JP3141281B2 - 非線形光分岐エレメント - Google Patents
非線形光分岐エレメントInfo
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- JP3141281B2 JP3141281B2 JP09198024A JP19802497A JP3141281B2 JP 3141281 B2 JP3141281 B2 JP 3141281B2 JP 09198024 A JP09198024 A JP 09198024A JP 19802497 A JP19802497 A JP 19802497A JP 3141281 B2 JP3141281 B2 JP 3141281B2
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Description
するシステムのための光デバイスに関するものである。
さらに詳しくは、3つの光ポートを有し、第1光ポート
から入る光信号がそれぞれ第2・第3光ポートから出
て、第2または第3光ポートから入る光信号が第1ポー
トから出る、等しいパワーの2つの信号に分けられる2
分岐光エレメントに関するものである。同じ機能をもつ
分岐エレメントに対して、出願人は同時出願をオランダ
でしている(1996年7月24日、オランダ出願第N
L1003669号、「MZ干渉計を有する非線形光分
岐エレメント」)。この同時出願−以後出願P1という
−の明細書は、本出願と併合されるように考えられる。
テムおよびネットワークにおいて最も重要な基本機能の
一つである。光ファイバーや集積導波管のようなチャネ
ル状導波管にもとづく光信号スプリッターは、2つの基
本的に異なる物理原理にもとづいている。光スプリッタ
ーの1つのタイプは、たとえばMZ干渉計にもとづく方
向カプラーとスプリッターのような干渉を用いる。もう
1つのタイプは、たとえばモードフィルターの大きさを
もつ対称Yスプリッターおよび非対称Yスプリッターの
ような対称性を用いる。
通常高度の分岐を有するツリー状分岐構造をもつ受動光
ネットワークに対し、信号スプリッターが大いに必要と
されている。このため、たいてい上記タイプの2分岐ス
プリッターからなるN分岐スプリッターが設計されてい
る。各2分岐スプリッターにおいて、光信号は各2分岐
方向において3dBの減衰を受ける。これは、信号が2
つの可能な分岐方向に分けられるとき、下流において避
けられない。相互依存関係により、逆の方向(上流)に
おいても光信号の減衰はおこるが、このときには信号が
実際に損失を生じる。上流でのこの損失を避けるための
1つの方法は、上流での導波管構造を下流でのそれとは
異ならせることである。これは、たとえば外部から電気
的または光学的に制御するスイッチを使うことにより、
信号を切り換えて達成できる。しかし、これは、そのよ
うなネットワークがもはや受動的でなく、さらに多くの
スイッチに対する複雑な制御システムを要するという欠
点がある。
ング効果をおこさせる非線形効果を上記スプリット構造
に適用することである。参考文献〔1〕は、単モード幹
と2つの単モード分枝をもつ対称Y接合のシミュレーシ
ョンを開示している。その分枝は非線形光媒質におい
て、少なくとも同一の導波管部分を形成している。対称
性のため、パワーが下流方向で分けられる。上流方向で
は、分枝の一方を通った光信号が屈折率を増加させるの
で、対称性が崩れる。これにより、Y接合が非対称にな
り、該信号に対するモードフィルターとして作用する。
光信号はY接合の幹でゼロ次モード信号として伝播する
(注意:上記タイプの非切り換え2分岐スプリッターに
おいて、半分は常に1次モードに変換されて、Y接合の
幹に入るや否や放散するので、パワーの損失になる)。
参考文献〔2〕において、非線形媒質における非対称X
接合が数値的に研究されている。このX接合は、別々に
入力される光制御信号を使って、光信号を切り換えられ
る。この制御信号は同様のスイッチング効果を示す(詳
しくは、参考文献〔2〕の図4(c)と図5(c)を参
照)。参考文献〔1〕と〔2〕に開示されているスプリ
ット構造の欠点は、極めて高い光パワーを要求するか、
今日入手するのが困難な材料を使う比較的大きな非線形
光効果を要求するかのいずれかである。
リッター構造の低パワー損失に関し望ましい性質を有す
るが、所要の非線形効果は大幅に制限されて残り、今日
の当業者のレベルで実現し得る分岐エレメントを提供す
ることにある。それは、方向カプラーやTMI(2モー
ド干渉)カプラーのような干渉計構造において、屈折率
の絶対変化を使わずに、光信号の位相差を用いることに
もとづいている。この位相差δΦは、屈折率の変化分δ
nと、屈折率の変化が生じる光路長Lとの積で決まる
(δΦ=δn×L)。これは、光路長は拡大因子として
作用し、比較的小さな非線形効果をスイッチング目的に
使わせ得る。
メントは請求項1の特性を有する。非線形部分のエリア
は、2つの導波モードで強度が違っている場合、その1
つの導波モードに対してのみ、各部分のエリアが主に屈
折率を変化させるように幹内またはその近辺に置かれ
る。ゼロ次導波モード、またはさらに一般的には偶数次
導波モードの屈折率が主に影響される好ましい実施態様
においては、分岐エレメントは請求項2の特性をもつ。
1次導波モード、さらに一般的には奇数次導波モードの
屈折率が主に影響される好ましい実施態様においては、
請求項3の特性をもつ。その組合せも可能である。
カプラーやTMI(2モード干渉)カプラーにおいて、
異次モード間で干渉がおこる。本発明はこの双方のタイ
プのカプラーに適用される。さらに好ましい実施態様に
おいて、分岐エレメントは請求項4または5の特性をも
つ。
エレメントを開示している。この論理エレメントは、M
Z干渉計にもとづく導波管からなり、この導波管は2つ
の導波分枝の各々において、位相変調されるエレメント
が合体し、その屈折率が導波管の外からの光で変化す
る。この位相変調されるエレメントとして、たとえばM
QW(多重量子井戸)構造のInPにもとづく半導体の
ような非線形光材料が用いられる。このような非線形光
材料は、原理的に、本発明の分岐エレメントを構成する
2つのY接合の共通の幹に、またはその近辺に、合体さ
れる非線形部分エリアとしても使われる。しかし、その
部分エリアにおいて屈折率の変化は外部からの光では生
じないで、幹と非線形部分エリアを進む光信号の強度変
化によってのみ、屈折率が変化する。 〔参考文献〕 〔1〕G.J.M.クリーネン他「低挿入損失非線形Y
接合のシミュレーション」センサーとアクチュエーター
(光トランスジューサー)、1990年11月15〜1
6日、トヴェンテ/クルヴェル大学技術書、デヴェンテ
ル・アントヴェルペン、323−328頁 〔2〕H.フォウクハルト・Y.ジルベルベルク「導波
X接合における全光スイッチング」J.Opt.So
c.Am.B.第7巻、第5号、1990年、803−
809頁 〔3〕米国特許出願第5,315,422号
たチャネル状導波管(これを分枝という)をもつ光導波
構造をさし、分枝がそこに収束、またはそこから岐れる
第3のチャネル状導波管を幹という。この幹は単導波管
だが、2つの一般に平行な結合導波管からなることもで
きる。対称Y接合は等しい伝搬定数の分枝をもつが、非
対称Y接合は(わずかに)異なる伝搬定数の分枝をも
つ。この定義によれば、TMI(2モード干渉)カプラ
ーと方向カプラー双方は、共通の幹をもつ2つのY接合
からなると考えられる。ここで、TMIカプラーの幹は
単一の2モード導波管部分だが、方向カプラーの幹は2
つの平行結合導波管部分からなっている。
以後説明する実施例は、Y接合の分枝を単モード導波チ
ャネルと仮定し、共通の幹をTMIカプラーの場合は2
モード導波管部分、方向カプラーの場合は2つの平行な
単モード導波管部分で形成されていると仮定する。
として、本発明の光分岐エレメントに対する導波管パタ
ーンを概略的に示している。分岐エレメントは3つのポ
ート1,2,3を有している。下流信号方向Dにおい
て、第1ポート1は光信号入力として使われ、第2ポー
ト2と第3ポート3は同出力として使われる。一方、上
流信号方向Uにおいては、第2ポート2と第3ポート3
が信号入力として使われ、第1ポート1が同出力として
使われる。分岐エレメントの導波管パターンは、単モー
ド導波分枝4.1と4.2をもつ対称Y接合4と、単モ
ード導波分枝5.1と5.2をもつ非対称Y接合5とか
らなっている。Y接合4の分枝は、中心軸Aに関して対
称に位置し、等しい伝搬定数(等しい幅で示されてい
る)をもっている。非対称Y接合5の分枝は等しくない
伝搬定数をもち、中心軸Aに関して非対称に位置してい
る(分枝5.1は太く、分枝5.2は狭く示されてい
る)。2つのY接合4と5は共通の幹6を有している。
幹6は2つの単モード導波管部分6.1と6.2を有
し、カプリング光路長LC に沿って平行で、それぞれ互
いに分枝4.1と5.1、分枝4.2と5.2にながっ
ている。分枝4.1の一端はポート1をなし、分枝5.
1と5.2の各端はそれぞれポート2と3をなしてい
る。導波管部分6.1と6.2の間に、非線形エリア7
が光路長LNLで合体している。この非線形エリア7は、
たとえばケル(kerr)型非線形により強度依存性の
屈折率をもつ透明な光媒質からなる。非線形エリア7の
代りに、あるいはそれに加えて、2つの非線形エリア7
aと7bを幹6のどちらか一方の側に位置させることが
できる。
バイスに対し、リン化インジウム(InP)を用いた1
実施例の、幹6の断面を示している。InPの基板8の
上にInGaAsPの光導波層9と、InPの上層10
が設けられている。上層10のリッジ状隆起部分に幹6
の導波管部分6.1と6.2が設けられ、その間のスペ
ースには光路長LNLに沿って非線形エリア7が埋められ
ている。
光分岐エレメントの導波管パターンの第2実施例を示し
ている。第1実施例(図1)の各番号と同一の番号を使
っている。幹6は2モード導波管部分6.3からなる。
図2と同様に、図4(a)は第2実施例の幹6の断面を
示している。2モード導波管部分6.3のリッジ状隆起
の中央部に光路長LNLに沿ってオープンエリア11があ
り、非線形光材料で埋められて非線形エリア7を形成し
ている。
ントの動作を説明する。第1実施例での動作は全く同様
である。
る。第1ポート1から入って分枝4.1を通って幹6に
達する光信号I1 は、ゼロ次導波モードの第1部分信号
S(0)および1次導波モードの第2部分信号S(1)
の形で伝搬する。Y接合4の対称性により、部分信号S
(0)とS(1)は等しい強度をもっている。すなわ
ち、幹6内の2つの導波モードの各々はポート1から入
る光信号I1 の1/2光パワーを有している。対称Y接
合の2つの分枝の1つのみ、この場合分枝4.1が、ポ
ート1として使われることに注意すべきである。他の分
枝(4.2)の存在は、単に、幹内の2つの導波モード
を等しい大きさにするためにのみ必要である。非対称Y
接合5の端で分枝5.1と5.2との間のパワーの分配
は、2つの導波モードがそこに達するときの相対的な位
相差に依存する。対称パワー分配(1/2 / 1/2)に対し
ては、位相差δΦD =90°(あるいはこの奇数倍)が
要求される。
の、幹の断面に沿う信号強度(Int)の分布カーブを
示している。これは2モード導波管部分6.3の中央部
で、部分信号S(0)の強度が最大になり、部分信号S
(1)の強度が最小(ゼロ)になることを示している。
さらに、S(1)に対する分布は2つの等しい最大値を
取り、これはS(0)に対する最大値の半分よりもわず
かに小さく、中央部付近のエリアfでは無視できる(ゼ
ロまたはゼロに近い)強度である。また、S(1)に対
する分布はゼロ次部分信号のよりも比較的大きな1次部
分信号の微弱フィールドによって、導波管部分6.3の
リッジ状隆起の下側の外に伸びる比較的大きな側枝uと
vをもっている。これは、非線形エリア7の幅dがエリ
アfに対応するなら、部分信号S(0)のみが非線形エ
リア7に影響され、部分信号S(1)はほとんど、ある
いは全く影響されないことを意味している。所要の位相
差δΦD =90°に関する条件は、信号パワーに依存す
る。この条件を満たすため、非線形エリア7の光路長L
NLは、分岐エレメントが使われる状況に対して要求され
る動作パワーに調整される。有効な光路長LNLは幹の光
路長よりも長くはできない。すなわち、LNL<LC で、
幹の光路長LC は最小長さL0 の奇数倍、すなわち、n
=1、2、・・・・に対しLC =(2n+)L0 なの
で、この条件は常に満たされる。
第2ポート2から入り非対称Y接合5の「広い」方の分
枝5.1を通って幹に達する光信号I2 (下流の場合の
光信号I1 と同一の強度をもつ)は、ゼロ次導波モード
の第1部分信号T(0)および1次導波モードの第2部
分信号T(1)の形で幹内を進む。Y接合の非対称性に
より、T(0)とT(1)は等しくない強度をもつ。非
対称Y接合5は、部分信号T(0)がポート2に入力し
たパワーの半分以上の部分、すなわち0<x<1/2の
とき(1/2+x)をもち、部分信号T(1)はパワー
の残りの部分、すなわち(1/2−x)をもつように選
ばれている。したがって、部分信号T(0)の強度は部
分信号T(1)の強度よりも大きい。部分信号T(0)
は非線形エリア7の存在により、下流方向での部分信号
S(0)の位相差δΦD よりも大きな位相差δΦU を受
ける。幹に沿ってδΦU −δΦD =90°のように所要
動作パワーに対して非線形エリア7の大きさを決める
と、2つの部分信号T(0)とT(1)はそれらの振幅
が合う限りにおいて干渉し、最大ではゼロ次モード信号
として分枝4.1を進みポート1から信号03 として出
て行く対称信号になる。一方、振幅差があると、選ばれ
たxの値に依存して放散し損失となる非対称信号にな
る。
からも入り、非対称Y接合5の「狭い」方の分枝5.2
を通って幹に達することもできる。その場合、部分信号
T(0)はより小さな強度をもつ。部分信号T(0)
は、下流方向での部分信号S(0)の位相差δΦD より
も90°小さな位相差δΦU を幹内で受ける。非線形エ
リアに対して選ばれた大きさでδΦU −δΦD =90°
が適用され、2つの部分信号T(0)とT(1)は、最
大、対称Y接合4の分枝4.1内をゼロ次モード信号と
して通ってポート1から信号03 として出ていく対称信
号に干渉する。
てより高い、またはより低い最大値をもってはいるが、
部分信号S(0)とS(1)に対して説明したのと類似
する強度分布をもっている。
ついて説明してきた。非線形エリア7の代りに、部分信
号S(1)またはT(1)の側枝uとv(図4参照)に
のみ影響を与えるように位置する2つの非線形エリア7
aと7bを用いても、動作は同様である。非線形エリア
7と図7aに7bとがともに存在するなら、下流方向
(信号強度は同一)での動作は、使われる信号のパワー
に以前よりも依存しなくなり、あるいはほとんど独立に
なる。3dBスプリッター機能に対して要求される位相
差は、線形光路長を選ぶことにより得られなければなら
ない。上流方向(信号強度が同一でない)では、所要の
位相差を得るための効果が増幅されるので(プッシュ/
プル効果)、非線形エリア7.7a、7bに対しより短
い光路長で十分である。
にするため、x(対称パワー分布からの偏り)の値は相
対的に大きくなければならないが、動作の間に生じる損
失は小さく保たれなければならない。たとえばx=0.
25に対して、損失は約−0.3dBである。これが可
能であるという事実は、比較的簡単な計算により示し得
る。この計算はオランダでの同時出願P1においてなさ
れている計算と同様なので、ここではくり返さない。
4の非線形エレメント7.7a、7bは、たとえば参考
文献(3)に開示されているようなMQW(多重量子井
戸)構造をもつエリアによって実現し得る。このような
エリアは、方向カプラーやTMIカプラーの導波管パタ
ーンがまず基板上で実現された位置で成長し得る。この
構造が非線形光学定数n2 =10-4cm2 /wをもつな
ら、波長1.5μmの光信号の入力信号パワーが0.1
mWで非対称Y接合5における偏りx=0.25のとき
に位相差90°を達成するため、非線形エレメントは各
々光路長L=15×α-1μmをもたなければならない。
ここで、αはいわゆる重なり因子で、部分信号T(0)
とT(1)の強度分布の部分を示している。この重なり
因子αは、したがって、非線形エリアの断面の大きさに
関係している。受け入れられる値はα=0.1である。
この場合、LNL=150μmで、これは集積光コンポー
ネントとしては非常に短い。信号パワーがその値の10
倍(または1/10)なら、LNLは10桁短く(長く)
選ばれる。
ントの適切な動作に対するいくつかの前提条件が要約さ
れている。必要に応じて改めて、これらの前提条件は本
出願の場合にも適用できるので、ここではくり返さな
い。適切な動作をするためのさらなる前提条件は、双方
の信号方向(DとU)に対し一般に等しく、下流方向D
に3つの非線形エリア(7.7a、7b)があると動作
パワーに関し臨界値よりも大いに少なく変わるか、また
は全然変化しない動作パワーレベルで分岐エレメントが
使われることである。
トの概略構成図である。
ントの概略構成図である。
(b)は部分信号の強度分布を表すカーブである。
Claims (7)
- 【請求項1】 3つの光ポートをもち、第1光ポートを
通って入力する光信号がそれぞれ第2・第3光ポートを
通って出力する等しいパワーの2つの信号に分かれ、第
2または第3ポートを通って入力する光信号が第1ポー
トを通って出力する光分岐エレメントであって、該分岐
エレメントが少なくとも一般に等しい伝搬定数をもつ2
つのチャネル状導波分枝を有する対称な第1Y接合と、
等しくない伝搬定数をもつ2つのチャネル状導波分枝を
有する非対称な第2Y接合と、強度依存性の屈折率をも
つ光学的に透明な媒質のエリア(以後、非線形エリアと
いう)からなり、 前記第1・第2Y接合が共通の導波幹(以後、簡単に幹
という)を有し、第1Y接合の2つの分枝の一方が第1
ポートを形成し、第2Y接合の2つの分枝が第2・第3
ポートを形成してなり、前記幹が等しくない次元の2つ
の導波モードの干渉のために干渉計構造を有し、非線形
エリアが幹内または少なくとも近傍に位置し、幹の中心
軸に沿って伸びている1以上の長手部分エリアを囲んで
いることを特徴とする光分岐エレメント。 - 【請求項2】 前記非線形エリアが幹の中央部に位置し
ている長手エリアを囲んでいることを特徴とする、請求
項1の光分岐エレメント。 - 【請求項3】 前記非線形エリアが、幹の長手方向に沿
い、且つ、この幹の何れかの側に位置する2つの長手部
分エリアを囲んでいることを特徴とする、請求項1また
は2の光分岐エレメント。 - 【請求項4】 前記2つのY接合が方向カプラーの一部
を形成し、幹が、その間に非線形エリアが位置する2つ
の結合した、主に平行な導波管部分からなることを特徴
とする、請求項2の光分岐エレメント。 - 【請求項5】 前記2つのY接合がTMI(2モード干
渉)カプラーの一部を形成し、幹が2モード導波管部分
であることを特徴とする、請求項2の光分岐エレメン
ト。 - 【請求項6】 前記2モード導波管部分は、基板上に積
層された層の上層のリッジ状隆起部分に形成され、この
リッジ状隆起部分は、非線形エリアが位置する凹部と共
に、予め決められた長さ(L NL )に亘って設けられてい
ることを特徴とする、請求項5の光分岐エレメント。 - 【請求項7】 前記非線形エリアの部分エリアが、半導
体材料のMQW(多重量子井戸)構造からなることを特
徴とする、請求項1〜6のいずれか1項の光分岐エレメ
ント。
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