しないための消光比の高い光信号処理装置を提供することが可能となる。

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。
本願発明に係る光信号処理装置は、入力導波路から入射した複数の波長が多重された信号光を複数に分岐し、分岐した信号光の各々を波長分離し、波長分離した各波長の光信号に位相シフトを与えた後に波長合成し、位相シフトが与えられ波長合成された複数の信号光を多光束干渉させて複数の出力導波路へ結合する。

以下の説明では、光信号処理装置において、入射した信号光から分岐された信号光の各々を波長分離するように作用する要素を分光部と称し、波長分離した各波長の光信号に位相シフトを与えるように作用する要素を位相変調部、または位相シフトが与えられ波長合成された複数の信号光を多光束干渉させて複数の出力導波路へ結合するように作用する要素をスイッチング部と称する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態の光信号処理装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態の光信号処理装置は、石英系光導波路１００と、Ｋ個（Ｋは２以上の整数）のシリンドリカルレンズ２００−１〜２００−Ｋと、Ｋ個の集光レンズ３００−１〜３００−Ｋと、Ｋ個の位相変調器４００−１〜４００−Ｋとを備える。ここでは石英系光導波路１００の基板における信号光の出射端面と水平な方向をｘ、垂直な方向をｙとし、光波の進行方向すなわち光軸をｚとする。

石英系光導波路１００は、石英系基板上に各々作製された、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の入出力導波路１０２−１〜１０２−Ｍに接続された第一スラブ導波路１０４と、Ｋ個のアレイ導波路格子１１０−１〜１１０−Ｋと、第一スラブ導波路１０４とアレイ導波路格子１１０−１〜１１０−Ｋとを接続するＮ個（Ｎは、Ｋ以上の整数）の接続導波路１０６−１〜１０６−Ｎとを備える。

アレイ導波路格子１１０は各々、接続導波路１０６と接続された第二スラブ導波路１１２と、第二スラブ導波路１１２に接続されたアレイ導波路１１４とを備える。

シリンドリカルレンズ２００−１〜２００−Ｋは各々、アレイ導波路１１４−１〜１１４−Ｋの第二スラブ導波路１１２−１〜１１２−Ｋと異なる端に配置され、アレイ導波路１１４−１〜１１４−Ｋから出射された波長分離された各光信号を、石英系基板面にｚ方向に（ｙ方向に拡がることなく）、集光レンズ３００へ入射するように作用する。

集光レンズ３００−１〜３００−Ｋは各々、波長分離された各光信号を位相変調器４００−１〜４００−Ｋに集光する。

位相変調器４００−１〜４００−Ｋの各々は、波長分離された各光信号に対して任意の位相シフトを与え、集光レンズ３００−１〜３００−Ｋ、シリンドリカルレンズ２００−１〜２００−Ｋを介してアレイ導波路１１４−１〜１１４−Ｋへ結合するように反射する位相制御素子を備える。例えば、位相変調器４００−１〜４００−Ｋの各々を、ｘ方向に配列された液晶などに代表される屈折率変調素子を用いたデバイス、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれるデバイスを用いて構成することができる。ＬＣＯＳは、シリコン基板の表面に少なくとも波長分離された光信号の数の液晶素子（セル）を配列した反射型のデバイスである。各液晶素子（セル）は位相制御素子として入射した光信号に位相差を与えるとともに、光路を反転するように作用する。

入出力導波路１０２、第一スラブ導波路１０４および接続導波路１０６は、スイッチング部を構成する。アレイ導波路格子１１０、シリンドリカルレンズ２００および集光レンズ３００は、分光部を構成する。位相変調器４００は位相変調部を構成する。

第一スラブ入出力面Ｐ上には、接続導波路１０６からの光信号が干渉し、干渉縞を形成する。ここで、干渉縞の強度がピークになる位置は、位相制御素子４００−１〜４００−Ｋに設定された位相状態により決まる。すなわち、位相制御素子４００−１〜４００−Ｋの位相設定を制御することにより、光信号を出力する出力導波路を選択することが可能になる。

加えて、位相制御素子４００−１〜４００−Ｋの各々には、液晶素子（セル）が波長分離された光信号の数だけ配置されるため、異なる波長の信号に対して個別に位相分布を設定することができる。したがって、上述の干渉縞の強度がピークになる位置は、波長毎に異なる位置に設定し、異なる出力導波路に出力することができる。

例えば、あるＷＤＭ信号のうちλ１の波長の光信号は位相制御素子４００−１〜４００−Ｋの各々の特定の位置に集光し、位相制御素子４００−１〜４００−Ｋ上の対応する液晶素子から位相変調を受けるが、このとき、位相制御素子４００−１〜４００−Ｋによる位相設定（位相分布）を０、α×２π／Ｋ、α×２×２π／Ｋ、α×３×２π／Ｋ、・・・α×（Ｋ−１）×２π／Ｋのように線形に設定する。このように位相分布を線形に設定することで、干渉縞の強度がピークとなる位置は、第一スラブ入出力面Ｐ上をほぼ線形に移動する。ここで、αは定数であり、光信号λ１を出力したい出力ポートに対応する。さらに、液晶素子はＷＤＭ信号の波長毎に別々の素子を対応させているため、λ２、λ３、・・・は異なる出力へルーティングが可能である。

以下、本実施形態の光信号処理装置の作用について、Ｍ＝５，Ｎ＝Ｋ＝１４として説明する。また、石英系基板上に配列された５個の入出力導波路１０２−１〜１０２−５の中心にある入出力導波路１０２−３は入出力兼用の導波路として用いるものとし、その他の入出力導波路は出力用の導波路として用いるものとする。したがって、図１において、入出力兼用の入出力導波路１０２−３にはサーキュレータ５００が接続されている。しかしながら、本発明は本実施例に限定されるものではない。

複数の波長が多重された信号光は、入出力兼用の入出力導波路１０２−３を導波して第一スラブ導波路１０４の第一スラブ入出力面Ｐへ入射する。第一スラブ入出力面Ｐへ入射した信号光は、第一スラブ導波路１０４において、１４個の信号光に分岐され各々接続導波路１０６−１〜１０６−１４へ結合される。

各信号光は、接続導波路１０６−１〜１０６−１４を導波してアレイ導波路格子１１０−１〜１１０−１４へ入射する。例えば、接続導波路１０６−１を導波してアレイ導波路格子１１０−１へ入射した信号光は、アレイ導波路格子１１０−１の第二スラブ導波路１１２−１およびアレイ導波路１１４−１を導波することで、波長分離されて石英系光導波路１００から出射する。接続導波路１０６−２〜１０６−１４を導波した信号光も同様に、波長分離されて石英系光導波路１００から出射する。

アレイ導波路格子１１０−１において波長分離された複数の波長の光信号の各々は、シリンドリカルレンズ２００−１および集光レンズ３００−１を透過して、位相変調器４００−１へ入射して、位相変調器４００−１において位相シフトを与えられる。例えば位相変調器を、ＬＣＯＳなど入射する光に対して付与する位相変調量を液晶素子（液晶セル）毎に制御することができるデバイスで構成した場合、複数の波長の光信号は、集光して、それぞれ異なる液晶素子（液晶セル）へ入射して、互いに独立に位相シフトを与えられて、光路が反転する。アレイ導波路格子１１０−２〜１１０−１４において波長分離された複数の波長の光信号の各々も同様に位相変調器４００−２〜４００−１４へ入射して、独立に位相シフトを与えられ、光路が反転する。

位相変調器４００−１において位相シフトを与えられ、光路が反転した各波長の光信号は、集光レンズ３００−１およびシリンドリカルレンズ２００−１を透過して、アレイ導波路格子１１０−１に結合される。さらに、光路が反転した各波長の光信号は、アレイ導波路格子１１０−１において波長合成された後に接続導波路１０６−１に結合されて、再び第一スラブ導波路１０４へ入射する。位相変調器４００−２〜４００−１４において位相シフトを与えられ、光路が反転した各波長の光信号も同様に、再び第一スラブ導波路１０４へ入射する。

ここで、再び第一スラブ導波路１０４へ入射した光信号のある波長成分は、位相変調器４００−１〜４００−１４において位相シフトを与えられているため、多光束干渉により第一スラブ導波路入出力面Ｐに干渉縞を形成する。また、位相変調器４００−１〜４００−１４において付与する位相変調量を制御することで、干渉縞が形成される位置および干渉縞の光強度を制御することができる。したがって、本実施形態の光信号処理装置に入射した光信号の所望の周波数成分を、所望の光強度で所望の入出力導波路１０２−１〜１０２−５へ結合することができる。つまり、本実施形態の光信号処理装置を干渉型波長選択スイッチとして動作させることが可能となる。

なお、本実施形態において接続導波路１０６−１〜１０６−１４の導波路長は等長であることが望ましい。しかしながら、接続導波路１０６−１〜１０６−１４の導波路長に差がある場合であっても、接続導波路１０６−１〜１０６−１４を導波したあるチャネル（波長）の信号光が干渉して生じる干渉光の自由スペクトルレンジが、対象とするＷＤＭ信号（入射する信号光に多重された複数の波長の光信号）の周波数間隔（例えば１００ＧＨｚ）よりも大きくなるように、接続導波路１０６−１〜１０６−１４の導波路長の差を短くする（ＷＤＭ信号の周波数間隔が１００ＧＨｚの場合には、干渉光の自由スペクトルレンジが１００ＧＨｚよりも大きくなるように、接続導波路の導波路長を短くする）ことで、接続導波路１０６−１〜１０６−１４を導波したあるチャネル（波長）の信号光が干渉して生じるノイズを当該チャネルの帯域外に排除することができる。

図２は、本実施形態の光信号処理装置の特性を数値解析した結果を示す図である。図２は、１チャネル（波長）についての特性を示し、（ａ）は透過スペクトル特性を示す図であり、（ｂ）は第一スラブ入出力面Ｐに形成される干渉縞を示す図であり、（ｃ）は出力ポートにおける消光比の特性を示す図である。なお、図２（ｂ）では、第一スラブ入出力面Ｐの中心をｘ＝０としている。また、図２（ｃ）では、第一スラブ入出力面Ｐの中心に接続された出力導波路をポート０としている。

図２に示す本実施形態の光信号処理装置の特性は、次の表１に示す条件に基づいて解析した。各光学素子のパラメータは、石英系光導波路の比屈折率差が１．５％とした場合の数値を用いた。

図２（ａ）に示すように、本実施形態の光信号処理装置によれば、０．５ｄＢ透過帯域を６０ＧＨｚ（３０ＧＨｚ×２）とすることができる。また、図２（ｂ）に示すように形成される干渉縞の間隔を６５．４μｍに制御することができ、図２（ｃ）に示すように所望のポート０（出力用導波路１０２−３）に隣接するポートにおける消光比を４７ｄＢとすることができる。

以上説明したように、本実施形態の光信号処理装置は、バルクデバイスの数が少ないため実装が容易である。また、方向性結合器を用いていないため、高い消光比を得ることができる。さらに、位相変調部を空間型の位相制御素子を用いることで、広い透過特性を確保することができる。

なお、本実施形態では、位相制御素子としてＬＣＯＳによるものを例示したが、位相制御素子としてはＬＣＯＳに限るものではなく、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）によるものや、ピエゾ、電気光学結晶などによる位相制御素子を用いても同様の効果を得ることが可能である。このように、空間型の位相制御素子を用いることで、広い透過特性をもつ波長選択スイッチを構成することが可能である。

＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の一実施形態にかかる光信号処理装置の概略構成を示す図である。
図３に示すように、本実施形態の光信号処理装置は、石英系光導波路６００と、Ｋ個（Ｋは１以上の整数）のシリンドリカルレンズ７００−１〜７００−Ｋと、Ｋ個の集光レンズ８００−１〜８００−Ｋと、Ｋ個の位相変調器９００−１〜９００−Ｋとを備える。上記実施形態と同様に、石英系光導波路６００の基板における信号光の出射端面と水平な方向をｘ、垂直な方向をｙとし、光波の進行方向すなわち光軸をｚとする。

石英系光導波路６００は、石英系基板上に各々作製された、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の入出力導波路６０２−１〜６０２−Ｍに接続された第一スラブ導波路６０４と、Ｋ個のアレイ導波路格子６１０−１〜６１０−Ｋと、第一スラブ導波路６０４とアレイ導波路格子６１０−１〜６１０−Ｋとを接続するＮ個（ＮはＫの整数倍）の接続導波路６０６−１〜６０６−Ｎとを備える。本実施形態においては、第一スラブ導波路６０４とアレイ導波路格子６１０−１とがＮ／Ｋ個の接続導波路６０６で接続されている。

アレイ導波路格子６１０は各々、接続導波路６０６と接続された第二スラブ導波路６１２と、第二スラブ導波路６１２に接続されたアレイ導波路６１４とを備える。対象とするＷＤＭ信号（入出力導波路６０２から入射する複数の波長の信号光が多重された信号光）の周波数帯域をＦとすると、アレイ導波路格子６１０は各々、Ｎ×Ｆ以上の自由スペクトルレンジを有するように構成されている。さらに、接続導波路６０６は、アレイ導波路格子６１０において異なる接続導波路６０６から入射した光信号がそれぞれ波長分離されて異なる（重複しない）位置に位相変調器９００−１〜９００−Ｋ上に集光するように接続されている。例えば、入出力導波路６０２から入射する光信号に４０波長の光信号が多重されているとすると、アレイ導波路格子６１０−１において、隣接した接続導波路６０６−ｎおよび６０６−ｎ＋１からそれぞれ入射された光信号は、それぞれ４０波長の光信号に波長分離されるが、このとき接続導波路６０６−ｎと６０６−ｎ＋１の間隔を十分離すことでこれらの波長分離された８０個の光信号は互いに位相変調器９００−１上の重ならない位置に集光するように構成されている。

シリンドリカルレンズ７００−１〜７００−Ｋは各々、アレイ導波路６１４−１〜６１４−Ｋの第二スラブ導波路６１２−１〜６１２−Ｋと異なる端に配置され、アレイ導波路６１４−１〜６１２−Ｋから出射された波長分離された各光信号を、石英系基板面にｚ方向に（ｙ方向に拡がることなく）、集光レンズ８００へ入射するように作用する。

集光レンズ８００−１〜８００−Ｋは各々、波長分離された各光信号を位相変調器９００−１〜９００−Ｋに集光する。例えば、接続導波路６０６−ｎおよび６０６−ｎ＋１を導波してアレイ導波路格子６１０−１へ入射し波長分離された光信号は、図３に示すように、それぞれ位相変調器９００−１における異なる（重複しない）領域に集光される。

位相変調器９００−１〜９００−Ｋの各々は、波長分離された各光信号に対して任意の位相シフトを与え、集光レンズ８００−１〜８００−Ｋ、シリンドリカルレンズ７００−１〜７００−Ｋを介してアレイ導波路６１４−１〜６１４−Ｋへ結合するように反射する素子を備える。上記実施形態と同様に、位相変調器９００を、ＬＣＯＳを用いて構成することができる。本実施形態においては、ＬＣＯＳは、シリコン基板の表面に少なくとも（波長分離された光信号の数）×（１つの第二スラブ導波路に接続された接続導波路の数）の液晶素子（セル）を配列したものとすることができる。

上記実施形態と同様に、入出力導波路６０２、第一スラブ導波路６０４および接続導波路６０６は、スイッチング部を構成する。アレイ導波路格子６１０、シリンドリカルレンズ７００および集光レンズ８００は、分光部を構成する。位相変調器９００は位相変調部を構成する。

以下、本実施形態の光信号処理装置の作用について、Ｍ＝２１，Ｎ＝４８，Ｋ＝３として説明する。したがって、１つのアレイ導波路格子６１０へ接続される接続導波路６０６の数は１６個である。また、入出力導波路６０２から入射する光信号には４０波長の光信号が多重されているとし、位相変調器９００は、６４０個（４０×１６）の素子を備えるものとする。また、石英系基板上に配列された２１個の入出力導波路１０２−１〜１０２−２１の１つを入力用の導波路として用いるものとし、その他の入出力導波路は出力用の導波路として用いるものとする。しかしながら、図３において、上記実施形態と同様にサーキュレータを用いて、入出力導波路１０２の一部を入出力用として兼用してもよい。

複数の波長が多重された信号光は、入出力導波路６０２−１１を導波して第一スラブ導波路６０４の第一スラブ入出力面Ｐへ入射する。第一スラブ入出力面Ｐへ入射した信号光は、第一スラブ導波路６０４において、４８個の信号光に分岐され各々接続導波路６０６−１〜１０６−４８へ結合される。分岐された各信号光は、４０波長の光信号が多重されている。

接続導波路６０６−１〜６０６−４８を導波した光信号は、各々アレイ導波路格子６１０−１〜６１０−３へ入射する。例えば、接続導波路６０６−１〜６０６−１６を導波した信号光は、アレイ導波路格子６１０−１へ入射し、アレイ導波路格子６１０−１の第二スラブ導波路６１２−１およびアレイ導波路６１４−１を導波することで、波長分離されて石英系光導波路６００から出射する。このとき、上述したように、接続導波路６０６−１〜６０６−１６のうちの隣り合うｎ番目とｎ＋１番目の接続導波路から入射した光信号は、それぞれ分波され、アレイ導波路６１４−１の出力端から異なる方向に出射する。接続導波路６０６−１７〜６０６−３２、および６０６−３３〜６０６−４８を導波した信号光も同様に、波長分離されて石英系光導波路６００から出射する。

アレイ導波路格子６１０−１において波長分離された複数の波長の光信号の各々は、シリンドリカルレンズ７００−１および集光レンズ８００−１を透過して、位相変調器９００−１へ入射して、位相変調器９００−１において位相シフトを与えられる。上記実施形態と同様に、例えば位相変調器を、ＬＣＯＳで構成した場合、複数の波長の光信号は、それぞれ異なる液晶素子（液晶セル）へ入射して、互いに独立に位相シフトを与えられて、光路が反転する。アレイ導波路格子６１０−２および６１０−３において波長分離された複数の波長の光信号の各々も同様に位相変調器９００−２および９００−３へ入射して、位相シフトを与えられ、光路が反転する。

位相変調器９００−１〜９００−３において位相シフトを与えられ、光路が反転した各波長の光信号は、それぞれ集光レンズ８００−１〜８００−３およびシリンドリカルレンズ７００−１〜７００−２を透過して、アレイ導波路格子６１０−１〜６１０−３に結合される。さらに、光路が反転した各波長の光信号は、アレイ導波路格子６１０−１〜６１０−３において波長合成された後に接続導波路６０６−１〜６０６−４８に結合されて、再び第一スラブ導波路６０４へ入射する。

ここで、再び第一スラブ導波路６０４へ入射した光信号ある波長成分は、位相変調器９００−１〜９００−３において位相シフトを与えられているため、多光束干渉により第一スラブ導波路入出力面Ｐに干渉縞を形成する。また、位相変調器９００−１〜９００−３において付与する位相変調量を制御することで、干渉縞が形成される位置および干渉縞の光強度を制御することができる。したがって、本実施形態の光信号処理装置に入射した光信号の所望の周波数成分を、所望の光強度で所望の入出力導波路６０２−１〜６０２−１０および６０２−１２〜６０２−２１へ結合することができる。つまり、本実施形態の光信号処理装置を干渉型波長選択スイッチとして動作させることが可能となる。

なお、本実施形態において接続導波路６０６−１〜１０６−４８の導波路長は等長であることが望ましい。しかしながら、接続導波路６０６−１〜６０６−４８の導波路長に差がある場合であっても、接続導波路６０６−１〜６０６−４８を導波したあるチャネル（波長）の信号光が干渉して生じる干渉光の自由スペクトルレンジが、対象とするＷＤＭ信号（入射する信号光に多重された複数の波長の光信号）の周波数間隔（例えば１００ＧＨｚ）よりも大きくなるように、接続導波路６０６−１〜６０６−４８の導波路長の差を短くする（ＷＤＭ信号の周波数間隔が１００ＧＨｚの場合には、干渉光の自由スペクトルレンジが１００ＧＨｚよりも大きくなるように、接続導波路の導波路長を短くする）ことで、接続導波路６０６−１〜６０６−４８を導波したあるチャネル（波長）の信号光が干渉して生じるノイズを当該チャネルの帯域外に排除することができる。

図４に本実施形態の光信号処理装置の特性を数値解析した結果を示す。図４は、１チャネル（波長）についての特性を示し、（ａ）は透過スペクトル特性を示す図であり、（ｂ）は第一スラブ入出力面Ｐに形成される干渉縞を示す図であり、（ｃ）は出力ポート（出力に用いる入出力導波路６０２）における消光比の特性を示す図である。なお、図４（ｂ）では、第一スラブ入出力面Ｐの中心をｘ＝０としている。また、図４（ｃ）では、第一スラブ入出力面Ｐの中心に接続された出力導波路をポート０としている。

図４に示す本実施形態の光信号処理装置の特性は、次の表２に示す条件に基づいて解析した。各光学素子のパラメータは、石英系光導波路の比屈折率差が１．５％とした場合の数値を用いた。

図４（ａ）に示すように、本実施形態の光信号処理装置によれば、０．５ｄＢ透過帯域を５４ＧＨｚ（２７ＧＨｚ×２）とすることができる。また、図４（ｂ）に示すように形成される干渉縞の間隔を２４０μｍに制御することができ、図４（ｃ）に示すように所望のポート１３（入出力導波路６０２−１３）に隣接するポート（入出力導波路６０２−１２および６０２−１４）における消光比を３８．５ｄＢとすることができる。

以上説明したように、本実施形態の光信号処理装置は、バルクデバイスの数が少ないため実装が容易である。また、方向性結合器を用いていないため、高い消光比を得ることができる。さらに、位相変調部を空間型の位相制御素子を用いることで、広い透過特性を確保することができる。また、本実施形態の光信号処理装置は、図１を参照して説明した上記実施形態の光信号処理装置と比較すると、アレイ導波路格子の数を少なくすることができ、石英系光導波路６００を高集積化することが可能となる。

なお、本実施形態では、位相制御素子としてＬＣＯＳによるものを例示したが、位相制御素子としてはＬＣＯＳに限るものではなく、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）によるものや、ピエゾ、電気光学結晶などによる位相制御素子を用いても同様の効果を得ることが可能である。このように、空間型の位相制御素子を用いることで、広い透過特性をもつ波長選択スイッチを構成することが可能である。

＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の一実施形態の光信号処理装置の概略構成を示す図である。
図５に示す本実施形態の光信号処理装置は、図１を参照して説明した光信号処理装置の
分光部および位相変調部の構成を変形した、透過型の光信号処理装置である。本実施形態の光信号処理装置は、スイッチング部、分光部および位相変調部のすべてをＰＬＣ上に作製したものである。

図５に示すように、本実施形態の光信号処理装置は、石英系導波路基板１０００上に各々作製された、１つの入力導波路１１０２に接続された第一スラブ導波路１１０４と、Ｋ個（Ｋは２以上の整数）の第一アレイ導波路格子１１１０−１〜１１１０−Ｋと、第一スラブ導波路１１０４と第一アレイ導波路格子１１１０−１〜１１１０−Ｋとを接続するＮ個（Ｎは、Ｋ以上の整数）の第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−Ｎと、Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の出力導波路１２０２−１〜１２０２−Ｍに接続された第六スラブ導波路１２０４と、Ｋ個の第二アレイ導波路格子１２１０−１〜１２１０−Ｋと、第二アレイ導波路格子１２１０−１〜１２１０−Ｋと第六スラブ導波路１２０４とを接続するＮ個の第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−Ｎと、第一アレイ導波路格子１１１０−１〜１１１０−Ｋと第二アレイ導波路格子１２１０−１〜１２１０−Ｋとにそれぞれ接続されたＫ個の位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋとを備える。

第一アレイ導波路格子１１１０は各々、第一接続導波路１１０６と接続された第二スラブ導波路１１１２と、第二スラブ導波路１１１２に接続された第一アレイ導波路１１１４と、第一アレイ導波路１１１４と接続された第三スラブ導波路１１１５とを備える。同様に、第二アレイ導波路格子１２１０は各々、第二接続導波路１２０６と接続された第五スラブ導波路１２１２と、第五スラブ導波路１２１２に接続された第二アレイ導波路１２１４と、第二アレイ導波路１２１４と接続された第四スラブ導波路１２１５とを備える。

ここでは石英系導波路基板１０００における信号光の出射端面と水平な方向をｘ、垂直な方向をｙとし、光波の進行方向すなわち光軸をｚとする。

第一アレイ導波路格子１１１０は、第一接続導波路１１０６から出射されたＷＤＭ光信号を、波長分離して各光信号を位相シフタアレイ１４００に結合する。

位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋの各々は、波長分離された各光信号に対して任意の位相シフトを与える。位相シフタアレイ１４００は、例えば、導波路と薄膜ヒータや薄膜電極とを積層した位相シフタ導波路を配列した構成とすることができる。

第二アレイ導波路格子１２１０−１〜１２１０−Ｋは、各々位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋから出力された複数の波長の光信号を波長合成して第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−Ｎに結合する。

第六スラブ出力面Ｐ上には、接続導波路１２０６からの光信号が干渉し、干渉縞を形成する。ここで、干渉縞の強度がピークになる位置は、位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋに設定された位相状態により決まる。すなわち、位相制御素子１４００−１〜１４００−Ｋの位相設定を制御することにより、光信号を出力する出力導波路を選択することが可能になる。

加えて、位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋの各々には、位相シフタが波長分離された光信号の数だけ配置されるため、異なる波長の信号に対して個別に位相分布を設定することができる。したがって、上述の干渉縞の強度がピークになる位置は、波長毎に異なる位置に設定し、異なる出力導波路に出力することができる。

例えば、あるＷＤＭ信号のうちλ１の波長の光信号は位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋの各々の特定の位置に入射し、位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋ上の対応する位相シフタから位相変調を受けるが、このとき、位相シフタアレイ１４００−１〜１４００−Ｋによる位相設定（位相分布）を０、α×２π／Ｋ、α×２×２π／Ｋ、α×３×２π／Ｋ、・・・α×（Ｋ−１）×２π／Ｋのように線形に設定する。このように位相分布を線形に設定することで、干渉縞の強度がピークとなる位置は、第六スラブ出力面Ｐ上をほぼ線形に移動する。ここで、αは定数であり、光信号λ１を出力したい出力ポートに対応する。さらに、位相シフタはＷＤＭ信号の波長毎に別々の位相シフタ導波路を対応させているため、λ２、λ３、・・・は異なる出力へルーティングが可能である。

以下、本実施形態の光信号処理装置の作用について、Ｍ＝５，Ｎ＝Ｋ＝１４として説明する。

複数の波長が多重された信号光は、入力導波路１１０２を導波して第一スラブ導波路１１０４の第一スラブ入力面へ入射する。第一スラブ入力面へ入射した信号光は、第一スラブ導波路１１０４において、１４個の信号光に分岐され各々第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４へ結合される。

各信号光は、第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４を導波して第一アレイ導波路格子１１１０−１〜１１１０−１４へ入射する。例えば、第一接続導波路１１０６−１を導波して第一アレイ導波路格子１１１０−１へ入射した信号光は、第一アレイ導波路格子１１０−１の第二スラブ導波路１１１２−１、アレイ導波路１１１４−１および第３スラブ導波路１１１５−１を導波することで、波長分離される。第一接続導波路１１０６−２〜１１０６−１４を導波した信号光も同様に、波長分離される。

第一アレイ導波路格子１１１０−１において波長分離された複数の波長の光信号の各々は、位相シフタアレイ１４００−１の異なる位相シフタ導波路へ入射して、独立に位相シフトを与えられる。第一アレイ導波路格子１１１０−２〜１１１０−１４において波長分離された複数の波長の光信号の各々も同様に位相シフタアレイ１４００−２〜１４００−１４へ入射して、独立に位相シフトを与えられる。

位相シフタアレイ１４００−１において位相シフトを与えられた各波長の光信号は、第２アレイ導波路格子１２１０−１において波長合成された後に第二接続導波路１２０６−１に結合されて、第六スラブ導波路１２０４へ入射する。位相位相シフタ１４００−２〜１４００−１４において位相シフトを与えられた各波長の光信号も同様に、第六スラブ導波路１２０４へ入射する。

ここで、第六スラブ導波路１２０４へ入射した光信号のある波長成分は、位相シフタ１４００−１〜１４００−１４において位相シフトを与えられているため、多光束干渉により第六スラブ導波路出力面Ｐに干渉縞を形成する。また、位相シフタ１４００−１〜１４００−１４において付与する位相変調量を制御することで、干渉縞が形成される位置および干渉縞の光強度を制御することができる。したがって、本実施形態の光信号処理装置に入射した光信号の所望の周波数成分を、所望の光強度で所望の出力導波路１２０２−１〜１２０２−５へ結合することができる。つまり、本実施形態の光信号処理装置を干渉型波長選択スイッチとして動作させることが可能となる。

なお、本実施形態において第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４または第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−１４の導波路長は等長であることが望ましい。しかしながら、第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４または第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−１４の導波路長に差がある場合であっても、第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４および第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−１４を導波したあるチャネル（波長）の信号光が干渉して生じる干渉光の自由スペクトルレンジが、対象とするＷＤＭ信号（入射する信号光に多重された複数の波長の光信号）の周波数間隔（例えば１００ＧＨｚ）よりも大きくなるように、第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４または第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−１４の導波路長の差を短くする（ＷＤＭ信号の周波数間隔が１００ＧＨｚの場合には、干渉光の自由スペクトルレンジが１００ＧＨｚよりも大きくなるように、接続導波路の導波路長を短くする）ことで、第一接続導波路１１０６−１〜１１０６−１４および第二接続導波路１２０６−１〜１２０６−１４を導波したあるチャネル（波長）の信号光が干渉して生じるノイズを当該チャネルの帯域外に排除することができる。

本実施形態の光信号処理装置は、石英系光導波路の比屈折率差が１．５％としたときの各光学素子のパラメータ値を用いて上記表１に示す条件に基づいて解析した場合、図２（ｂ）乃至（ｃ）に示した特性と同様の特性を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態の光信号処理装置は、バルクデバイスを用いないため実装が容易である。また、方向性結合器を用いていないため、高い消光比を得ることができる。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳細に説明した。本願において開示されているように、本願発明に従えば、スイッチング部にスラブ導波路を用いるため、従来の方式では得られなかった高い消光比を得ることができる。

従来の方式で高い消光比が得られないのは、方向性結合器や多モード干渉カプラをスイッチング部に用いており、その製造誤差により接続導波路への光強度の分岐比に差が生じ、出力導波路の選択時に理想的な干渉状態を得られないことに起因する。

一方、本発明の波長選択スイッチでは、スイッチング部にスラブ導波路を用いており、接続導波路への光の分岐比はスラブ導波路内での光強度の広がりにのみ依存し、製造誤差に対する耐性が強くなるためである。

また、従来の方式では、単一のＷＤＭ波長あたりの位相制御素子の数は、高々出力の数程度備えられればスイッチングの機能を実現できていたが、本発明では、多光束干渉を用いるため、出力方路数以上の位相制御素子を必要とする（上記の第１の実施形態ではおよそ３倍、第２の実施形態ではおよそ２．５倍）。これは、換言すれば、方向性結合器や多モード干渉カプラなどに要求される精度を、複数の位相制御素子に肩代わりさせることで、高い消光比を実現するものといってよい。

上記のとおり、本願発明は、従来技術にない構成上の特徴を有し、またこの構成上の特徴による格別の効果を奏するものである。

本発明の一実施形態の光信号処理装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置の特性を数値解析した結果を示す図であり、（ａ）は透過スペクトル特性を示す図であり、（ｂ）は第一スラブ入出力面Ｐに形成される干渉縞を示す図であり、（ｃ）は出力ポートにおける消光比の特性を示す図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置の特性を数値解析した結果を示す図であり、（ａ）は透過スペクトル特性を示す図であり、（ｂ）は第一スラブ入出力面Ｐに形成される干渉縞を示す図であり、（ｃ）は出力ポートにおける消光比の特性を示す図である。 本発明の一実施形態の光信号処理装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１００，６００ 石英系光導波路
１０２，６０２，１１０２，１２０２ 入出力導波路
１０４，６０４，１１０４，１２０４ スラブ導波路
１０６，６０６，１１０６，１２０６ 接続導波路
１１０，６１０，１１１０，１２１０ アレイ導波路格子
１１２，６１２，１１１２，１１１５，１２１２，１２１５ スラブ導波路
１１４，６１４，１１１４，１２１４ アレイ導波路
２００，７００ シリンドリカルレンズ
３００，８００ 集光レンズ
４００，９００ 位相変調器
５００， サーキュレータ
１４００ 位相シフタアレイ

Claims (4)

1. 基板上に作製された、少なくとも１つの入力導波路および少なくとも１つの出力導波路と接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路と接続導波路アレイで接続されたアレイ導波路格子であって、各々第２のスラブ導波路およびアレイ導波路を含む少なくとも１つのアレイ導波路格子と、
   前記基板上に作製された前記アレイ導波路格子から出射した光を集光する集光手段と、
   前記集光手段によって集光された光に位相シフトを与える位相変調素子を有する位相変調手段と
   を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
2. 前記接続導波路アレイは、当該接続導波路アレイを導波した信号光の干渉により生じる干渉光の自由スペクトルレンジが伝送される波長多重信号の周波数間隔よりも大きくなる光路長差を有することを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
3. 前記入出力導波路に入射する複数の波長の信号光が多重された信号光の周波数帯域をＦとし、前記アレイ導波路格子に接続された前記接続導波路の数をＮとしたとき、前記アレイ導波路格子は、Ｎ×Ｆ以上の自由スペクトルレンジを有するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
4. 基板上に作製された、入力導波路と接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路と第１の接続導波路アレイで接続された第１のアレイ導波路格子であって、各々第２のスラブ導波路、第１のアレイ導波路および第３のスラブ導波路を含む少なくとも２つの第１のアレイ導波路格子と、
   前記基板上に作製された、出力導波路と接続された第６のスラブ導波路と、前記第６のスラブ導波路と第２の接続導波路アレイで接続された第２のアレイ導波路格子であって、各々第５のスラブ導波路、第２のアレイ導波路および第４のスラブ導波路を含む前記第１のアレイ導波路格子と同数の第２のアレイ導波路格子と、
   前記基板上に作製された、前記第１のアレイ導波路格子と前記第２のアレイ導波路格子とに接続された前記第１のアレイ導波路格子と同数の位相シフタアレイと
   を備えたことを特徴とする光信号処理装置。

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