JP2014215317A

JP2014215317A - 光信号処理回路

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Publication number: JP2014215317A
Application number: JP2013089778A
Authority: JP
Inventors: 弘和竹ノ内; Hirokazu Takenouchi
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2014-11-17
Anticipated expiration: 2033-04-22
Also published as: JP6110718B2

Abstract

【課題】複数のポートから入力した波長の異なる光信号に対して、時空間変換光信号処理を行い、かつ波長多重処理を１つのＡＷＧで行うことの出来る簡便な時空間変換光信号処理回路を提供する。
【解決手段】入力導波路１０１、スラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、スラブ導波路１０４からなるアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と、スラブ導波路１０４の焦点面に反射型の空間フィルタ１０５が配置され、周波数成分が空間的に展開された入力光信号（光スペクトル）に対して、強度や位相変調を施すことができる。空間フィルタ１０５は、石英で出来たフィルタ基板上の周波数λ１、λ２、λ３、λ４の光スペクトルが展開される位置毎に、電子線描画レジスト、金ミラーからなる位相変調構造を備えている。金ミラーをパターニングすることで、信号処理を行うことが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号処理回路に関し、より詳細には、複数の高速光信号部隊して一括で時空間変換信号処理を行い、かつ波長多重を行うことの出来る信号処理回路に関する。

光信号伝送技術や光信号処理技術の発展に伴い、より高速・大容量の光信号を取り扱うことが必要になってきている。しかしながら、信号速度が高速になると、信号処理を行う際に電気的処理が極めて困難になるという問題が生じる。このため、高速の光信号を光のまま信号処理を行うことの出来る時空間変換信号処理（非特許文献１参照）が注目を集めている。これは、先ず、回折格子やアレイ導波路格子（ＡＷＧ）などの分散素子を用いて、時間波形を空間波形に変換し、その空間波形をレンズ等によってフーリエ変換することによって時間波形の時間周波数スペクトルを空間周波数スペクトルに変換する。そして、空間周波数スペクトルを空間的に強度や位相を変調することの出来る空間フィルタによってフィルタリングした後、逆過程を行うことで、再び時間波形に変換する。これにより、超高速光信号の時間波形に対して光信号処理を行うことができる。

この光信号処理方法は、分散素子として、波長多重（ＷＤＭ）光信号の合分波に用いられているＡＷＧ等を用いるため、ＷＤＭされた信号に対して並列で一括信号処理を行うことができるという利点を有する。

T. Kurokawa, et al., "Time-space-conversion optical signal processing using arrayed-waveguide grating," Electronics Letters, 1997, Vol. 33, No. 22, pp.1890-1891

しかしながら、従来のＡＷＧを用いた時空間変換光信号処理回路では、入力ポートと出力ポートが同一になってしまうという課題があった。既にＷＤＭされた信号に対して時空間変換光信号処理を行う場合には、従来の光信号処理回路で問題無く一括で信号処理を行うことが出来る。一方、例えばＷＤＭ信号の送信時に波長多重された光単側波帯（ＳＳＢ）信号や光ナイキストパルスなどの特殊な送信光信号を生成するためには装置が複雑になるという課題があった。

図９に、従来の光信号処理回路の構成を示す。波長λ１〜λ４の信号光を入射する複数の入力導波路９０１、スラブ導波路９０２、アレイ導波路９０３、スラブ導波路９０４からなる前段部においてＷＤＭ信号を生成する波長多重処理を行う。その後、前段部と光サーキュレータ９０５を介して接続された、ＷＤＭ信号が入射される単一の入力導波路９０６、スラブ導波路９０７、アレイ導波路９０８、スラブ導波路９０９、スラブ導波路９０９の焦点面に配置された反射型空間フィルタ９１０からなる後段部において、時空間変換光信号処理を行う。このように、波長多重処理を行う回路と時空間変換光信号処理を行う回路とを別々に用意する必要があり、それらを組み合わせることで装置が複雑になっていた。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複数のポートから入力した波長の異なる光信号に対して、時空間変換光信号処理を行い、かつ波長多重処理を１つのＡＷＧで行うことの出来る簡便な時空間変換光信号処理回路を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、光信号処理回路であって、第１のスラブ導波路と第２のスラブ導波路との間をアレイ導波路で接続され、複数の入力導波路と前記入力導波路に隣接する少なくとも１本の出力導波路が前記第１のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路格子と、前記第２のスラブ導波路の焦点面近傍に配置された空間フィルタであって、前記複数の入力導波路から入射した光信号を反射して前記出力導波路に結合させるための位相変調構造を有する空間フィルタと、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光信号処理回路において、前記アレイ導波路格子は、石英導波路で形成されていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光信号処理回路において、前記位相変調構造は、前記第２のスラブ導波路において周波数成分が空間的に展開された光信号の入射位置毎に、前記出力導波路との位置関係に応じた位相遅延量を有する傾斜面を有する基板上に積層されたレジストと、前記傾斜面に積層された金属膜との積層構造からなることを特徴とする。

請求項４において、請求項３に記載の光信号処理回路において、前記位相変調構造は、前記傾斜面の全面に前記金属膜が積層されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の光信号処理回路において、前記位相変調構造は、前記傾斜面毎に、前記光信号の片側の側波帯のみを反射するように前記金属膜が前記傾斜面の一部に積層され、かつ、片側の側波帯を吸収するように無反射膜が前記傾斜面の一部に積層されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の光信号処理回路において、前記位相変調構造は、前記傾斜面毎に、前記光信号のスペクトルの中心のみ反射するように前記傾斜面の一部に前記金属膜が積層されていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号処理回路において、前記空間フィルタは、シリコン基板上に載せた動的に変調可能な反射型液晶素子で形成されていることを特徴とする。

本発明は、複数のポートから入力した波長の異なる光信号に対して、時空間変換光信号処理を行い、かつ波長多重処理を１つのＡＷＧで行うことで、時空間変換光信号処理回路を簡便化することができる。

本発明の一実施形態に係る光信号処理回路の構成を示す図である。（ａ）はスラブ導波路からの出力光の焦点面における電界振幅を示す図であり、（ｂ）はスラブ導波路からの出力光の焦点面における位相を示す図である。（ａ）はスラブ導波路からの出力光の焦点面における電界振幅を示す図であり、（ｂ）はスラブ導波路からの出力光の焦点面における位相を示す図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係る空間フィルタの構造を示す図であり、（ｂ）はその空間フィルタによって与えられる位相遅延量を示す図であり、（ｃ）はその空間フィルタによって与えられる反射電界の位相を示す図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係るＳＳＢ信号を生成するためのＳＳＢ信号用空間フィルタの構造を示す図であり、（ｂ）はその空間フィルタによって与えられる位相遅延量を示す図であり、（ｃ）はその空間フィルタによって与えられる反射電界の位相を示す図である。（ａ）はＳＳＢ信号用空間フィルタによるフィルタリング後の電界振幅を示す図であり、（ｂ）はＳＳＢ信号用空間フィルタによるフィルタリング後の位相を示す図である。本発明の一実施形態に係る光ナイキストパルスを生成するための光ナイキストパルス用空間フィルタの構造を示す図であり、空間フィルタ１０５によって与えられる位相遅延量を示す図であり、反射電界の位相を示す図である。（ａ）は光ナイキストパルス用空間フィルタによるフィルタリング後の電界振幅を示す図であり、（ｂ）は光ナイキストパルス用空間フィルタによるフィルタリング後の位相を示す図である。従来の光信号処理回路の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る光信号処理回路の構成を示す。複数の入力導波路１０１から入射された波長λ１〜λ４の信号光は、スラブ導波路１０２でアレイ導波路１０３の各導波路に分配される。アレイ導波路１０３からのそれぞれの出力光は、スラブ導波路１０４で集光される。アレイ導波路１０３は、入射信号光を時間−空間変換する機能を有するものであり、スラブ導波路１０４は、アレイ導波路１０３からのそれぞれの出力光をフーリエ変換させる機能を有するものである。つまり、スラブ導波路１０４のアレイ導波路１０３に接続された端面とは反対側の端面（焦点面）において入力光信号の周波数成分が空間的に展開されており、空間軸と周波数軸とは線分散を通じて互いに比例関係にある。この入力導波路１０１、スラブ導波路１０２、アレイ導波路１０３、スラブ導波路１０４からなる回路構成は、一般的にアレイ導波路格子（ＡＷＧ）と呼ばれている。

スラブ導波路１０４の焦点面には、反射型の空間フィルタ１０５が配置され、周波数成分が空間的に展開された入力光信号（光スペクトル）に対して、強度や位相変調を施すことができる。

本実施形態で用いたアレイ導波路１０３の中心波長が１５５２ｎｍであり、その本数は３７８本、回折次数（隣接導波路の光路長差を波長で除した値）は３２７である。スラブ導波路１０４の焦点面における線分散は２５０ＭＨｚ／μｍであり、周波数分解能は約２．２ＧＨｚである。また複数の入力導波路１０１の本数は４本であり、２００ＧＨｚ間隔に相当する間隔でスラブ導波路１０２に入射するように設計されている。

図１の光信号処理回路は、以下のように作製された石英系光導波路としても良い。すなわち、単結晶シリコンの基板上に火炎加水分解体積法（ＦＨＤ法）によって下部クラッド層、コア層の順にガラス微粒子膜として堆積させた後、アニール炉中で高温に加熱し、シリコン基板上を覆う透明なガラス膜とする。その後、導波路の形にパターニングを施し、ドライエッチングを用いて、不要なコア層を除去した後、再びＦＨＤ法を用いて上部クラッド層を堆積させ、高温に加熱して上部クラッド層を透明化させる。

尚、本発明は、石英系光導波路の他に、ＩｎＰなどの半導体層にコア層としてＩｎＧａＡｓＰなどのクラッドよりも屈折率の高い半導体をエピタキシャル成長させ、パターニング、及びエッチングによって作製した半導体の導波路構造やコアを重水素化ＰＭＭＡ、クラッドを紫外線硬化樹脂とするようなポリマーからなる導波路構造としても良い。この場合は、使用したい波長域において材料が十分透明であることが望ましい。

ここで、４本の入力導波路から、周波数間隔が１００ＧＨｚの周波数λ１、λ２、λ３、λ４の光を入射した場合のスラブ導波路１０４の焦点面の電界について説明する。入射導波路の間隔が２００ＧＨｚであるため、スラブ導波路１０４の焦点面にはλ１、λ２、λ３、λ４の光スペクトルが、１００ＧＨｚ間隔に相当する間隔（本実施例では４００μｍ）で、展開される。図２（ａ）、（ｂ）に、このときの電界振幅と位相を示す。

ここで、図３のように各入射スペクトルの位相を空間位置に対して傾けることで、反射する空間周波数スペクトルの波面を制御することが可能である。具体的には、周波数λ１、λ２、λ３、λ４の光スペクトルに対して、与える位相を独立に制御することで、空間フィルタ１０５で反射された光信号をもとの入力導波路１０１ではなく、１本の出力導波路１０６に合波して出力させることが可能になった。これにより、これまで２つのＡＷＧで独立に行ってきた時空間変換光信号処理と波長多重処理とを１つのＡＷＧで行うことが可能になった。

図４（ａ）〜（ｃ）に、空間フィルタ１０５の詳細な構造、空間フィルタ１０５によって与えられる位相遅延量、反射電界の位相を示す。空間フィルタ１０５は、石英で出来たフィルタ基板４０１上の周波数λ１、λ２、λ３、λ４の光スペクトルが展開される位置毎に、電子線描画レジスト４０２、金ミラー４０３からなる位相変調構造を備えている。これは以下のように作製した。

フィルタ基板４０１上にレジストでパターニングし、電子線描画装置でドーズ（電荷打ち込み）量を空間的に調整して露光して一定時間後に現像することで、光スペクトルが展開される位置毎に異なる傾きを持った電子線描画レジスト４０２を形成することができる。その後、電子線描画レジスト４０２の全面に金ミラー４０３を２００μｍ蒸着した。

図４（ａ）に示す空間フィルタ１０５を用いて実際に１００ＧＨｚ間隔の光信号（波長はそれぞれ１５５２．１５ｎｍ、１５５２．９ｎｍ、１５５３．７ｎｍ、１５５４．５ｎｍ）を入射したところ、４波長全てが出力ポート１０６から出射することを確認出来た。

上述の例では、金ミラー４０３を全面に蒸着したため、空間フィルタ１０５によって全てのスペクトルが反射されるが、金ミラー４０３をパターニングすることで、信号処理を行うことが出来る。

図５（ａ）〜（ｃ）に、本発明の一実施形態に係るＳＳＢ信号を生成するためのＳＳＢ信号用空間フィルタの構造、空間フィルタ１０５によって与えられる位相遅延量、反射電界の位相を示す。また図６（ａ）、（ｂ）に、ＳＳＢ信号用空間フィルタによるフィルタリング後の電界振幅と位相を示す。搬送波の片側の側波帯のみを反射し、他方の側波帯は無反射膜５０１によってカット（吸収）されるため、フィルタリング後の光スペクトルは光ＳＳＢ信号になる。

図７に、本発明の一実施形態に係る光ナイキストパルスを生成するための光ナイキストパルス用空間フィルタの構造、空間フィルタ１０５によって与えられる位相遅延量、反射電界の位相を示す。また図８（ａ）、（ｂ）に、光ナイキストパルス用空間フィルタによるフィルタリング後の電界振幅と位相を示す。スペクトルの中心のみ反射するよう金ミラー４０３を図７（ａ）のようにパターニングして、スペクトルの裾が急峻にカットされた図８（ａ）のようなスペクトルを形成することで、光ナイキストパルスを生成することも可能である。

本実施形態では、フィルタ基板４０１上に電子線描画レジスト４０２、金ミラー４０３や無反射膜５０１で空間フィルタ１０５を形成したが、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｏｎｓｉｌｉｃｏｎ）のような動的に反射面を構成可能な空間フィルタ１０５を用いても良い。

以上説明したように、本発明の時空間変換光信号処理回路では、空間フィルタに波面制御構造を設けることで、１つのＡＷＧで、複数のポートから入力した波長の異なる複数の光信号に対して、個別に時空間変換光信号処理を行い、かつ波長多重処理も行うことが出来る。

１０１、９０１入力導波路
１０２、１０４、９０２、９０４、９０７、９０９スラブ導波路
１０３、９０３、９０８アレイ導波路
１０５、９１０空間フィルタ
１０６出力導波路
４０１フィルタ基板
４０２電子線描画レジスト
４０３金ミラー
５０１無反射膜
９０５光サーキュレータ
９０６入出力導波路

Claims

第１のスラブ導波路と第２のスラブ導波路との間をアレイ導波路で接続され、複数の入力導波路と前記入力導波路に隣接する少なくとも１本の出力導波路が前記第１のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路格子と、
前記第２のスラブ導波路の焦点面近傍に配置された空間フィルタであって、前記複数の入力導波路から入射した光信号を反射して前記出力導波路に結合させるための位相変調構造を有する空間フィルタと、
を備えたことを特徴とする光信号処理回路。
前記アレイ導波路格子は、石英導波路で形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回路。
前記位相変調構造は、前記第２のスラブ導波路において周波数成分が空間的に展開された光信号の入射位置毎に、前記出力導波路との位置関係に応じた位相遅延量を有する傾斜面を有する基板上に積層されたレジストと、前記傾斜面に積層された金属膜との積層構造からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光信号処理回路。
前記位相変調構造は、前記傾斜面の全面に前記金属膜が積層されていることを特徴とする請求項３に記載の光信号処理回路。
前記位相変調構造は、前記傾斜面毎に、前記光信号の片側の側波帯のみを反射するように前記金属膜が前記傾斜面の一部に積層され、かつ、片側の側波帯を吸収するように無反射膜が前記傾斜面の一部に積層されていることを特徴とする請求項３に記載の光信号処理回路。
前記位相変調構造は、前記傾斜面毎に、前記光信号のスペクトルの中心のみ反射するように前記傾斜面の一部に前記金属膜が積層されていることを特徴とする請求項３に記載の光信号処理回路。
前記空間フィルタは、シリコン基板上に載せた動的に変調可能な反射型液晶素子で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の光信号処理回路。