JP2009545016A - 超狭帯域通過フィルタ - Google Patents

Abstract

ＭＺ構造体の各アームに光学的に連結される複数の共振器をそれぞれ備える１対の縦続接続マッハツェンダーＭＺ構造体を備える、超狭帯域の特性を示す通過帯域フィルタ。

Description

本発明は、一般的に光学通信の分野に関し、具体的には、改善された特性を示す狭帯域通過光学フィルタに関する。

特定の光周波数帯を通す光学帯域通過フィルタは、数多くの光学システムにおいて幅広い用途が見出されている。

導波路格子ルータから構築される光学帯域通過フィルタは、有用な狭帯域通過特性を与える一方で、いささか大型で、作製が困難であり、その結果高価である。

全通過フィルタおよびマッハツェンダー構造体から構築される光学帯域通過フィルタは、しばしば導波路損失の影響を受けすぎる。

本発明の原理によると、超狭帯域通過フィルタが、マッハツェンダー構造体を有する２ステージ全通過フィルタの配列によって構築される。具体的には、２つの極・零フィルタは、従来技術で悩ましかった付随損失をもたらすことなく望ましい応答特性を実現するように縦続接続される。

有利には、本発明は導波路損失（１つまたは複数）を単一ステージ・フィルタ内で抑制し、光パワーのスループットを大幅に改善し、したがって信号対雑音比を改善する一方で、フィルタ・アクセス損失の変動または隣接するチャネルに関連するクロストークをもたらすことなく、通過帯域幅の広い範囲の実装を可能にする。

従来技術の６次の極・零フィルタの概略図である。 帯域内損失およびフィルタ形状に対する損失の影響を示す、挿入損失対正規化周波数のグラフである。 本発明による縦続接続フィルタの概略図である。 フィルタ応答合計を各フィルタ周波数応答の積の関数として示すグラフである。それぞれ、本発明によるフィルタの通過帯域合計に関連する通過帯域を示すグラフ（４Ａ）、構成要素フィルタＦｌ、Ｆ２に関連する縦続接続フィルタの狭通過帯域を示す、より詳細なグラフ（４Ｂ）、およびフィルタ全体をフィルタＦｌ×Ｆ２の積として示す概略図（４Ｃ）である。

以下は、本発明の原理を説明するに過ぎない。したがって当業者が、本明細書で明示的に記載され示されていないが本発明の原理を具現化し、またその趣旨と範囲の内にある様々な構成を考案しうることは、理解されるだろう。

さらに、本明細書に記載するすべての例および条件付きの文言は、本発明者（１名または複数名）が技術を推進するために寄与する本発明の原理および概念を読者が理解するのを助ける教示の目的のみが、主に明示的に意図されており、特定の記載された例および条件に限定されないものとして解釈されるべきである。

さらに本発明の原理、態様、および実施形態を記載する本明細書のすべての表明、ならびにその特定の例は、構造上および機能上の均等物を共に包含することが意図されている。さらにかかる均等物は、現在の既知の均等物ならびに将来開発される均等物、すなわち構造体に関わらず同じ機能を果たす任意の開発される要素を共に含むことが意図されている。

したがって例えば、本明細書の図表は本発明の原理を具現化する例示の構造体の概念図を示すことを、当業者は理解するだろう。

図１は、マッハツェンダー構造体として当業者に知られる構造体を使用する光学装置１００の概略図を示す。マッハツェンダー構造体は、光学伝送システムに幅広く使用されており、数多くの型式が知られまた理解されている。

続けて図１に言及すると、装置構造体は、１対の導波路アーム１１０、１２０によって光学的に接続される１つまたは複数の入力導波路１０３、１０５と、１つまたは複数の出力導波路１０７、１０９とを備えることが、観察できる。したがって、入力導波路に与えられる光学信号は、上部アーム１１０および／または下部アーム１２０を介して装置を通過した後に出力導波路から外に出る。

図１はまた、複数のリング共振器１３０[１]〜１３０[６]をも示し、その内のいくつかは装置上部アーム１３０または下部アーム１４０のどちらかに光学的に連結されている。

ここで留意すべきことであるが、共振器構造体１３０[１]〜１３０[６]は、マッハツェンダー構造体の外部にあるものとして示されている。そのような共振器（リング共振器またはその他）は、マッハツェンダー構造体（１つまたは複数）の内部にも存在しうることを、当業者は理解するだろう。本発明の目的のためには、そのような共振器構造体は、装置のマッハツェンダー・アームに光学的に連結されていることのめが必要とされる。

この形式で構成される場合、図１に示す装置は、６次の極・零フィルタとして作用する。本装置（フィルタ）は、共振器１３０[１]〜１３０[６]を使用して、アーム１１０、１２０中の位相（１つまたは複数）を処理する。有利には、そのようなフィルタは、バターワース型、チェビシェフ型、および楕円形状型を含む他の既知のフィルタ型式の様々な通過帯域特性を模倣してよい。

図１に示すようなそうした従来技術のフィルタ構成は、幾分狭いボックス形状の応答を比較的低次の配列（この例では、６次）によって達成するとはいえ、急峻なリング共振の群遅延応答が必要とされるために、残念ながら導波路損失の影響を受けやすい。（大文字のＱ=ｄλ/λ。ここでＱは、個々のリング内の光パワーの量である。）これは図２を参照することにより理解可能であり、図２は、挿入損失（ｄＢ）対正規化周波数のグラフを示して帯域内損失およびフィルタ形状に対する損失の影響を説明する。図２に使用されているデータは、４次のフィルタおよび１０％の通過帯域についてのものである。容易に理解できるように、損失は通過帯域にかなりの影響を与える。

有利には、本発明によって、２つの極・零フィルタは、従来技術で悩ましかった付随損失をもたらすことなく超狭通過帯域周波数の応答を実現するように連鎖されうる。より具体的には、装置全体を構成する２つの各フィルタの周波数応答は、所望の通過帯域の両側において名目上５０％未満が重なる。その結果、装置を構成する構成要素フィルタを変更することによって、ほぼ任意の必要な周波数スライスが生成されうる。この方式では、生成される通過帯域は２つのフィルタ応答の積である。

次に図３は、２つの個々の高次フィルタ３７０、３８０を備える本発明による連鎖フィルタ３００を示す。第１のフィルタ３７０は、１対の導波路アーム３２０、および３１０によってそれぞれ光学的に接続される１つまたは複数の入力導波路３０３、３０５と、１つまたは複数の出力導波路３０７、３０９とを備える。したがって、入力導波路に与えられる光学信号は、上部アーム３２０および／または下部アーム３１０を介して装置を通過した後に出力導波路から外に出る。最終的には第１のフィルタ３７０は、複数のリング共振器３３０[１]〜３３０[６]を含み、その内のいくつかはフィルタの上部アーム３２０または下部アーム３１０のどちらかに光学的に連結されている。

第２のフィルタ３８０は同様に構成されており、１対の導波路アーム３５０、および３４０によってそれぞれ光学的に接続される１つまたは複数の入力導波路３１３、３１５と、１つまたは複数の出力導波路３１７、３１９とを備える。そのため、入力導波路に与えられる光学信号は、上部アーム３４０および／または下部アーム３５０を介して装置を通過した後に出力導波路から外に出る。第１のフィルタ３７０と同様に、第２のフィルタ３８０は、複数のリング共振器３６０[１]〜３６０[６]を含み、その内のいくつかはフィルタの上部アーム３５０または下部アーム３４０のどちらかに光学的に連結されている。

フィルタ３７０、３８０は、第１のフィルタ３７０の出力導波路３０９が第２のフィルタ３８０の入力導波路３１３に光学的に接続されるように連鎖されている。この光学接続が例に過ぎず、この他に、第１のフィルタの他の出力が第２のフィルタの他の入力に接続されてよいことを当業者はもちろん理解するだろう。

図３から分かるように、第１のフィルタ３７０に入る光学信号は、出力導波路３０９において出力され、次いで第２のフィルタ３８０の入力導波路３１３に入力される。有利には、フィルタ処理後スルー信号３９０は出力導波路３１７において出力され、一方フィルタ処理後クロス（ドロップ）信号３９５は出力導波路３１９において出力される。スルー信号およびドロップ信号が共に単一のフィルタ構造体の出力で入手可能であり、スルー信号が縦続接続フィルタ全体の通過帯域の内にある出力信号であり、ドロップ信号が縦続接続フィルタ全体の通過帯域の外にある出力信号であることに伴う利点を、当業者は速やかに理解するだろう。

連鎖の構成は、個々のフィルタの周波数応答のインターリービングをもたらす。先に述べたように、好ましい実施形態において、各個々のフィルタの周波数応答は、実質的に５０％の分量で所望の通過帯域に重なる。図４に示すように、そのような重なりが果たされるときの連鎖構造体のフィルタ応答は、各個々のフィルタの積である。

より具体的には、４（Ａ）は、本発明の狭通過帯域（円で囲んだ部分）に関連する通過帯域合計のグラフである。狭通過帯域は４（Ｂ）のより詳細なグラフに示されており、本発明の縦続接続フィルタの狭通過帯域間の関係が、構成要素フィルタＦｌとＦ２の通過帯域（１つまたは複数）に関連して示されている。最後に、４（Ｃ）は、本発明に従って構築されるフィルタの応答全体が２つの構成要素フィルタＦｌ、Ｆ２の積であることを概略的に示し、通過帯域=ＦＩ（×）Ｆ２である。

連鎖フィルタを構成するために、各個々のフィルタ通過帯域応答は別個に構成される。理解できるように、それぞれについてのフィルタ通過帯域は、比較的広い周波数帯域を与えて、フィルタ損失を最小にするように設定しうる。

次いで本発明に従って、個々のフィルタ通過帯域はその他のフィルタの通過帯域（例えば図４（Ｂ）参照）が重なる。その重なりの幅は、所望の縦続接続フィルタ周波数応答の幅、すなわち通過帯域を決定する。

ここで理解できるように、本発明の具体的な利点は、単一ステージ・フィルタ内での導波路損失の抑制が必要な場合の救済である。また光パワースループットの合計がかなり改善され、したがってデバイスの信号対雑音比を改善する。さらにフィルタ・アクセス損失の変動をもたらすことなく、通過帯域幅の広い範囲の実装を可能にする。最後に、任意の隣接するチャネルに関連するクロストークがかなり削減される。

留意すべきであるが、本発明による狭通過帯域などの狭通過帯域を単一のＭＺ構造体を使用して達成しようとする場合には、共振器について極めて高いＱ値（１００，０００未満）が必要となるだろう。さらに、極めて損失の低いリング共振器も必要であろう。

対照的に、本発明により構築されるデバイスは、実質的にこれらの要件を緩和し、それによってデバイスの再現性、作製しやすさを高め、比較的低いコストをもたらす。さらに具体的には、前述した実質的に１００，０００未満のＱ値が、本発明に有効である。実際、２０，０００〜５０，０００程度のＱ値は、特に有用で効果的である。本発明の具体的な利点は、個々の共振器の個々のＱ特性を変更することなく通過帯域全体を変更しうることにある。

さらに、本発明はリング共振器の例示の数（つまり、個々のＭＺ構造体の各アームに３つ）を用いて示され説明されているが、共振器の数は、例えば特定の通過帯域の要件しだいで変更しうることを当業者は理解するだろう。特に、各ＭＺ構造体について共振器合計が３つのように少なくても、または１０のように多くても、予見できる用途について有用である。もちろん、ＭＺ構造体中の共振器合計数が奇数個の場合、ＭＺ構造体は「均衡しない」。すなわち、特定のＭＺ構造体を構成する各アーム中の共振器の数は不均等である。最後に、装置全体を構成する２つの縦続接続フィルタ中の共振器の数もまた等しい必要はない。したがって本発明は、実施と応用において非常に柔軟である。

最後に、本発明の特に利点となる態様は、それがシリコン、リチウム、ニオブ酸塩等を含むがこれらに限定されない様々な既知の材料から構築可能であることである。より具体的には、コア屈折率がクラッド屈折率と異なる任意の素材から構築されることが可能であり、あるいは、クラッド屈折率が空気または他の周囲環境によって与えられる場合であってもそうである。

いくつかの特定の例を使用して本発明を示し説明したが、本教示はそれに限定されるものではないことを、当業者はここで理解するだろう。したがって本発明は、添付の特許請求項の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (8)

1. それぞれが入力ポート、出力ポートおよび前記入力ポートを前記出力ポートに光学的に相互接続する光学導波路を有する１対のアームを備える第１のマッハツェンダー光学構造体と、
   それぞれが入力ポート、出力ポートおよび前記入力ポートを前記出力ポートに光学的に相互接続する光学導波路を有する１対のアームを備える第２のマッハツェンダー光学構造体とを備える光学フィルタにおいて、
   前記第１のマッハツェンダー構造体の前記出力ポートの１つが、前記第２のマッハツェンダー構造体の入力ポートに光学的に接続され、
   両方のマッハツェンダー光学構造体の各アームが、アームに光学的に連結される１つまたは複数の共振器を備え、
   前記第１のマッハツェンダー構造体の前記入力ポートの１つに入力光学信号を与えると、スルー出力信号が前記第２のマッハツェンダー構造体の前記出力ポートの１つで利用可能となりドロップ出力信号が前記第２のマッハツェンダー構造体の他方の出力ポートで利用可能となることを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記第１と第２のマッハツェンダー構造体が、等しい数の共振器を備えることをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記マッハツェンダー構造体の少なくとも１つが奇数個の共振器を備えることをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
4. 前記マッハツェンダー構造体の少なくとも１つが偶数個の共振器を備えることをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
5. 前記共振器が１００，０００未満のＱ値を示すことをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
6. 前記共振器の１つまたは複数が、その他の１つまたは複数の共振器のＱ値と実質的に異なるＱ値を示すことをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
7. 前記フィルタ全体の通過帯域特性が、個々の共振器のＱ値を変更することなく調節可能であることをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。
8. それぞれの前記共振器のＱ値が、２０，０００より大きく１００，０００未満であることをさらに特徴とする、請求項１に記載の光学装置。

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