JP3343831B2 - Optical signal processor - Google Patents

Optical signal processor

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JP3343831B2
JP3343831B2 JP23134794A JP23134794A JP3343831B2 JP 3343831 B2 JP3343831 B2 JP 3343831B2 JP 23134794 A JP23134794 A JP 23134794A JP 23134794 A JP23134794 A JP 23134794A JP 3343831 B2 JP3343831 B2 JP 3343831B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光交換、光コ
ンピューティングの分野において、高度で任意の光フィ
ルタリング処理を行うための光信号処理器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal processor for performing a high-level arbitrary optical filtering process in the fields of optical communication, optical switching, and optical computing.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信、光交換、光コンピューテ
ィングの分野において、光信号を電気信号に変換せずに
光のままで、広帯域、高速にフィルタリング処理を行う
ことが可能な光信号処理器が注目を集めている。特に、
光信号を多重化して伝送を行う光周波数多重通信におい
て、伝搬してきた周波数多重信号光に対して、周波数ご
とにフィルタリング処理を行う光周波数フィルタは、重
要な部品である。
2. Description of the Related Art In recent years, in the fields of optical communication, optical switching, and optical computing, optical signal processing capable of performing a wideband and high-speed filtering process without converting an optical signal into an electric signal without changing the light. The vessel is attracting attention. In particular,
In an optical frequency multiplexing communication in which an optical signal is multiplexed and transmitted, an optical frequency filter that performs a filtering process for each frequency with respect to a propagated frequency multiplexed signal light is an important component.

【0003】従来、このような目的のための光信号処理
器としては、図8に示すトランスバーサル型配置の光信
号処理器(特開平2−212822号公報)が報告され
ている。この例では、入力ポート101,102側に可
変方向性結合器103−1〜103−Nを配し、光信号
を任意の分岐比で各分岐導波路104−1〜104−N
に分配し、N−1個の3dB方向性結合器105−1〜
105−(N−1)で構成される結合部により、各分岐
された光信号を再び収束する構成をとっている。そし
て、各分岐導波路104−1〜104−N上には分岐さ
れた光信号の位相を個別に制御するための位相制御器1
06−1〜106−Nが配されている。なお、3dB方
向性結合器105−1〜105−(N−1)はそれぞれ
ダミー出力ポート107−1〜107−(N−1)を有
し、最後の3dB方向性結合器105−(N−1)の他
方の出力ポートが出力ポート108となる。この例で
は、可変方向性結合器103−1〜103−Nの結合率
を変化させ、同時に位相制御器106−1〜106−N
の位相シフト量を変化させることにより、所望の透過特
性を実現することが可能である。
Conventionally, as an optical signal processor for such a purpose, a transversal type optical signal processor shown in FIG. 8 (JP-A-2-212822) has been reported. In this example, variable directional couplers 103-1 to 103-N are arranged on the input port 101 and 102 sides, and optical signals are split into respective branch waveguides 104-1 to 104-N at an arbitrary branching ratio.
And N-1 3 dB directional couplers 105-1 to 105-1.
A configuration in which each of the branched optical signals is converged again by the coupling unit composed of 105- (N-1) is adopted. A phase controller 1 for individually controlling the phases of the branched optical signals is provided on each of the branch waveguides 104-1 to 104-N.
06-1 to 106-N. The 3 dB directional couplers 105-1 to 105- (N-1) have dummy output ports 107-1 to 107- (N-1), respectively, and the last 3 dB directional coupler 105- (N- The other output port of 1) is the output port 108. In this example, the coupling ratios of the variable directional couplers 103-1 to 103-N are changed, and at the same time, the phase controllers 106-1 to 106-N
By changing the amount of the phase shift, desired transmission characteristics can be realized.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来例を含めて、リング部やグレーティングのような
光の帰還路を含まない光回路では、フィルタ特性のバン
ド端でシャープなきれを得るために、回路の段数を多く
しなければならないという問題がある。
However, in an optical circuit that does not include a light return path such as a ring portion or a grating, including the above-described conventional example, it is necessary to obtain a sharp edge at the band edge of the filter characteristic. However, there is a problem that the number of circuit stages must be increased.

【0005】本発明は上述した従来技術に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、第1に、少ない段数で所望
のシャープなきれをもつフィルタ特性を実現し、また、
第2に、1つの回路で任意のフィルタ特性を実現するプ
ログラマブル特性を達成する光信号処理器を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned prior art, and has as its object to firstly realize a filter characteristic having a desired sharpness with a small number of stages.
Second, it is an object of the present invention to provide an optical signal processor that achieves a programmable characteristic that realizes an arbitrary filter characteristic with one circuit.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の第1の態様は、2本の第1および第2の光導波
路と、これら2本の第1および第2の光導波路を(N+
1)箇所の異なる位置で結合して当該第1および第2の
光導波路をN個の領域に分割する(N+1)個の正また
は負の振幅の結合率を有する第1の方向性結合器群と、
前記N個の領域の前記第1および第2の光導波路の何れ
か一方にそれぞれ介装されるN個の正または負の振幅の
結合率を有する第2の方向性結合器群と、これらN個の
第2の方向性結合器群を介して前記N個の領域の前記第
1および第2の光導波路の何れか一方にそれぞれ結合さ
れるリング光導波路群と、前記N個の領域の前記第1お
よび第2の光導波路の少なくとも一方にそれぞれ介装さ
れて所望の位相シフトを施す第1の位相制御器群と、前
記リング光導波路群のそれぞれ介装されて所望の位相シ
フトを施す第2の位相制御器群とを具備し、前記N個の
領域における前記第1の光導波路と前記第2の光導波路
との光路長がそれぞれ等しく、かつ前記リング光導波路
群の光路長が全て等しいことを特徴とする光信号処理器
にある。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is to provide two first and second optical waveguides, and these two first and second optical waveguides. (N +
1) A first directional coupler group having (N + 1) positive or negative amplitude coupling ratios that divides the first and second optical waveguides into N regions by coupling at different positions. When,
A second group of directional couplers having N positive or negative amplitude coupling rates respectively interposed in any one of the first and second optical waveguides of the N regions. A ring optical waveguide group respectively coupled to one of the first and second optical waveguides of the N regions via the N second directional coupler groups; A first phase controller group that is interposed in at least one of the first and second optical waveguides in the region of each of the regions to perform a desired phase shift, and a desired phase that is interposed in each of the ring optical waveguide groups. A second phase controller group for performing a shift, wherein the optical path lengths of the first optical waveguide and the second optical waveguide in the N regions are equal to each other, and the optical path of the ring optical waveguide group is provided. An optical signal processor characterized in that all lengths are equal.

【0007】本発明の第2の態様は、第1の態様におい
て、前記第1の方向性結合器群および前記第2の方向性
結合器群の、全てあるいは一部が、振幅の結合率を正あ
るいは負の値に変えることができる可変方向性結合器で
あることを特徴とする光信号処理器にある。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, all or a part of the first directional coupler group and the second directional coupler group has an amplitude coupling ratio. An optical signal processor characterized by being a variable directional coupler that can be changed to a positive or negative value.

【0008】本発明の第3の態様は、第2に対応におい
て、可変方向性結合器が、2個の正あるいは負の振幅の
結合率を有する固定結合率方向性結合器と、前記2個の
固定結合率方向性結合器に挟まれた2本の光導波路とか
らなり、前記2本の光導波路の光路長は等しいか、半波
長分ずれており、前記2本の光導波路の少なくとも一方
に所望の位相シフトを施す位相制御器を設けたマッハツ
ェンダ干渉計構成をなすことを特徴とする光信号処理器
にある。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect, the variable directional coupler comprises two fixed coupling rate directional couplers having positive or negative amplitude coupling rates. , Two optical waveguides sandwiched between the two fixed coupling ratio directional couplers, wherein the two optical waveguides have the same optical path length or are shifted by a half wavelength, and An optical signal processor having a Mach-Zehnder interferometer configuration provided with a phase controller for performing a desired phase shift on at least one of the wave paths.

【0009】本発明の第4の態様は、第1ないし第3の
何れかの態様において、前記N+1個の第1の方向性結
合器群の振幅の結合率θ1n(−π/2〜π/2)と前
記N個の第1の位相制御器群の位相シフト量φ1n(−
π〜π)、および、前記N個の第2の方向性結合器群の
振幅の結合率θ2n(−π/2〜π/2)と前記N個の
第2の位相制御器の位相シフト量φ2n(−π〜π)
を、下記の漸化式に基づいて算出し設定することを特徴
とする光信号処理器にある。
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the amplitude coupling ratio θ 1n (−π / 2 to π) of the N + 1 first directional coupler groups is provided. / 2) and the phase shift amount φ 1n (−
π to π), and the N second directional couplers
The amplitude coupling ratio θ 2n (−π / 2 to π / 2) and the phase shift amount φ 2n (−π to π) of the N second phase controllers.
Is calculated and set based on the following recurrence formula.

【0010】[0010]

【数3】 (Equation 3)

【0011】ただし、漸化式はn=Nからn=0の順に
解いていくこととし、漸化式の初段(n=N)におい
て、h[N] (z)=h(z)、f[N] =(z)f
(z)、g[N] (z)=g(z)である。
However, the recurrence equation is solved in order from n = N to n = 0, and at the first stage (n = N) of the recurrence equation, h [N] (z) = h (z), f [N] = (z) f
(Z), g [N] (z) = g (z).

【0012】ここで、h(z)/g(z)は所望特性を
スルーポートで、f(z)/g(z)は所望特性をクロ
スポートで実現しようとするときの下記に表される多項
式で、ユニタリ関係h(z)h* (z)+f(z)f*
(z)=g(z)g* (z)より求められる。また、
Here, h (z) / g (z) represents the desired characteristic by a through port, and f (z) / g (z) represents the following when the desired characteristic is realized by a cross port. In a polynomial, the unitary relation h (z) h * (z) + f (z) f *
(Z) = g (z) It is obtained from g * (z). Also,

【0013】[0013]

【外2】 [Outside 2]

【0014】である。jは√(−1)を表す。Δτは前
記リンク光導波路がもつ一定の光路長差に対応する遅延
時間である。また、γn−1 ,γ はg(z)の(n
−1)番目とn番目の零点を表す。さらに、Mは任意の
自然数であり、g(z)の零点の個数である。
## EQU1 ## j represents √ (-1). Δτ is a delay time corresponding to a constant optical path length difference of the link optical waveguide. Γ n−1 and γ n are (n) of g (z).
-1) represents the n-th and n-th zeros. Further, M is any
This is a natural number, which is the number of zeros of g (z).

【0015】[0015]

【数4】 (Equation 4)

【0016】[0016]

【作用】本発明の光信号処理器では、リング光導波路の
存在による帰還作用により、シャープなバンド端をもつ
フィルタ特性が実現可能である。また、上述した「数
3」および「数4」に記載された算出式は、任意の所望
フィルタ特性に対して、方向性結合器の結合率および位
相制御器の位相シフト量の求め方を与えており、任意の
フィルタ特性を有する光信号処理器が実現可能である。
According to the optical signal processor of the present invention, a filter characteristic having a sharp band edge can be realized by the feedback action due to the presence of the ring optical waveguide. Further, the calculation formulas described in the above-described “Equation 3” and “Equation 4” provide a method of obtaining the coupling ratio of the directional coupler and the phase shift amount of the phase controller for an arbitrary desired filter characteristic. Thus, an optical signal processor having arbitrary filter characteristics can be realized.

【0017】また、一部あるいは全部の方向性結合器の
結合率を正あるいは負の範囲で可変にすることにより、
1つの回路で任意のフィルタ特性を実現するプログラマ
ブル性が達成可能である。なお、ここで「結合率」と
は、「振幅の結合率」を意味する。
Further, by making the coupling ratio of some or all of the directional couplers variable in a positive or negative range,
Programmability of realizing an arbitrary filter characteristic with one circuit can be achieved. Here, "coupling rate"
Means “coupling rate of amplitude”.

【0018】[0018]

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。
The present invention will be described below in detail with reference to examples.

【0019】(実施例1)本実施例の光信号処理器は、
図1に示す回路構成を有するものである。また、未知の
回路パラメータである方向性結合器の結合率および位相
制御器の位相シフト量は上述した「数3」および「数
4」に示す算出式を用いて求めた。
(Embodiment 1) The optical signal processor of this embodiment is
It has the circuit configuration shown in FIG. Also, the coupling ratio of the directional coupler and the phase shift amount of the phase controller, which are unknown circuit parameters, were obtained by using the above-mentioned equations (3) and (4).

【0020】図1に示すように、第1および第2の光導
波路1および2は、(N+1)箇所においてN個の、正
あるいは負の結合率を有する第1の方向性結合器群3−
1〜3−(N+1)により結合され、それぞれN個の領
域の第1の光導波路(アーム)1−1〜1−Nおよび第
2の光導波路(アーム)2−1〜2−Nに分割されてい
る。N個の第1のアーム1−1〜1−Nのそれぞれに
は、N個の、正あるいは負の結合率を有する第2の方向
性結合器群4−1〜4−Nを介して、リング光導波路群
5−1〜5−Nがそれぞれ1個ずつ結合されている。ま
た,N個の第2のアーム2−1〜2−Nのそれぞれに
は、所望の位相シフトを施す第1の位相制御器群6−1
〜6−Nがそれぞれ1個ずつ介装されている。さらに、
リング導波路群5−1〜5−Nのそれぞれには、所望の
位相シフトを施す第2の位相制御器群7−1〜7−Nが
それぞれ1個ずつ介装されている。
As shown in FIG. 1, the first and second optical waveguides 1 and 2 are composed of N first directional coupler groups 3- (N + 1) having a positive or negative coupling ratio.
1 to 3- (N + 1) and divided into N first optical waveguides (arms) 1-1 to 1-N and second optical waveguides (arms) 2-1 to 2-N, respectively. Have been. To each of the N first arms 1-1 to 1-N, via N second directional coupler groups 4-1 to 4-N having a positive or negative coupling rate, The ring optical waveguide groups 5-1 to 5-N are respectively coupled one by one. A first phase controller group 6-1 for performing a desired phase shift is provided to each of the N second arms 2-1 to 2-N.
6-N are interposed one by one. further,
Each of the ring waveguide groups 5-1 to 5-N is provided with one second phase controller group 7-1 to 7-N for performing a desired phase shift.

【0021】かかる構成の光信号処理器は、一点鎖線で
囲まれたN段の領域8−1〜8−Nから構成され、第1
および第2の光導波路1および2の一端が入力ポート1
Aおよび2Aであり、他端が出力ポート1Bおよび2B
である。
The optical signal processor having such a configuration is composed of N-stage regions 8-1 to 8-N surrounded by a dashed line.
And one end of second optical waveguides 1 and 2 is connected to input port 1
A and 2A, the other ends of which are output ports 1B and 2B.
It is.

【0022】ここで、N段の領域8−1〜8−Nのそれ
ぞれにおける第1アーム1−1〜1−Nと第2のアーム
2−1〜2−Nとの光路長が等しく、また、N個のリン
グ導波路群5−1〜5−Nの光路長は全て等しい。
Here, the optical path lengths of the first arm 1-1 to 1-N and the second arm 2-1 to 2-N in each of the N-stage regions 8-1 to 8-N are equal. , N ring waveguide groups 5-1 to 5-N have the same optical path length.

【0023】なお、本実施例では、N段それぞれの領域
8−1〜8−Nの第2のアーム2−1〜2−Nに第1の
位相制御器群6−1〜6−Nを介装したが、第1の位相
制御器群は第1のアーム1−1〜1−Nに設けてもよい
し、両方に設けてもよい。また、第1のアーム1−1〜
1−Nに設ける場合には、第2の方向性結合器4−1〜
4−Nの前後の何れに設けても、両方に設けてもよい。
第1の位相制御器群を第1および第2の光導波路の両方
に設けることの長所は、一方のみの場合、位相を制御す
るのに位相量を0〜2πの範囲で変化させる必要がある
のに対し、両方に設けた場合にはそれぞれの位相制御器
に要求される位相変化量は0〜πと半分に抑えることが
できる点にある。
In this embodiment, the first phase controller groups 6-1 to 6-N are provided to the second arms 2-1 to 2-N of the N-stage regions 8-1 to 8-N. Although interposed, the first phase controller group may be provided in the first arms 1-1 to 1-N, or may be provided in both. Also, the first arms 1-1 to 1-1
1-N, the second directional couplers 4-1 to 4-1
It may be provided either before or after 4-N or both.
The advantage of providing the first group of phase controllers in both the first and second optical waveguides is that if only one of them is used, it is necessary to change the phase amount in the range of 0 to 2π to control the phase. On the other hand, when both are provided, the amount of phase change required for each phase controller can be suppressed to a half of 0 to π.

【0024】この実施例では、量産性に優れた平面回路
により光信号処理器を作製した。各リング導波路群5−
1〜5−Nの光路長は、波長1.55μmで20GHz
の周波数間隔に対応する10.37mmに設定した。
In this embodiment, an optical signal processor was manufactured using a planar circuit excellent in mass productivity. Each ring waveguide group 5-
The optical path length of 1 to 5-N is 20 GHz at a wavelength of 1.55 μm.
10.37 mm corresponding to the frequency interval of

【0025】図2は、光信号処理器のA−A´線におけ
る断面を表している。本実施例では、基板21としてシ
リコン基板を用い、導波路は基板上に火炎堆積法を用い
て堆積した石英薄膜22により形成し、導波路構造はフ
ォトリソグラフィ工程により作製した。ここで、作製さ
れた導波路は単一モードになるようにコアサイズを決定
した。本発明の光フィルタは、光の干渉、分岐・結合を
利用し、フィルタ特性を実現しており、導波路内部の高
次モードの存在は性能劣化の原因となる。このために、
本実施例では全て単一モード導波路が用いられている。
位相制御器は、石英薄膜の上にクロム層からなるヒータ
を形成することにより作製した。この位相制御器は、加
熱すると屈折率が変化するという熱光学効果を利用し
て、位相の制御を行っている。
FIG. 2 shows a cross section taken along the line AA 'of the optical signal processor. In this example, a silicon substrate was used as the substrate 21, the waveguide was formed by a quartz thin film 22 deposited on the substrate by a flame deposition method, and the waveguide structure was manufactured by a photolithography process. Here, the core size of the manufactured waveguide was determined so as to be a single mode. The optical filter of the present invention realizes filter characteristics by utilizing light interference, branching, and coupling, and the presence of higher-order modes inside the waveguide causes performance degradation. For this,
In this embodiment, a single mode waveguide is used in all cases.
The phase controller was manufactured by forming a heater composed of a chromium layer on a quartz thin film. This phase controller controls the phase by utilizing the thermo-optic effect that the refractive index changes when heated.

【0026】本実施例では、環境温度変動の影響を除去
するために、光回路全体をペルチェ素子上にのせ、光回
路の温度を0.1度程度の精度でコントロールした。
In this embodiment, the entire optical circuit is mounted on a Peltier element and the temperature of the optical circuit is controlled with an accuracy of about 0.1 degree in order to eliminate the influence of environmental temperature fluctuation.

【0027】本発明の光信号処理器は光のコヒーレント
な干渉現象を利用しているために、信号光はコヒーレン
ト光でなければならない。
Since the optical signal processor of the present invention utilizes the coherent interference phenomenon of light, the signal light must be coherent light.

【0028】図1において、入力ポート1Aより入射さ
れた信号光は、多段に並べられた単位構成要素8−1〜
8−Nを通過し、出力ポート1Bおよび2Bに出射され
る。このとき、信号光は各方向性結合器によりそれぞれ
の光導波路に分岐される。例えば、最も短い光路を進む
信号光は第1の光導波路のアーム1−1,1−2,…,
1−N、あるいは第2の光導波路のアーム2−1,2−
2,…,2−Nを通る。また、最も長い光路を進む信号
光はリング導波路5−1〜5−Nを無限に周回する。ポ
ート1Bおよび2Bからの出力光はいろいろな光路を通
る信号光の和として表現される。本光信号処理器はリン
グ導波路を有しているために、無限周回の光が存在す
る。このため、ポート1Bからの出力光の複素振幅は、
式(1)で表されるように、分母、分子がそれぞれzの
多項式の形に表現される。
In FIG. 1, the signal light incident from the input port 1A is divided into unit components 8-1 to 8-1 arranged in multiple stages.
The light passes through 8-N and is output to output ports 1B and 2B. At this time, the signal light is split into respective optical waveguides by the respective directional couplers. For example, the signal light traveling in the shortest optical path is the arms 1-1, 1-2,... Of the first optical waveguide.
1-N, or arms 2-1 and 2- of the second optical waveguide
2, ..., 2-N. The signal light traveling the longest optical path goes around the ring waveguides 5-1 to 5-N infinitely. Output light from the ports 1B and 2B is expressed as a sum of signal lights passing through various optical paths. Since the present optical signal processor has a ring waveguide, there is infinite orbital light. Therefore, the complex amplitude of the output light from port 1B is
As represented by equation (1), the denominator and the numerator are each expressed in the form of a z-polynomial.

【0029】[0029]

【数5】 (Equation 5)

【0030】ここで、式(1)のak およびck は複素
展開係数である。βは光導波路の伝搬定数、ω0 は周波
数特性の周期を表している。また、式(1)では、電気
のディジタルフィルタ理論でよく行われるように、下記
(a)を複素数zと考えて、下記(b)を複素平面上の
関数h(z)に拡張している。このz複素平面上では、
周波数関数h(ω)はzの絶対値=1の半径1の円周上
の関数とみなされる。分子のh(z)、分母のg(z)
の多項式の次数はともにNである。g(z)はN次の多
項式であり、零点はN個あるが、その内のN−M個はz
=0に零点がある。
Here, a k and c k in the equation (1) are complex expansion coefficients. β represents the propagation constant of the optical waveguide, and ω 0 represents the period of the frequency characteristic. In addition, in Expression (1), as often used in the electric digital filter theory, the following (a) is considered as a complex number z, and the following (b) is extended to a function h (z) on a complex plane. . On this z complex plane,
The frequency function h (ω) is regarded as a function on the circumference of the radius 1 with the absolute value of z = 1. H (z) of numerator, g (z) of denominator
The degree of both polynomials is N. g (z) is a polynomial of degree N and has N zeros, among which NM are z
There is a zero at = 0.

【0031】[0031]

【外3】 [Outside 3]

【0032】式(1)において、スルー特性h(z)/
g(z)はzの多項式で表現されている。この式はディ
ジタルフィルタの分野において、IIR(Infini
teImpulse Response)型と呼ばれる
帰還のあるタイプのディジタルフィルタの伝送特性に等
しいことがわかる。この事実は、以下に述べる光フィル
タの合成に重要な役割を演じる。
In the equation (1), the through characteristic h (z) /
g (z) is represented by a polynomial of z. This equation is used in the field of digital filters in IIR (Infini
It can be seen that the transmission characteristic is equal to the transmission characteristic of a digital filter of a type called feedback (teImpulse Response). This fact plays an important role in the synthesis of the optical filter described below.

【0033】同様に、ポート1Aから入射し、ポート2
Bから出射される出力光f(z)/g(z)は式(2)
のように表される。
Similarly, light enters from port 1A and
Output light f (z) / g (z) emitted from B is given by equation (2)
It is represented as

【0034】[0034]

【数6】 (Equation 6)

【0035】ここで、f(z)の次数もh(z),g
(z)と同様にNである。
Here, the order of f (z) is also h (z), g
N as in (z).

【0036】本信号処理器は2入力2出力なので、信号
処理器全体の伝送行列Sは式(3)で表される2×2の
行列で表現される。
Since the present signal processor has two inputs and two outputs, the transmission matrix S of the entire signal processor is represented by a 2 × 2 matrix expressed by equation (3).

【0037】[0037]

【数7】 (Equation 7)

【0038】ここで、サフィックス*はパラ共役を表す
(h* (z)=h* (1/z* ))。回路が無損失であ
ると仮定すると、h(z)/g(z)とf(z)/g
(z)の間には、次式(4)で表されるユニタリ関係が
成立する。
Here, the suffix * represents paraconjugate (h * (z) = h * (1 / z * )). Assuming that the circuit is lossless, h (z) / g (z) and f (z) / g
A unitary relationship represented by the following equation (4) is established between (z).

【0039】[0039]

【数8】 (Equation 8)

【0040】この実施例ではクロス特性f(z)/g
(z)が所望特性をもつように、フィルタ設計を行っ
た。
In this embodiment, the cross characteristic f (z) / g
The filter was designed so that (z) had the desired characteristics.

【0041】具体的には以下に示す手順(図5)によ
り、クロス特性(入力ポート1Aより出力ポート2Bへ
の透過特性)が所望フィルタ特性を満足するための回路
パラメータを求めた。
Specifically, circuit parameters for satisfying the desired filter characteristics with respect to the cross characteristics (the transmission characteristics from the input port 1A to the output port 2B) were determined by the following procedure (FIG. 5).

【0042】[設計手順1]まず、ステップS1で、式
(2)の分母であるzの多項式を、所望フィルタ特性を
満足するように求める。この際、式(2)に書かれた光
フィルタの伝送特性がIIR型と呼ばれるディジタルフ
ィルタと同じであることを利用する。具体的には、ディ
ジタルフィルタの分野で開発されている各種の近似手法
を用いる。例えば、双一次z変換法(双線型交換法)、
最小2乗近似法、Fletche−Powell法等が
良く知られている(Oppenheim & Scaf
er著“ディジタル信号処理”Prentice−Ha
ll Inc.1975)。この計算の際、所望フィル
タ特性の要求条件より、必要な展開次数が求まる。この
展開次数が単位回路構成の段数Nにあたる。近似多項式
を求める際、気をつけなければならないのは、クロス特
性を表す多項式f(z)/g(z)が因果率を満たすこ
とである。具体的には、クロス特性を表す多項式f
(z)/g(z)の極、つまり、g(z)の零点がzの
絶対値=1の円内に入っている必要がある。本発明の光
信号処理器は受動回路であるので因果率を満たすことが
必須である。
[Design Procedure 1] First, in step S1, a polynomial of z which is a denominator of the equation (2) is obtained so as to satisfy the desired filter characteristic. At this time, the fact that the transmission characteristic of the optical filter described in equation (2) is the same as that of a digital filter called IIR type is used. Specifically, various approximation techniques developed in the field of digital filters are used. For example, bilinear z-transform method (bilinear exchange method),
Least squares approximation, Fletche-Powell method and the like are well known (Openpenim & Scaf)
er, "Digital Signal Processing", Prentice-Ha
11 Inc. 1975). At the time of this calculation, the required expansion order is obtained from the required conditions of the desired filter characteristics. This expansion order corresponds to the number of stages N of the unit circuit configuration. When calculating the approximate polynomial, care must be taken that the polynomial f (z) / g (z) representing the cross characteristic satisfies the causality. Specifically, a polynomial f representing the cross characteristic
The pole of (z) / g (z), that is, the zero of g (z) needs to be within the circle of the absolute value of z = 1. Since the optical signal processor of the present invention is a passive circuit, it is essential to satisfy the causality.

【0043】[設計手順2]設計手順1では、所望フィ
ルタ特性を実現するように、上記の最適なディジタルフ
ィルタの手法を用い式(2)のz多項式を求めた。この
求めた多項式をそのまま用いて光信号処理器を実現する
と、振幅特性の絶対値が100%を越える場合がある。
しかし、光波という物理量を用いるアナログ信号処理器
である本信号処理器では、エネルギー保存則のために、
式(2)の複素振幅の絶対値が100%を越えることは
本質的にできない。このため、ステップS2では、ディ
ジタルフィルタの近似手法により求めた多項式を、式
(5)により、振幅特性の絶対値が100%を越えない
ように規格化を行う。
[Design Procedure 2] In the design procedure 1, the z-polynomial of the equation (2) was obtained by using the above-described optimal digital filter technique so as to realize desired filter characteristics. If an optical signal processor is realized using the obtained polynomial as it is, the absolute value of the amplitude characteristic may exceed 100%.
However, in this signal processor, which is an analog signal processor using a physical quantity called a light wave, due to the law of conservation of energy,
The absolute value of the complex amplitude in equation (2) cannot essentially exceed 100%. For this reason, in step S2, the polynomial obtained by the digital filter approximation method is normalized by equation (5) so that the absolute value of the amplitude characteristic does not exceed 100%.

【0044】[0044]

【数9】 (Equation 9)

【0045】[設計手順3]ステップS3では、設計手
順2で求めた規格化した複素展開係数を有する複素振幅
特性を本光信号処理器のクロス出力(ポート1Aから2
Bへの出力)で実現するように、本光信号処理器の伝送
特性を表すS行列を求める。具体的には、S行列の残り
の未知伝送関数h(z)を式(4)のユニタリ関係より
求める。h(z)h* (z)は、ユニタリ関係より、設
計手順2で規格化したクロス特性を表す多項式f(z)
/g(z)を用い、さらに、zに関数一次式の積の形に
展開することにより、式(6)で表される。
[Design Procedure 3] In step S3, the complex amplitude characteristic having the normalized complex expansion coefficient obtained in the design procedure 2 is cross-outputted from the optical signal processor (from port 1A to port 2A).
(Output to B), an S matrix representing the transmission characteristics of the present optical signal processor is obtained. Specifically, the remaining unknown transfer function h (z) of the S matrix is obtained from the unitary relation of Expression (4). From the unitary relation, h (z) h * (z) is a polynomial f (z) representing the cross characteristic standardized in the design procedure 2.
By using / g (z) and further expanding z into the form of a product of a function linear expression, it is expressed by Expression (6).

【0046】[0046]

【数10】 (Equation 10)

【0047】この式(6)中、a0 は式(7)のように
求められる。
In this equation (6), a 0 is obtained as in equation (7).

【0048】[0048]

【数11】 [Equation 11]

【0049】ここで、γN はg(z)のN番目の零点で
ある。
Here, γ N is the N-th zero of g (z).

【0050】式(6)において、h(z)とh* (z)
の積の形で表される必要性から、未知辺の分子多項式h
(z)の零点は{αk ,1/αk *}というN個のペアと
して求められる。h(z)を求める際、h(z)の多項
式は{αk ,1/αk *}の根のペアの内どちらか一方を
根として持っている必要があるので、この根の選択の仕
方に伴ない、h(z)は2N 個の取り方がある。また、
g(z)の0でないM個の零点の選択の仕方は NM
(=(N!)/(N−M)!)個あり、それぞれに対し
て、h(z)は求められるので、全体では、h(z)は
(2NNM )個の解を持つ。これら(2NN
M )個のh(z)の解は、振幅特性はともに等しく、異
なる位相特性を持つ。全体としてf(z)が共通でh
(z)が異なるS行列が(2NNM )個存在し、結
果として、(2NNM )種類の回路パラメータが求
まる。ただし、この(2NNM )個のいずれの回路
パラメータで回路を作製しても、クロス特性は同一な特
性が得られる。本実施例ではクロス特性であるf(z)
/g(z)の特性に興味があるので、(2NNM
個のh(z)のうちの適当な1個の解を選択した。もち
ろん、h(z)の選択には、低素子感度なもの、位相特
性が適当なもの等、選択の基準を適当に設けて選択する
ことも可能である。
In equation (6), h (z) and h * (z)
From the necessity expressed in the form of
The zeros of (z) are obtained as N pairs {α k , 1 / α k * }. When calculating h (z), the polynomial of h (z) must have one of the root pairs of {α k , 1 / α k * } as the root. According to the way, there are 2 N ways of taking h (z). Also,
g the way of the M of the zero-point selection is not a 0 (z) is N P M
(= (N!) / ( N-M)!) Number there, for each, h (z) is because it is required, in the whole, h (z) is (2 N · N P M) number of solutions have. These (2 N · N P
The M ) h (z) solutions have equal amplitude characteristics and different phase characteristics. F (z) is common and h
(Z) are different S-matrix is (2 N · N P M) pieces exist, as a result, (2 N · N P M) types of circuit parameters is obtained. However, even when making the (2 N · N P M) pieces circuit in any circuit parameters, the cross characteristics identical characteristics. In this embodiment, the cross characteristic f (z)
Since interested in the characteristics of the / g (z), (2 N · N P M)
An appropriate one of the h (z) solutions was selected. Needless to say, h (z) can be selected by appropriately setting a selection criterion such as one having low element sensitivity and one having an appropriate phase characteristic.

【0051】[設計手順4]ステップS4では、回路パ
ラメータを求めるために、N段構成の光信号処理回路の
伝送特性を表すS行列を、単位構成を表す伝送特性を表
すS行列の積の形に展開する。
[Design Procedure 4] In step S4, in order to obtain circuit parameters, the S matrix representing the transmission characteristics of the optical signal processing circuit having the N-stage configuration is replaced by the product of the S matrix representing the transmission characteristics representing the unit configuration. Expand to

【0052】全体のS行列の式(8)のように分解され
る。
The whole S matrix is decomposed as shown in equation (8).

【0053】[0053]

【数12】 (Equation 12)

【0054】ここで、Sn はn段目の単位構成回路の伝
送行列を表す。
Here, S n represents the transmission matrix of the unit configuration circuit of the n- th stage.

【0055】図4で示したn段目の単位構成回路は1−
n,2−nの2本の光導波路(アーム)と5−nのリン
グ導波路と、3−(n+1),4−nの2個の方向性結
合器と、6−n,7−nの2個の位相制御器より構成さ
れ、n=0の単位構成回路は1個の方向性結合器3−1
より構成される。
The unit configuration circuit of the n-th stage shown in FIG.
n, 2-n optical waveguides (arms), 5-n ring waveguides, 3- (n + 1), 4-n two directional couplers, 6-n, 7-n And the unit configuration circuit of n = 0 is one directional coupler 3-1.
It is composed of

【0056】実際のS行列の分解は、ステップS4およ
びS5によりn段目の単位構成伝送行列Sn の逆行列S
n -1 =Sn +(Sn +はSn の転置共役行列)をn=n,N
−〜1,…,2,1,0の順番に順次S行列の左側より
作用させることにより行われる。
[0056] degradation of the actual S matrix, the inverse matrix S of the n-th stage of the unit configuration transmission matrix S n by steps S4 and S5
n -1 = S n + (S n + is transposed conjugate matrix of S n) a n = n, N
.., 2, 1, 0 in the order of S matrix.

【0057】[0057]

【数13】 (Equation 13)

【0058】ここで、S[n] =Snn-1 …S21
0 を表す。この繰り返し操作によりそれぞれのSn は求
められる。
[0058] In this case, S [n] = S n S n-1 ... S 2 S 1 S
Represents 0 . Each Sn is obtained by this repetitive operation.

【0059】具体的には、2本の光導波路とリング導波
路を結ぶ方向性結合器の結合率の角度表示θn2とリング
導波路上の位相制御器の位相シフト量φn2はクロス特性
を表す多項式の分母多項式g(z)のn番目の零点γr
より次式として求められる。
More specifically, the angle characteristic θ n2 of the coupling ratio of the directional coupler connecting the two optical waveguides and the ring waveguide and the phase shift φ n2 of the phase controller on the ring waveguide have a cross characteristic. N-th zero γ r of the denominator polynomial g (z) of the polynomial
It is obtained from the following equation.

【0060】[0060]

【数14】 [Equation 14]

【0061】式(9)でS[n] を既知とすると、式
(9)の右辺の行列の積の要素の分子多項式の最高次数
は(n+1)/2次となるが、式(9)の左辺の行列の
要素の分子多項式の最高次数は(n−1)/2次であ
る。左辺と右辺の等式が成立するためには、右辺の最高
次数を左辺の最高次数に合わせる必要がある。この条件
より、2本の光導波路を結ぶ方向性結合器の結合率の角
度表示θn1が求まる。また、[f[n] (γn )]/[h
[n] (γn )]が常に実数(ここでは正にとる)となる
条件より2本の導波路上に設けられた位相制御器の位相
シフト量φn1が求まる。
Assuming that S [n] is known in equation (9), the highest order of the numerator polynomial of the element of the product of the matrix on the right side of equation (9) is (n + 1) / 2, but the equation (9) The highest degree of the numerator polynomial of the element of the matrix on the left side of is (n-1) / 2. In order for the equations on the left and right sides to be satisfied, the highest order on the right side must be matched with the highest order on the left side. From these conditions, the angle display θ n1 of the coupling ratio of the directional coupler connecting the two optical waveguides is obtained. Also, [f [n]n )] / [h
[n]n )] is always a real number (here, it is positive), and the phase shift amount φ n1 of the phase controller provided on the two waveguides is obtained.

【0062】[0062]

【数15】 (Equation 15)

【0063】式(11)中、h[n] (z),f[n]
(z)はn番目の単位伝送行列S[n] の要素の分子多項
式である。γn ,γn-1 はそれぞれg(z)のn番目お
よびn−1番目の零点である。
In the equation (11), h [n] (z), f [n]
(Z) is a numerator polynomial of an element of the n-th unit transmission matrix S [n] . γ n and γ n-1 are the n-th and n−1-th zeros of g (z), respectively.

【0064】このようにして、S行列の分解手順を最終
段まで完了することにより、全回路パラメータは求めら
れる。つまり、以下の漸化式をn=N,N−1,…,
2,1,0の順序で解法すれば、全ての回路パラメータ
は求められる。ただし、漸化式の初期値(n=N)は設
計手順3で求められたh[N] (z)=h(z),f[N]
(z)=f(z),g(z)である。
As described above, by completing the S matrix decomposition procedure up to the final stage, all circuit parameters are obtained. That is, the following recurrence formula is expressed as n = N, N-1,.
If the solution is performed in the order of 2, 1, 0, all circuit parameters can be obtained. Here, the initial value (n = N) of the recurrence equation is h [N] (z) = h (z), f [N] obtained in the design procedure 3 .
(Z) = f (z), g (z).

【0065】[0065]

【数16】 (Equation 16)

【0066】以上説明したように、本発明では、所望の
クロスフィルタ特性に対して(2NNM )通りの回
路パラメータが求められる(ステップS6)。これらの
回路パラメータのいずれを採用しても、同一のクロスフ
ィルタ特性が得られる。このことから、本発明では、回
路パラメータに関する数値限定を受けず、上記の回路合
成手法で求めた全ての回路パラメータに発明の適用が及
ぶことが明らかである。
[0066] As described above, in the present invention, the circuit parameters of the (2 N · N P M) as to the desired cross filter characteristics are determined (step S6). Regardless of which of these circuit parameters is employed, the same cross filter characteristics can be obtained. From this, it is clear that the present invention is not limited to numerical values relating to circuit parameters, and the present invention extends to all circuit parameters obtained by the above-described circuit synthesis method.

【0067】本実施例では、クロス出力で所望フィルタ
特性が実現するように、回路パラメータを計算したが、
スルー出力(ポート1Aから1Bへの出力)で所望フィ
ルタ特性を実現するように、回路パラメータを計算する
ことも可能である。
In this embodiment, the circuit parameters are calculated so that the desired filter characteristics can be realized by the cross output.
It is also possible to calculate circuit parameters so as to realize desired filter characteristics with through outputs (outputs from ports 1A to 1B).

【0068】以上説明した設計手法を使って実際にバタ
ワースフィルタを設計した結果を以下に述べる。
The result of the actual design of a Butterworth filter using the above-described design method will be described below.

【0069】・バタワース特性を持つ光フィルタ バタワース光フィルタは、振幅周波数特性が透過帯域で
最大平坦であるという特徴を有している。このことは、
N次のフィルタでは、自乗振幅周波数特性の0次からN
−1次までの導関数が中心周波数において零であること
を意味する。本実施例では、クロス特性においてバタワ
ース型の透過特性を実現した。光フィルタの要求特性値
を、周波数間隔:20GHz、透過域周波数:−2GH
z〜2GHzの透過帯域の振幅周波数特性が1dB以内
で一定で、阻止帯域特性は3GHzと10GHzの間な
らびに(−3GHz)と(−10GHz)との間で15
dBと設定した。
Optical Filter Having Butterworth Characteristics Butterworth optical filters have the characteristic that the amplitude frequency characteristics are maximally flat in the transmission band. This means
In the Nth-order filter, the zeroth to Nth square amplitude frequency characteristics
This means that the derivatives up to the first order are zero at the center frequency. In this embodiment, a Butterworth type transmission characteristic is realized in the cross characteristic. The required characteristic values of the optical filter are as follows: frequency interval: 20 GHz, transmission band frequency: -2 GH
The amplitude frequency characteristic of the transmission band from z to 2 GHz is constant within 1 dB, and the stop band characteristic is 15 GHz between 3 GHz and 10 GHz and between (-3 GHz) and (-10 GHz).
It was set to dB.

【0070】ここでは、まず上記要求条件を満たすアナ
ログバタワースフィルタの特性関数を求め、それを双線
型変換法(Oppenheim & Scafer著
“ディジタル信号処理”Prentice−Hall
Inc.1975)で式(13)に示す6次の多項式近
似式を求めた。
Here, first, a characteristic function of an analog Butterworth filter satisfying the above requirements is obtained, and the characteristic function is obtained by a bilinear conversion method (“Digital Signal Processing” by Oppenheim & Scaffer, “Prentice-Hall”)
Inc. 1975), a sixth-order polynomial approximation formula shown in Expression (13) was obtained.

【0071】[0071]

【数17】 [Equation 17]

【0072】図6(A)および(B)は本実施例の設計
手順1〜4を経て求めた回路パラメータを基に作製した
6段バタワース型光フィルタ(N=6)の透過振幅を測
定した結果である。±2GHzにおいて透過振幅0.5
dBを、±3GHzにおいて阻止値15dBを達成し
た。
FIGS. 6A and 6B show the transmission amplitude of a 6-stage Butterworth type optical filter (N = 6) manufactured based on the circuit parameters obtained through the design procedures 1 to 4 of this embodiment. The result. Transmission amplitude 0.5 at ± 2 GHz
It achieved a rejection of 15 dB at ± 3 GHz.

【0073】(実施例2)本実施例も第1の目的を実現
するために実施したものである。
(Embodiment 2) This embodiment is also implemented to realize the first object.

【0074】本実施例の回路構成を図7に示す。なお、
図1と同一作用を示す部分には同一符号を付して重複す
る説明は省略する。
FIG. 7 shows a circuit configuration of this embodiment. In addition,
1 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

【0075】実施例1では、リング導波路は全て光導波
路1側にあった。実際には、リング導波路を2本の光導
波路の1側または2側のどちらにとるかで、2N 個の導
波路配置が考えられる。本実施例では、2N 個の導波路
配置の内、次の2種類の配置を用いて実施例1と同様の
バタワースフィルタを作製した実施例について述べる。
In the first embodiment, all the ring waveguides are on the optical waveguide 1 side. In practice, 2 N waveguide arrangements can be considered depending on whether the ring waveguide is on one side or two sides of the two optical waveguides. In the present embodiment, an embodiment will be described in which a Butterworth filter similar to that of the first embodiment is manufactured using the following two types of arrangements out of 2 N waveguide arrangements.

【0076】[導波路配置1]は、リング導波路が2本
の光導波路の導波路1側と導波路2側に交互に現れる配
置である。
[Waveguide arrangement 1] is an arrangement in which the ring waveguides alternately appear on the waveguide 1 side and the waveguide 2 side of the two optical waveguides.

【0077】[導波路配置2]は、単位構成回路のk=
0からnまで、導波路1側にリング導波路があり、単位
構成回路のk=n+1からNまで、導波路2側にリング
導波路がある配置である。
[Waveguide arrangement 2] is based on k =
From 0 to n, there is a ring waveguide on the waveguide 1 side, and from k = n + 1 to N in the unit configuration circuit, there is a ring waveguide on the waveguide 2 side.

【0078】これらの導波路配置に対する回路パラメー
タは、実施例1で求めた回路パラメータの計算結果より
簡単に求められる。これは、次の手順により簡単に行え
る。
The circuit parameters for these waveguide arrangements can be easily obtained from the calculation results of the circuit parameters obtained in the first embodiment. This can be easily performed by the following procedure.

【0079】[手順2]は、実施例1と同様に、リング
導波路が全て導波路1側にある場合について、バタワー
スフィルタを実現する回路パラメータを求める。
In [Procedure 2], similarly to the first embodiment, circuit parameters for realizing a Butterworth filter are obtained when all the ring waveguides are on the waveguide 1 side.

【0080】[手順2]は、所望の導波路配置におい
て、リング導波路が導波路2側にある導波路1および2
で構成される対称マッハツェンダ干渉計の両端にある方
向性結合器の結合率をともにπだけ減らす。この操作
を、リング導波路が導波路2側にある全ての対称マッハ
ツェンダ干渉計について繰り返す。
[Procedure 2] is that the waveguides 1 and 2 where the ring waveguide is on the waveguide 2 side in the desired waveguide arrangement
The coupling ratios of the directional couplers at both ends of the symmetric Mach-Zehnder interferometer composed of are reduced by π. This operation is repeated for all the symmetric Mach-Zehnder interferometers whose ring waveguides are on the waveguide 2 side.

【0081】それぞれの導波路配置に対してフィルタ回
路を作製し、フィルタ特性を測定した結果、実施例1と
同様のフィルタ特性が得られた。
A filter circuit was manufactured for each waveguide arrangement, and the filter characteristics were measured. As a result, the same filter characteristics as those in Example 1 were obtained.

【0082】この実施例からわかるように、本発明で
は、リング導波路を導波路1側にとるか、導波路2側に
とるかで異なる2N 種類の全ての導波路配置に対して、
等価な回路パラメータを設計可能である。このことか
ら、本発明には、図1と光学的に等価な回路構成は全て
包含されることが明らかである。
As can be seen from this embodiment, in the present invention, for all 2 N types of waveguide arrangements which differ depending on whether the ring waveguide is taken on the waveguide 1 side or the waveguide 2 side,
Equivalent circuit parameters can be designed. From this, it is clear that the present invention includes all circuit configurations optically equivalent to FIG.

【0083】(実施例3)本実施例は第2の目的を実現
するための構成を実施した例である。
(Embodiment 3) This embodiment is an example in which a configuration for realizing the second object is implemented.

【0084】本実施例で用いた可変方向性結合器を図3
に示す。可変方向性結合器を用いることのメリットは、
1つの回路で任意の回路特性が実現可能なプログラム性
を獲得できることにある。図3の可変方向性結合器は、
2本の光路長の等しい光導波路11および12とその両
端に配した3dB方向性結合器13−1,13−2より
構成される対称なマッハツェンダ干渉計を構成してい
る。各光導波路上には、クロムヒータにより作製された
位相制御器14−1,14−2が配されている。この位
相制御器は、一方の導波路上だけに設置しても、可変方
向性結合器は構成される。本可変方向性結合器は、位相
制御器により、2本の光導波路間の位相差を0〜πと変
化させることにより、結合率を100%より0%に変化
させることができる。具体的には、位相制御器14A,
14Bの位相シフト量が0の時100%結合の方向性結
合器となり、位相シフト量がπの時、0%結合の方向性
結合器となる。ここでは採用しなかったが、位相制御器
の位相シフト量が0の時、0%結合の方向性結合器とな
るように、予め2本の導波路の光路長を半波長ずらして
おくことも可能である。また、ここでは採用しなかった
が、可変方向性結合器を構成する3dB方向性結合器1
3−1,13−2を、さらに図3に示す対称マッハツェ
ンダ干渉計構成の可変方向性結合器で置き換えることも
可能である。可変方向性結合器が設計値通り0〜100
%結合まで、完全に可変であるためには、構成する3d
Bカップラの結合率がかなりの精度で3dBである必要
がある。この3dBカップラの結合率を正確に3dBに
するために、3dBカップラを可変方向性結合器に置き
換えることは有効な手段である。さらに、可変方向性結
合器を構成する3dB方向性結合器13−1,13−2
を、波長オーダの光路長差をもつ非対称マッハツェンダ
干渉計構成の波長無依存方向性結合器(Electon
ics Letters; “Mach−Zehnde
r Interferomenter type op
tical waveguide couler wi
th wavelength−flattened c
oupling ratio”,Vol.26,No.
17,pp.1326〜1327,1990)で置き換
えることも可能である。こうすれば、作製した光信号処
理器は波長に無関係に動作可能になる。
The variable directional coupler used in this embodiment is shown in FIG.
Shown in The advantage of using a variable directional coupler is that
One object is to obtain programmability in which arbitrary circuit characteristics can be realized by one circuit. The variable directional coupler of FIG.
A symmetric Mach-Zehnder interferometer composed of two optical waveguides 11 and 12 having the same optical path length and 3 dB directional couplers 13-1 and 13-2 disposed at both ends thereof is configured. On each optical waveguide, phase controllers 14-1 and 14-2 made of a chrome heater are arranged. Even if this phase controller is installed on only one waveguide, a variable directional coupler is formed. The variable directional coupler can change the coupling ratio from 100% to 0% by changing the phase difference between the two optical waveguides from 0 to π by the phase controller. Specifically, the phase controllers 14A,
When the phase shift amount of 14B is 0, it becomes a directional coupler with 100% coupling, and when the phase shift amount is π, it becomes a directional coupler with 0% coupling. Although not adopted here, when the phase shift amount of the phase controller is 0, the optical path lengths of the two waveguides may be shifted in advance by a half wavelength so that the directional coupler has 0% coupling. It is possible. Although not adopted here, the 3 dB directional coupler 1 forming the variable directional coupler 1
It is also possible to replace 3-1 and 13-2 with a variable directional coupler having a symmetric Mach-Zehnder interferometer configuration shown in FIG. Variable directional coupler is 0-100 as designed
To be completely variable up to% coupling, the 3d
The coupling rate of the B coupler needs to be 3 dB with considerable accuracy. In order to accurately set the coupling ratio of the 3 dB coupler to 3 dB, it is effective to replace the 3 dB coupler with a variable directional coupler. Further, the 3 dB directional couplers 13-1 and 13-2 constituting the variable directional couplers
Is converted to a wavelength-independent directional coupler (Electon) having an asymmetric Mach-Zehnder interferometer having an optical path length difference on the order of wavelength.
ics Letters; “Mach-Zehnde
r Interfermenter type op
tical waveguide couler wi
th wavelength-flattened c
coupling ratio ", Vol. 26, No.
17, pp. 1326-1327, 1990). In this way, the manufactured optical signal processor can operate irrespective of the wavelength.

【0085】本実施例においても、実施例1と同様の6
段のバタワースフィルタを作製した。また、同一の回路
でチェビシェフ特性のフィルタも実現できることを確認
した。本実施例は実施例1より作製誤差に強いという特
徴がある。これは、可変方向性結合器を用いているため
に、誤差補正が可能なためである。
Also in this embodiment, the same 6 as in Embodiment 1 is used.
A Butterworth filter having two stages was manufactured. It was also confirmed that a Chebyshev filter could be realized with the same circuit. This embodiment is characterized in that it is more resistant to manufacturing errors than the first embodiment. This is because error correction is possible because a variable directional coupler is used.

【0086】以上、実施例を用いて、本発明の構成およ
び設計手法を説明したが、本発明は本実施例に限定され
るものではない。例えば、本発明では石英平面光回路を
用いたが、InGaAsP系等の半導体、LiNbO3
等の電気光学材料、有機光学材料などの別の材料で平面
回路を形成することも可能である。また、平面回路の代
わりに光ファイバを用いることも可能である。本実施例
では、位相制御を行うのに、熱光学効果、および電気光
学効果を用いたが、位相制御の方法としては、他の物理
現象、例えば、カー効果に代表される非線形光学効果、
磁気光学効果等を利用することも可能である。このよう
に、本発明は、素子の組合せ方を表す回路構成と所望フ
ィルタ特性を与えて回路パラメータを計算する回路合成
手法に関するものであり、その回路の物理的実現手段に
は拘束されない。
The configuration and the design method of the present invention have been described using the embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments. For example, although a quartz planar optical circuit is used in the present invention, a semiconductor such as an InGaAsP-based semiconductor, LiNbO 3
It is also possible to form a planar circuit with another material such as an electro-optical material such as described above and an organic optical material. It is also possible to use an optical fiber instead of a planar circuit. In the present embodiment, the thermo-optical effect and the electro-optical effect were used to perform the phase control. However, other physical phenomena, such as the nonlinear optical effect represented by the Kerr effect,
It is also possible to use a magneto-optical effect or the like. As described above, the present invention relates to a circuit composition technique for calculating a circuit parameter by giving a circuit configuration representing a combination of elements and a desired filter characteristic, and is not restricted by a physical realizing means of the circuit.

【0087】本発明は、実施例2で示したように、光学
的に等価な回路構成は多数あるが、これらは全て同一の
ものとみなせるので、本発明の回路構成と光学的に等価
な回路構成は全て本発明の権利対象となる。例えば、2
本の光導波路とリング光導波路を結ぶ方向性結合器の結
合率が0の場合、リング光導波路の存在は不要となるの
で、あらかじめ不要なリング光導波路を除去した回路構
成を用いることが考えられる。この場合も、方向性結合
器の結合率を0に設定することと、対応するリング光導
波路をあらかじめ除去しておくこととは、光学的には等
価なので、同一回路構成と考えることができる。
In the present invention, as shown in the second embodiment, there are a number of optically equivalent circuit configurations. However, all of them can be regarded as the same, so that a circuit which is optically equivalent to the circuit configuration of the present invention. All configurations are the subject of the present invention. For example, 2
When the coupling ratio of the directional coupler connecting the optical waveguide and the ring optical waveguide is 0, the existence of the ring optical waveguide becomes unnecessary, and therefore, it is conceivable to use a circuit configuration in which unnecessary ring optical waveguides are removed in advance. . Also in this case, setting the coupling ratio of the directional coupler to 0 and removing the corresponding ring optical waveguide in advance are optically equivalent, and can be considered to be the same circuit configuration.

【0088】本発明の請求項に特徴的なのは、回路構成
に加えて、回路パラメータを求めるための設計手順を付
加して要求していることにある。実際に所望特性を実現
しようとすると、必ず所望特性を実現するための回路パ
ラメータを算出する計算式が必要になる。回路パラメー
タを試行錯誤的に求めることは実際には不可能であり、
たとえ計算機を用いて逐次近似手法により回路パラメー
タを求めようとしても、最適な回路パラメータを得るこ
とは不可能に近い。本発明で求めている設計手法は、本
発明独自のものであり、その特徴は、逐次近似的手法と
は異なり、有限の計算回数で最適な回路パラメータを求
めることが可能な点にある。仮に本発明と類似の回路構
成を有する特許が存在しても、本発明は本発明独自の設
計手法の存在により他特許との差別化を主張する。具体
的には、実施例で述べた周波数フィルタは、本設計手法
を用いなくては得られない特性であり、回路構成が類似
な場合でも、実施例を比較することにより、他特許との
差別化を行うことができる。
A feature of the claims of the present invention resides in that a design procedure for obtaining circuit parameters is required in addition to the circuit configuration. In order to actually achieve the desired characteristics, a formula for calculating the circuit parameters for realizing the desired characteristics is required. It is actually impossible to determine circuit parameters by trial and error,
Even if an attempt is made to obtain circuit parameters by a successive approximation technique using a computer, it is almost impossible to obtain optimal circuit parameters. The design method sought in the present invention is unique to the present invention, and is characterized in that, unlike the successive approximation method, an optimum circuit parameter can be obtained with a finite number of calculations. Even if a patent having a circuit configuration similar to the present invention exists, the present invention claims differentiation from other patents due to the existence of a unique design method of the present invention. Specifically, the frequency filter described in the embodiment is a characteristic that cannot be obtained without using this design method, and even when the circuit configuration is similar, by comparing the embodiment, it is possible to discriminate from other patents Can be performed.

【0089】[0089]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光信号処
理器は、上述した回路構成と設計手法を採用することに
より、従来では実現できなかった最大透過率100%で
任意のフィルタリング処理を実現可能とした。特に、本
発明は、リング導波路を設けることにより、薄膜フィル
タと同様の帰還作用を利用して少ない段数で急峻なフィ
ルタ特性が実現可能であるという特徴がある。また、結
合率を自由に述べる可変方向性結合器と、任意の位相シ
フトを与えることが可能な位相制御器を回路構成素子と
して用いることにより、同一の回路で任意のフィルタ特
性が実現可能であるという特徴も有している。
As described above, the optical signal processor of the present invention employs the above-described circuit configuration and design method to perform an arbitrary filtering process at a maximum transmittance of 100%, which could not be realized conventionally. Feasible. In particular, the present invention is characterized in that by providing a ring waveguide, a steep filter characteristic can be realized with a small number of stages using the same feedback effect as a thin film filter. In addition, by using a variable directional coupler that freely describes a coupling ratio and a phase controller that can give an arbitrary phase shift as circuit components, it is possible to realize an arbitrary filter characteristic with the same circuit. It also has the feature.

【0090】このように優れた特徴をもつ本発明の光信
号処理器は、高速で広帯域性が要求される周波数多重通
信等の高度情報処理分野で、高性能な光信号処理器を提
供することが可能である。
The optical signal processor of the present invention having such excellent characteristics provides a high-performance optical signal processor in the field of advanced information processing such as frequency multiplexing communication requiring high speed and wide bandwidth. Is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施例に係る光信号処理器の回路
構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of an optical signal processor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】実施例1の光信号処理器のA−A′線断面図で
ある。
FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ of the optical signal processor according to the first embodiment.

【図3】実施例1で用いた可変方向性結合器の回路構成
を示す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a circuit configuration of a variable directional coupler used in the first embodiment.

【図4】実施例1の回路構成のn段目の単位構成回路を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an n-th unit configuration circuit of the circuit configuration of the first embodiment.

【図5】実施例1の設計手順を示すフローチャートであ
る。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a design procedure according to the first embodiment.

【図6】実施例1の回路構成で実現した光周波数フィル
タのバタワース型透過特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a Butterworth type transmission characteristic of the optical frequency filter realized by the circuit configuration of the first embodiment.

【図7】実施例2の2種類の導波路構成を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram illustrating two types of waveguide configurations according to a second embodiment.

【図8】従来例に係るトランスバーサル型光信号処理器
の回路構成を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of a transversal optical signal processor according to a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 光導波路 1−1,1−N,2−1〜2−N アーム 1A,2A 入力ポート 1B,2B 出力ポート 3−1,3−(N+1),4−1〜4−N 正あるいは
負の結合率を有する固定(可変)方向性結合器 5−1〜5−N リング導波路 6−1〜6−N,7−1〜7−N 位相制御器
1, 2 Optical waveguide 1-1, 1-N, 2-1 to 2-N Arm 1A, 2A Input port 1B, 2B Output port 3-1, 3- (N + 1), 4-1 to 4-N Positive or Fixed (variable) directional coupler having a negative coupling ratio 5-1 to 5-N Ring waveguide 6-1 to 6-N, 7-1 to 7-N Phase controller

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 神宮寺要、河内正夫,多段マッハツェ ンダ構成の複素係数光FIRフィルタの 合成,1993年電子情報通信学会秋季大 会,SC−2−4,第4−381〜4−382 頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/00 - 1/125 G02F 1/29 - 7/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References Kaname Jinguji, Masao Kawauchi, Synthesis of complex-coefficient optical FIR filter with multi-stage Mach-Zehnder configuration, IEICE Autumn Meeting 1993, SC-2-4, Chapter 4- Pages 381 to 382 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/00-1/125 G02F 1/29-7/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 2本の第1および第2の光導波路と、こ
れら2本の第1および第2の光導波路を(N+1)箇所
の異なる位置で結合して当該第1および第2の光導波路
をN個の領域に分割する(N+1)個の正または負の
幅の結合率を有する第1の方向性結合器群と、前記N個
の領域の前記第1および第2の光導波路の何れか一方に
それぞれ介装されるN個の正または負の振幅の結合率を
有する第2の方向性結合器群と、これらN個の第2の方
向性結合器群を介して前記N個の領域の前記第1および
第2の光導波路の何れか一方にそれぞれ結合されるリン
グ光導波路群と、前記N個の領域の前記第1および第2
の光導波路の少なくとも一方にそれぞれ介装されて所望
の位相シフトを施す第1の位相制御器群と、前記リング
光導波路群のそれぞれ介装されて所望の位相シフトを施
す第2の位相制御器群とを具備し、前記N個の領域にお
ける前記第1の光導波路と前記第2の光導波路との光路
長がそれぞれ等しく、かつ前記リング光導波路群の光路
長が全て等しいことを特徴とする光信号処理器。
1. Two first and second optical waveguides, and the two first and second optical waveguides are coupled at (N + 1) different positions to form the first and second optical waveguides. Divide the wave path into N regions (N + 1) positive or negative amplitudes
A first directional coupler group having a coupling ratio of a width, and N positive or negative amplitudes respectively interposed in one of the first and second optical waveguides of the N regions . A second directional coupler group having a coupling ratio, and one of the first and second optical waveguides of the N regions via the N second directional coupler groups, respectively. A ring optical waveguide group to be coupled, and the first and second ring optical waveguides in the N regions.
A first phase controller group interposed in at least one of the optical waveguides and providing a desired phase shift, and a second phase controller interposed in each of the ring optical waveguide groups and performing a desired phase shift Wherein the first optical waveguides and the second optical waveguides in the N regions have the same optical path length, and the ring optical waveguide groups all have the same optical path length. Optical signal processor.
【請求項2】 請求項1において、前記第1の方向性結
合器群および前記第2の方向性結合器群の、全てあるい
は一部が、振幅の結合率を正あるいは負の値に変えるこ
とができる可変方向性結合器であることを特徴とする光
信号処理器。
2. The method according to claim 1, wherein all or a part of the first directional coupler group and the second directional coupler group change an amplitude coupling ratio to a positive or negative value. An optical signal processor characterized in that it is a variable directional coupler capable of performing the following.
【請求項3】 請求項2において、可変方向性結合器
が、2個の正あるいは負の振幅の結合率を有する固定結
合率方向性結合器と、前記2個の固定結合率方向性結合
器に挟まれた2本の光導波路とからなり、前記2本の光
導波路の光路長は等しいか、半波長分ずれており、前記
2本の光導波路の少なくとも一方に所望の位相シフトを
施す位相制御器を設けたマッハツェンダ干渉計構成をな
すことを特徴とする光信号処理器。
3. The directional coupler according to claim 2, wherein the variable directional couplers have two fixed coupling ratio directional couplers having a coupling ratio of positive or negative amplitude, and the two fixed coupling ratio directional couplers. And two optical waveguides having the same optical path length or being shifted by a half wavelength, and providing a desired phase shift to at least one of the two optical waveguides. An optical signal processor comprising a Mach-Zehnder interferometer provided with a controller.
【請求項4】 請求項1ないし3の何れかにおいて、前
記N+1個の第1の方向性結合器群の振幅の結合率θ
1n(−π/2〜π/2)と前記N個の第1の位相制御
器群の位相シフト量φ1n(−π〜π)、および、前記
N個の第2の方向性結合器群の振幅の結合率θ2n(−
π/2〜π/2)と前記N個の第2の位相制御器の位相
シフト量φ2n(−π〜π)を、下記の漸化式に基づい
て算出し設定することを特徴とする光信号処理器。 【数1】 ただし、漸化式はn=Nからn=0の順に解いていくこ
ととし、漸化式の初段(n=N)において、h[N]
(z)=h(z)、f[N] (z)=f(z)、g
[N] (z)=g(z)である。ここで、h(z)/
g(z)は所望特性をスルーポートで、f(z)/g
(z)は所望特性をクロスポートで実現しようとすると
きの下記に表される多項式で、ユニタリ関係h(z)h
(z)+f(z)f (z)=g(z)g
(z)より求められる。また、zは複素角周波数ωによ
り 【外1】 で表される複素変数である。jは√(−1)を表す。Δ
τは前記リンク光導波路がもつ一定の光路長差に対応す
る遅延時間である。また、γn−1 ,γ はg(z)
の(n−1)番目とn番目の零点を表す。さらに、Mは
任意の自然数であり、g(z)の零点の個数である。 【数2】
4. The coupling ratio θ of the amplitudes of the (N + 1) first directional coupler groups according to claim 1,
1n (-π / 2~π / 2) and said N first phase shift amount phi 1n the phase control unit group (-π~π), and the N second directional coupler group of the binding rate of amplitude θ 2n (-
π / 2 to π / 2) and the phase shift amounts φ 2n (−π to π) of the N second phase controllers are calculated and set based on the following recurrence formula. Optical signal processor. (Equation 1) Here, the recurrence equation is solved in the order of n = N to n = 0, and in the first stage (n = N) of the recurrence equation, h [N]
(Z) = h (z), f [N] (z) = f (z), g
[N] (z) = g (z). Here, h (z) /
g (z) is a through port for desired characteristics, and f (z) / g
(Z) is a polynomial expressed by the following when a desired characteristic is to be realized by a cross port, and a unitary relation h (z) h
* (Z) + f (z) f * (z) = g (z) g *
(Z). Z is expressed by the complex angular frequency ω. Is a complex variable represented by j represents √ (-1). Δ
τ is a delay time corresponding to a constant optical path length difference of the link optical waveguide. Γ n−1 and γ n are g (z)
(N-1) -th and n-th zeros of Furthermore, M is
An arbitrary natural number, which is the number of zeros of g (z). (Equation 2)
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神宮寺要、河内正夫,多段マッハツェンダ構成の複素係数光FIRフィルタの合成,1993年電子情報通信学会秋季大会,SC−2−4,第4−381〜4−382頁

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