JP3425150B2 - 位相調整アレイを有する光学装置 - Google Patents

位相調整アレイを有する光学装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第１の結合器と、第２の結合器と、第１の
結合器の出力端子を第２の結合器の入力端子に接続して
分散アレイを形成する複数の、少なくとも３つの光チャ
ネルとを備える光学装置に関するものである。
そのような装置は、分散アレイのために波長に依存す
るそれの挙動によってアレイマルチプレクサまたはデマ
ルチプレクサとしてとくに有用である。分散は0.1nmか
ら約200nmまでの範囲の波長選択性を装置に与える。波
長分割マルチプレクサ（WDM）を光通信の分野に用い
て、光増幅装置で搬送波長の光ビームと信号波長の光ビ
ームとを組合わせることができる、WDMは近接した波長
帯を付加することによって光ファイバの伝送容量を増加
することにも使用できる。１本のファイバで双方向通信
を行うために種々の波長帯を使用できる。マルチプレク
サの動作とは反対の動作、すなわち、入来信号をそれの
構成波長帯に分解すること、を行わせるためにデマルチ
プレクサを使用できる。
初めの文節で述べた種類の光学装置がヨーロッパ特許
出願第0565308号明細書に記載されている。既知の装置
は一対の光結合器と、結合器の間を延長するチャネルの
アレイとを有する。結合器はいわゆる放射線結合器であ
る。そのような結合器は典型的には、入力チャネルと複
数の結合器出力チャネルとの間にほぼ同一の光路を設け
るように構成された平板状導波器である。既知の装置の
欠点はチャネル応答が一様でないこと、すなわち、装置
の入力チャネルから出力チャネルへのパワー伝送が入力
チャネルの序数と出力チャネルの序数に依存することで
ある。
本発明の目的は、ほぼ一様なチャネル応答を有する光
学装置を得ることである。
本発明の目的は、上記光学装置が、少なくとも１つの
結合器がマルチモード画像形成部品である、ことを特徴
とする場合に達成される。既知の装置の一様でないチャ
ネル応答は、放射性結合器が機能する態様の結果であ
る。すなわち、そのような結合器の入力チャネルからの
パワーはそれの出力チャネル全体に鐘形で分布される。
したがって最も外側の出力チャネルは、中央の出力チャ
ネルが受けるパワーのほんの数パーセントを受けるだけ
である。他方、マルチモード画像形成（MMI）結合器は
入力チャネルからのパワーをそれの出力チャネル全体に
わたって等しく分配できる。分配が一様になると本発明
の装置のチャネル応答が一様になる。
MMI結合器を使用すると、MMIの入力が照射される時に
MMIの出力端子における信号の間に生ずる位相差を補償
するように注意を払わなければならない。更に、照射が
別の入力端子に変更されると、位相差も変化する。それ
らの差の補償は原則として装置のどこにおいても行うこ
とができる。しかし、本発明の装置の好適な実施例は、
マルチモード画像形成部品中の光路の間の位相差が、チ
ャネルの光路長さの差によって補償されることを更に特
徴とする。位相差の補償のために追加の部品を要求され
ないこと、およびアレイの導波器の固定されている長さ
で十分なことが、本発明の装置の予測されなかった特徴
である。光路長のそれらの違いは一般にチャネルの屈折
率に対する基準波長よりも小さい。
本発明の光学装置の好適な実施例は、隣接するチャネ
ルの間の光路長の差が基本長さの整数関数倍にほぼ等し
く、関数の値はアレイ中の隣接するチャネルの序数に依
存することを特徴とする。したがって、アレイ中の隣接
する導波器の間の長さの差は、既知の装置における場合
のように、一定値を持たない。「ほぼ等しい」というこ
とは、チャネルの屈折率で除した基準波長内で等しいこ
とを意味する。
好適な実施例は、第１の結合器がＮ個の出力端子を有
し、第２の結合器がＮ個の入力端子とＮ個の出力端子を
有する。Ｎは２より大きい整数である。
結合器の間に「Ｕ」形チャネルを有する装置の実施例
においては、チャネルの交差を避けるためにチャネルの
長さを単調に増加しなければならない。増加は整数個の
基本長さを各チャネルの長さに付加することによって実
現される。その結果、漏れが少ない波長窓の幅が狭くさ
れる。十分に広い窓を持つ光学装置の実施例は「Ｓ」形
の光チャネルを有する。長さの差を最小に保つこともで
きる。そうすると製作の許容誤差を大きくできるという
利点が得られる。ある光チャネルと、より大きい序数の
隣接する光チャネルの間の光路長さの差の絶対値が序数
の単調増加関数で、２つの連続する差の符号が異なる場
合に、装置の出力チャネルの間の漏れが減少する。
製作の許容誤差が大きい別の実施例は、受動アレイの
種々の光チャネルがほぼ同一の形の異なる数の曲りを持
つことを特徴とするものである。異なる数の曲りは種々
の光路長のチャネルを提供する。曲げるやり方および曲
げを組合わせるやり方によって装置の光路長を極めて多
様にできる。この実施例は小型のユニットに容易にまと
めることができ、２つの結合器を一線上に置くことがで
きる。伝送機能の電子的制御を行えるようにする光学装
置の実施例は、少なくとも１つのチャネルの光路長を変
化させるために、電極を少なくとも１つのチャネルの上
に載置することを特徴とするものである。チャネル上で
の電極の特殊な配列によって電極に加えられる単一の電
圧によって伝送機能を制御できる。
電極の存在がチャネルの光学的な挙動に影響を及ぼす
ことがあり、種々の電極長さがチャネルに種々の挙動を
ひき起こさせることがあるから、光学装置の諸特性が影
響を受ける。したがって、本発明の光学装置には各チャ
ネルで同じ長さだけ載置する電極構造を設けることが好
ましい。
以下、添付図面を参照して例により本発明を詳しく説
明する。
第１図は本発明のWDMを示す。
第2A図は１×ＮのMMI結合器を示す。
第2B図は２×ＮのMMI結合器を示す。
第2C図はＮ×ＮのMMI結合器を示す。
第３図は装置の導波器の横断面を示す。
第４図はＳ形アレイを有するWDMを示す。
第５図はＵ形アレイを有するWDMおよびＳ形アレイを
有するデマルチプレクサの伝送特性を示す。
第６図は正弦波状アレイを有するWDMを示す。
第７図は電極を設けられている導波器の横断面を示
す。
第８図はＵ形アレイを有するWDMを示す。
第９図はアクティブ正弦波状アレイを有するWDMを示
す。
第10図もアクティブ正弦波状アレイを有するWDMを示
す。
第１図は、Ｎ個のチャネルのアレイWqを介して第２の
結合器３に結合されている第１の結合器２を備える本発
明のチャネルアレイデマルチプレクサ１を示す。ｑは序
数で、ｑ＝1,…,Nである。結合器２と３の間のＮ個のチ
ャネルは「Ｕ」形のアレイ状に配列される。連続する各
チャネルは先行するものより長い光路となる。各アレイ
チャネルWqは第１の結合器の出力端子Oqを第２の結合器
の入力端子Ｉ′ｑに結合する。装置の入力端子は入力チ
ャネルUjで構成される。ｊ＝1,2である。各入力チャネ
ルは第１の結合器の入力端子Ijに接続される。装置の出
力端子は出力チャネルVkで構成される。ｋ＝1,…,Nであ
る。各出力チャネルは第２の結合器の対応する出力端子
Ｏ′ｋに接続される。
本発明に従って、結合器はマルチモード画像形成部品
（MMIs）である。MMIは「マルチモード干渉装置」とし
ても知られており、ドイツ特許第2506272号明細書に開
示されている。MMIはそれの入力端子の１つにおける放
射線の分配がそれの各出力端子上に画像形成されるよう
なものである。特定の波長λ０に対して、特定の入力端
子IjからアレイチャネルWqに沿って第１の結合器を通
り、かつ第２の結合器を通って出力端子Ｏ′ｋに達する
光路と、同じ入力端子から別のチャネルWq+1に沿って同
じ出力端子に達する光路との間の位相差が２πの倍数で
あるように、装置のアレイは設計される。そうするとア
レイ中の種々の経路に沿って進む光波は構造的に干渉
し、装置の入力端子Ijに入る波長λ０のエネルギーを出
力端子Ｏ′ｋに向かって送らせる。異なる波長では光波
は出力端子Ｏ′ｋで干渉しないが、別の出力端子では干
渉する。したがって、多数の波長の入力を受け、波長が
分離された出力を供給するためにこの装置を使用でき
る。この装置は回折格子およびデマルチプレクサとして
機能する。逆向きではそれはマルチプレクサとして機能
する。
本発明の装置はMMIの諸特性を最適に使用する。部品
の寸法誤差が大きいために、MMIの性能が、集積化した
光学装置の製造工程のプロセスパラメータに依存する程
度が小さくされる。とくに、MMI結合器の使用によっ
て、狭い間隔を置いて隔てられている導波器チャネルの
間の頂部に穴を開ける際のリソグラフィック上の問題が
避けられる。したがって、MMIの製造技術に対する要求
は比較的緩やかである。これはInPで製造されたMMIにと
くに適用される。InPは集積化した深くエッチングされ
た光学部品のためにしばしば使用する材料である。した
がって、僅かに最適でない寸法のMMIに対してさえも、M
MIの低損失特性が維持される。
第２図はＭ×ＮのMMI結合器のいくつかの例を示す。
ここに、Ｍは結合器の入力端子の数、Ｎは結合器の出力
端子の数である。第2A図に示す１×Ｎの結合器10の長さ
はL1＝3Lc/（4N）で、Lc＝4nW2/（３λ０）である。こ
こに、ｎは導波器の屈折率、ＷはMMIの幅、λ０は放射
線の自由空間波長である。第2A図に示すように、入力I1
がMMIの幅の半分であるから、入力のＮ個の画像がMMIの
入力側の反対側に、W/Nの相互間隔で見出だされる。入
力I1と出力Oqの間の位相差は （１） φ1,q＝φ０＋π（ｑ−１）（Ｎ−ｑ）/N ｑ＝
1,…,N によって与えられる。ここのφ０は一定位相係数であ
る。
第2B図は２×ＮのMMI結合器20を示す。それの長さはL
2＝Lc/Nである。２つの入力端子が幅Ｗの1/3と2/3の所
に配置され、出力端子は図示のように配置される。Ｎが
偶数の時の入力端子I1と出力端子Oqの間の位相差は （２） φ1,q＝φ０＋π（−3q2＋2q）/4N ｑが奇数の
時 （３） φ1,q＝φ０＋π＋π（−3q2＋4q−１）/4N ｑ
が偶数の時 で与えられる。
第2C図に示すように、Ｎ×ＮのMMI結合器30が対で順
序をつけられている入力ポートと出力ポートを有する。
各対内ではポートの距離は2dである。ｄは自由パラメー
タである。各対でのポートの距離は2dである。ここにｄ
は自由パラメータである。長さLNは3Lc/Nに等しい。入
力端子と出力端子の番号付けの異なる順序に注目された
い。Ｎが偶数の時の入力端子Ijと出力端子Oqの間の位相
差は （４） φj,q＝φ０＋π［（2N＋１−ｑ−ｊ）（ｑ＋ｊ−１）］/4N ｊ＋ｑが奇数の時 （５） φj,q＝φ０＋π＋π［（2N−ｑ＋ｊ）（ｑ−ｊ）］/4N ｊ＋ｑが偶数の時 である。全ての種類のMMIに対して、入力端子から出力
端子への位相差は同じ出力端子から同じ入力端子への位
相差に等しい、いいかえると、φj,qがφq,jに等しい。
位相はexp（ｉωｔ−kx）に従って時間ｔと位置ｘに依
存することを述べておく。
MMIの上記位相挙動はMMI結合器を有するマルチプレク
サまたはデマルチプレクサの設計に困難をもたらす。MM
Iの１つの入力端子における信号はそれの各出力端子に
おける信号になり、出力信号の間の位相差は零ではな
い。信号が別の入力に変えられると、出力の間の位相差
も変化する。本発明のデマルチプレクサの設計において
はそれらの位相差は補償される。デマルチプレクサは一
般化したマッハ−ツェンダー干渉計として設計される。
マッハ−ツェンダー干渉計においては干渉計内部の経路
の長さの差によって希望の位相が実現される。設計は、
アレイチャネルWqの数が出力チャネルVkの数に等しい場
合、すなわち、第２の結合器がＮ×ＮのMMIである場合
に対してのものである。出力チャネルがＮより少ないこ
とを希望する場合には、Ｎ×ＮのMMIである場合に対し
て設計をいぜんとして行うことができるが、出力の数は
用いられない。
波長デマルチプレクサの設計の第１の段階として、選
択した基準波長λ０の最少量の放射線が選択した入力端
子から選択した出力端子までデマルチプレクサを通るよ
うに、Ｎ個のアレイチャネルの長さが決定される。この
特定の設計に対しては入力端子は第１の結合器２の入力
端子Ijであり、例として、出力端子は第２の結合器３の
出力端子Ｏ′３である。前記入力端子から、前記出力端
子へ放射線を最適に伝送させるために、入力端子Ijから
第１の結合器と、アレイチャネルと、第２の結合器とを
通って出力端子Ｏ′３までのＮ個の光路の長さが、種々
のチャネルに沿って進んだビームの間の出力端子におい
て構造的干渉を持つためにλ０の倍数だけ相互に異なら
なければならない。位相に関しては、これは （６） （φj,q−φj,1）＋Δψｑ＋（φ′q,3−φ′1,3）＝２πmq ｑ＝1,…,Nに対して 位相φとφ′は第１の結合器と第２の結合器にそれぞれ
導入された位相差である。Δψｑは （７） Δψｑ＝−２πn0ΔLq/λ０ に等しい。n0はチャネルの実効屈折率、ΔLqはアレイチ
ャネルWqとWlの間の長さの増分である。ΔLq≡δlq＋δ
Lq、δlqはλ0/n0より小さい長さ増分、ΔLqはλ0/n0の
倍数に等しい長さ増分、と書く場合には、 （８） ｇ（ｑ）≡−（φj,q−φj,1）−（φ′q,3−φ′1,3） で、式（７）を （９） −２πn0（δlq＋δLq）／λ０＝ｇ（ｑ）＋２πmq と書くことができる。等しい符号の両辺の対応する項を
等しいと置くと、下記の２つの表現になる。
（10） n0δlq＝−ｇ（ｑ）λ0/2π （11） n0δLq＝−mqλ０ 式（11）は、整数を指定することなしに、チャネルｑの
長さをλ0/n0の整数倍だけ変化できることを単に述べて
いるだけである。整数の値はデマルチプレクサの設計の
第２の段階では固定される。式（10）におけるパラメー
タδlqはｑ番目の光路における長さ増分であって、基準
波長λ０の放射線を入力端子Ijから出力端子Ｏ′３へ伝
送するために導入しなければならない増分である。長さ
増分はMMI結合器に起因する位相差を補償するもので、
アレイチャネルに異なる長さを与えることによってデマ
ルチプレクサ中に含ませることが好ましい。デマルチプ
レクサにおける２つの結合器を特別に選択するために、
式（１）〜（５）を式（８）に代入することによって分
かるように、ｑの全ての値に対してｇ（ｑ）の値は零で
ある。１つのそのような選択が２×ＮのMMIとＮ×ＮのM
MIである。その場合には、アレイチャネルの長さを式
（11）に従ってλ0/n0の倍数だけ異ならせることを必要
とするだけである。
デマルチプレクサの設計の第２の段階はλ０に近い波
長λｋの放射線を入力端子Ijから出力端子Ｏ′ｋへ送る
べきである時に、アレイチャネルの長さに課す要求の実
現である。基準波長の放射線をデマルチプレクサを通じ
て送るために第１の段階は小さい増分δlqの値を決定し
たのに対して、第２の段階は、他の波長で送るために希
望の分散挙動を与えるために大きな増分δLqを決定す
る。波長λｋの放射線を最適に伝送するためには、Ｎ個
の光路のおのおのに対して次の位相関係を満たす必要が
ある。
（12） （φj,q−φj,1）＋Δψｑ＋（φ′q,k−φ′1,k）＝２πmq ｑ＝1,…,Nに対して 全ての位相はλｋで評価しなければならない。この波長
は （13） λｋ＝λ０＋ｐ（ｋ）Δλ と書くことができる。ｐ（ｋ）はｋの整数関数、Δλは
波長増分である。実効指数nkは今は （14） nk＝n0＋ｐ（ｋ）Δλδn/δλ に等しいΔλの１次である。添字０をｋで置換した式
（７）と、式（３），（14）を用いると式（12）を （15） −２π｛n0＋ｐ（ｋ）Δλδn/δλ｝（δlq＋δLq））／ （λ０＋ｐ（ｋ）Δλ） ＝−（φj,q−φj,1）−（φ′q,k−φ′l,k）＋２πmq と書くことができる。位相差φはΔλに１次に依存しな
い。したがって、Δλ中の１次より高い項を無視する
と、式（15）を （16） −２πn0｛（δlq＋δLq）−ｐ（ｋ）ΔλＢ（δlq＋δLq）｝／λ０ ＝ｇ（ｑ）＋２πmq−（φ′q,k−φ′1,k）＋（φ′q,3−φ′1,3） と書くことができる。ここに （17） Ｂ＝1/λ０−（1/n/0）（δn/δλ） である。式（10）と式（11）からｇ（ｑ）の値をとり、
Δλδlqを含む項を無視すると、式（16）は （18） −２πn0｛ｐ（ｋ）ΔλＢδLq｝）／λ０ ＝（φ′q,k−φ′1,k）−（φ′q,3−φ′1,3） になる。この式の右辺における位相は第２の結合器に全
て適用され、式（１）〜（５）などの表現で計算でき
る。右辺はｋの関数ｆとｑの関数Ａの積として書くこと
ができる。
（19） （φ′q,k−φ′1,k）−（φ′q,3−φ′1,3）＝ｆ（ｋ）Aq 式（11）を用いると、式（18）を （20） mq＝ｍ′Aq と書くことができる。ここに （21） ｍ′＝ｆ（ｋ）/2πｐ（ｋ）ΔλＢ である。パラメータｍ′は実数である。ｆ（ｋ）＝−ｐ
（ｋ）であるとすると、mqはｋとは独立で、mqはアレイ
チャネルWqの長さ増分を決定するから、長さ増分はｋと
は独立である。したがって、アレイチャネルの長さの１
つの選択によって波長がλｋの放射線を、ｋの全ての値
に対して出力端子Ｏ′ｋまで最適に伝送する。装置の出
力端子における、式（13）によって定められる、波長の
オーダーは第２のMMI結合器の位相差のｋに依存する部
分ｆによって決定される。同様に、式（11）によって定
められる、アレイチャネルの長さ増分δLkはｑに依存す
る部分Ａによって決定される。
例として、長さ増分はＮ×ＮのMMIに対しては第２の
結合器として計算される。MMIに対する関数ｆ（ｋ）とA
qは式（４）と（５）から得ることができる。
（22） ｆ（ｋ）＝（３−ｋ）/2＋aN奇数のｋに対して （23） ｆ（ｋ）＝（２＋ｋ）/2＋aN偶数のｋに対して （24） Aq＝２π｛（１−ｑ）/2＋rqN｝/N 奇数のｋに
対して （25） Aq＝２π｛q/2＋rqN｝/N 偶数のｋに対して パラメータａとrqは自由に選択可能な整数である。それ
らの整数は２πの関連しない係数をMMIの位相差に加え
るだけである。
Aqに対する表現形式が式（20）を次のように書くこと
を可能にする。
（26） mq＝−mNAq/2π またはｍ′＝−mN/（２π）。mqとN/（２π）Aqは整数
であるから、ｍも整数のはずである。ｍ′のこの特定の
選択に対して式（21）を次のように書くことができる。
（27） λ0/Δλ＝Nmλ0B＝Ｎ｛n0/λ０−δn/δλ｝ｍλ0/n0 この式はデマルチプレクサの分解能λ／Δλを階層の形
式に類似する階層で与える。たとえば、ボーン（M.Bor
n）およびウルフ（E.Wolf）著「光学の原理（Principle
s of Optics）」第６版、1980年、410ページ、パーガモ
ン・プレス（Pergamon Press）を参照されたい。Ｎは等
しい階層の段階の数、ｍλ0/n0は段階の経路長の差、ｍ
は階層を用いる次数である。したがって、装置の分解能
はＮとｍの特定の値を選択することによって選択でき
る。
アレイチャネルの長さ増分は今は式（11）と（26）か
ら、式（24）と（25）を用いて （28） n0δLq＝sqmλ０ になる。
（29） sq＝（１−ｑ）/2＋rqN 奇数のｑに対して （30） sq＝q/2＋rqN 偶数のｑに対して rqの特定の選択に対してアレイチャネルの求められてい
る長さ増分δLqが得られる。隣接するアレイチャネルの
長さの差（δLq−δLq-1）は整数関数（sq−sq-1）に基
本長さｍλ0/n0を乗じたものである。rqが整数でなけれ
ばならないという要求に組合わせた、式（29）と（30）
から、（sq−sq-1）は常にｑに依存すると結論できる。
したがって、長さの差はｑに依存する。したがって、前
記ヨーロッパ特許第0565308号明細書から知られている
ように、一定の長さの差を持つチャネルアレイは本発明
の光学装置の位相関係を満たすことはできない。長さの
差のｑ依存性はＮ×ＮのMMI出力結合器を用いるデマル
チプレクサに対して得られたものであって、あらゆる種
類のMMI入力結合器に対しても基本的には妥当である。
第１図の装置におけるアレイチャネルの構成は、チャ
ネルの数ｑが増加するにつれてチャネルの長さを長くし
なければならないという要求を課す。そうするとrqは次
の条件を満たさなければならない。
（31） rq−rq-1＞（ｑ−１）/N 奇数のｑに対して （32） rq−rq-1＞（１−ｑ）/N 偶数のｑに対して パラメータrqの下記の選択はこの条件を満たす。
（33） rq＝（ｑ−１）/2 奇数のｑに対して （34） rqq/2−１ 偶数のｑに対して そうすると （35） n0δLq＝sqmλ０ ここに （36） sq＝（１−ｑ）/2＋（ｑ−１）N/2 奇数のｑに
対して （37） sq＝q/2＋（q/2−１）Ｎ 偶数のｑに対して 上記の設計に従って２×４のMMIと４×４のMMIを有す
る光学装置は、δLq≡δlq＋δLqによって与えられる長
さのチャネルを有する位相を調整されたアレイを有す
る。ここに、ｑ＝1,2,3,4に対してそれぞれδlq＝０お
よびδLq＝,1,3,6である。式（13）およびｐ（ｋ）＝−
ｆ（ｋ）によって定められる出力波長のオーダーは出力
端子Ｏ′１〜Ｏ′4:λ０−Δλ，λ０−２Δλ，λ０お
よびλ０−３Δλに対するものである。
第１図に示す４チャネル集積WDM装置を、第３図に示
すリブ−導波器構造40を用いてInGaAsP/InPで実現し
た。導波器の層を金属−酸化物気相エピタキシ（MOVP
E）によってn+−InP基板41の上で成長させた。バンドギ
ャップが1.3μｍである４元InGaAsP誘導層43が、低濃度
にドープされた0.8μｍのn-−InP層42で基板から分離さ
れる。リブ44の外側の誘導層部分の厚さは0.5μｍ、リ
ブの高さは0.1μｍである。誘導層43のより厚い部分44
は導波器を形成する。誘導層のリブはInP層のスタック
によって被覆される。このInP層のスタックはリブの上
の0.3μｍ厚さのInP層45と、その上の低濃度にドープし
た厚さが0.9μｍのp+−InP層46と、最も外側の低濃度に
ドープした厚さが0.3μｍのp+−InP層47とを含む。低濃
度のドープが導波器の吸収損失を低く保つ。導波器はマ
グネトロン−エンハンスドCH4/H2反応イオンエッチング
でパターン化した。
この装置のチャネルは幅が３μｍの導波器である。第
2B図に示す２×４のMMIである、第１の結合器の幾何学
的な幅および長さはそれぞれ29.2μｍおよび638μｍで
ある。入力導波器と内側出力導波器が実効結合器幅Ｗ＝
30μｍの1/3と2/3の所に置かれる。外側出力導波器の中
心−中心間隔は20μｍである。第2C図に示す４×４のMM
Iである、外側結合器の幾何学的な幅は実効幅20μｍに
対応して19.2μｍであり、長さは850μｍである。ポー
トの間の距離2dはW/Nに等しく選択して、４つのポート
を等しい距離にする。入力導波器と出力導波器の中心−
中心間隔は５μｍである。導波器WqとWlの間の長さ増分
ΔLq＝δlq＋δLqが上記の設計規則を満たすようにアレ
イ導波器は設計される。式（10）で定められるδlqの値
は、第１の結合器と第２の結合器の特定の選択によっ
て、全てのｑに対して零である。δLqの値は式（35），
（36），（37）の助けによって決定される。ｍ＝98およ
びλ０＝544nmの選択に対して、基本長さｍλ0/n0は151
/n0μｍに等しい。sqの値はｑ＝1,2,3,4に対してそれぞ
れ0,1,3,6である。波長間隔Δλは、８×10-5の波長分
散（I/n0）δn/δλを用いて式（27）から決定できるよ
うに約3.5nmである。アレイ波長の長さに対する結果と
しての値は、直線導波器および曲りにおける指数の計算
のための実効指数法を用いて幾何学的長さに変換され
る。実効指数法はベル・システム・テクニカル・ジャー
ナル（Bell System Technical Journal）48（７）196
9、2103〜2132ページ所載の、マーカティリ（E.A.J.Mar
catili）による「集積光学用誘電体長方形導波器および
方向性結合器（Dielectric redtangular waveguide and
directional coupler or integrated optics）」に記
載されている。装置の全体の寸法は2.1×2.1mm2であ
る。湾曲したアクセス導波器を半径1mmおよび間隔250μ
ｍで設計した。導波器内部で強く横に閉じ込めたことに
よって、偏光とはほとんど独立している特性のMMIが得
られた。しかし、導波器構造自体は複屈折のままであ
る。装置の伝送関数の半値全幅（FWHM）は約1.5nmであ
る。
本発明の光学装置の別の実施例においては、位相を調
整したアレイがＳ形をしている。第４図はこの装置の特
定の実施例を示す。この実施例は２つの入力チャネルUj
と、４つのアレイチャネルWqと、４つの出力チャネルVk
とを有するデマルチプレクサの形をとっている。Ｓ形の
アレイは、ｑの数が大きくなるにつれてチャネルの長さ
を長くしなければならないという要求を課すものではな
い。したがって、パラメータrqの選択にはより大きな自
由度が存在する。その自由度を用いて装置の波長伝送特
性を修正できる。第４図に示すアレイの設計は、全ての
ｑに対してrq＝０を選択することを基にしている。各ア
レイチャネルの長さ増分、すなわち、アレイチャネルWq
とチャネルW1との間の長さの差は、 （38） n0δLq＝sqmλ０ （39） sq＝（１−ｑ）/2 奇数のｑに対して （40） sq＝q/2 偶数のｑに対して である。Ｎ＝４に対するアレイチャネルの長さ増分はδ
Lq＝0,1,−1,2にｑ＝1,2,3,4に対するｍλ0/n0をそれぞ
れ乗じたものである。増加する長さの順におけるチャネ
ルの序数はｑ＝3,1,2,4である。式（39）と（40）か
ら、隣接するチャネルの間の長さの差の絶対値|sq−s
q-1|mλ0/n0（ｑ≧２）はｑの関数としての単調に増加
する値の列である。この列の隣接する項の符号は異な
る。最初に奇数番のチャネルを減少する順序で取り、次
に偶数番のチャネルを増加する順序で取ると、チャネル
の長さは単調に増加する。
式（38），（39），（40）は、チャネルの長さをそれ
の序数の関数として指定することによってチャネルの構
成を定める。ある整数を選択し、これを式（39）と（4
0）によって与えられるsqの値に加え、sqモジュロＮの
新しい値を取ることによって他の等しい構成を見出だす
ことができる。第４図に示すチャネルの構成は式（39）
と（40）に従うものであって、種々の長さのチャネルが
各チャネルの直線中間部分の種々の勾配によって実現さ
れる。長さの違いの選択は、より多くの曲りとより多く
の湾曲部分をアレイチャネルで用いることによって増大
できる。チャネルは湾曲した部分のみで構成することも
できる。それによって曲りの曲率半径をより大きくする
ことが可能である。そうすると曲り部における放射線損
失が減少する。
第５図は第１図と第４図のデマルチプレクサの伝送特
性を示す。横軸は入力端子U1に入る放射線の波長を示
し、縦軸は基準出力チャネルV3で測定した伝送度Ｔを示
す。実線はＳ形アレイのデマルチプレクサの伝送度を示
し、破線はＵ形アレイのデマルチプレクサの伝送度を示
す。基準波長λ０は1.550μｍで、その波長では出力チ
ャネルV3は最大を示し、出力チャネルV1,V2,V4は最低伝
送度を持たなければならない。両方の装置でチャネル間
隔Δλは約4mmであるから、出力チャネルV1,V2,V4は波
長1.546μｍ、1.542μｍ、1.538μｍに対して最大伝送
度を示さなければならず、それらの波長に対して出力チ
ャネルV3は第５図に示すように最低伝送度を有する。後
者は装置の設計の結果である。理論的には、ある出力チ
ャネルから別の出力チャネルへの漏れは零である。しか
し、製造許容誤差のために、伝送度の最低値は零ではな
く、その結果として有限の漏れが生ずる。製造許容誤差
の影響は前記波長1.546μｍ、1.542μｍ、1.538μｍの
周囲の伝送度が最低の幅によって決定される。幅が広く
なると、許容誤差の影響は小さくなる。図から、波長1.
546μｍの周囲に描いたカーブの最低値の幅は破線のそ
れの２倍広い。したがって、Ｓ形アレイを持つ装置は製
造の不正確さによって受ける影響は小さく、したがっ
て、それの漏れはＵ形アレイを持つ装置の漏れより少な
い。
第６図は本発明の光学装置の、光チャネルの経路長を
大きく変化させることができるように実施例を示す。２
つの８×８のMMI61,62が８つのチャネルによって接続さ
れる。チャネルの１つ、63が真っ直ぐであることが好ま
しい。他のチャネルの各１つはほぼ同一の形の１つまた
は複数の曲りを持つことができ、チャネルの曲りの数が
増加するとチャネルの経路長さが長くなる。曲りの形
は、第６図に示すように、ほぼ閉じた輪、正弦の周期の
半分、または鐘の形とすることができる。曲りは直線部
分と、恐らく曲率半径が異なる円形部分との少なくとも
１つを含むことができる。第６図に示すように、経路長
さは、チャネルの序数の増大とともに増大する必要はな
い。たとえば、チャネル64,65,66はそれぞれ６つ、２つ
および４つの曲りを有する。したがって、経路長さが増
加するチャネルの序数は65,66,64である。
上の節で説明した本発明の光学装置の実施例は受動ア
レイ、すなわち、制御可能ではないアレイ、を備える。
しかし、アレイのチャネルの上に電極を配置することに
よってアレイを能動的にできる。このようにして、注入
電流の電界をチャネルに加えることができる。電極を設
けたチャネルの漏れを第７図に示す。リブ−導波器構造
70は、第３図に示すリブ−導波器構造40と同じ層41,46
を有する。層46は、高濃度にドープされたp+−InP層71
と高濃度にドープされたp+−InGaAs層72によって被覆さ
れる。たとえば、層72の上にTiPtAu合金によって被覆さ
れた金属層73が第１の電極を形成する。基板41が第２の
電極を形成する。この装置は、調整可能な電圧を２つの
電極に加え、または２つの電極に電流を流すことによっ
て、制御できる。
一実施例においては、アレイの各チャネルの上に別々
の電極を配置できる。各電極に個々の電圧を加えること
によって、装置の伝送関数の希望の調整を行うことがで
きる。電圧を適切に選択することによってMMI中の光路
の間の位相差を補償でき、それによってチャネルの小さ
い長さ増分δlqを不要にする。大きい増分δLqが装置の
伝送関数の形を決定する。
別の実施例においては、チャネルの上に配置されてい
る電極の長さが、全ての電極に同じ電圧を加えることが
できるようにして、チャネルの序数に適合させられる。
そうすると、チャネルの上の電極の長さを、そのチャネ
ルと基準チャネルの間の長さの差に比例しなければなら
ない。第８図は第１図のWDMに電極を設けた実施例を示
す。チャネル１を基準チャネルとして選択したから電極
を持たない。チャネルｑ＝2,3,4上の３つの電極74,75,7
6の長さは、式（37）で与えられるこの実施例は長さ増
分δLqによって規定されているように、それぞれ１対３
対６の比にある。
第９図は第６図に示すような種類の正弦アレイのWDM
を示す。ただしチャネルの上に電極が配置される。２つ
の結合器が素子77,78によって示されている。１つの長
方形電極がチャネルの内部の各正弦曲りの部分の上に配
置できる。チャネルの電極が上に配置される部分の全長
が、そのチャネルと真っ直ぐなチャネルの間の長さの差
に比例するように、この電極の幅を選択しなければなら
ない。電極の容量を減少するため、または製造上の理由
から、各導波器の上の１つまたは複数の小さい電極で置
き換えることができる。等しい電圧をそれらの電極に加
えるためにそれらの電極は電気的に接続される。第９図
のチャネル79a,79b,79cの上に、太い線で示すように、
そのような小さい電極が配置される。チャネルの１つに
おける電極の長さは、チャネルとチャネル80の間の長さ
の差に比例する。
第10図は電極が異なって配置された第９図のWDMの実
施例を示す。アレイの電極を含む部分の拡大部81は、チ
ャネル85,86,87の上に配置されている３個の電極82,83,
84を示す。電極の長さは対応するチャネルと真っ直ぐな
チャネル80の間の長さの差に比例する。チャネル80,85,
87の上のそれぞれの３個の電極88,89,90が、電極が上に
配置されている各チャネルの全長がすべてのチャネルで
等しいような長さを有する。こうすることによって、電
極によるチャネルの損失が全てのチャネルで等しく、そ
れによって装置の漏れの劣化を避ける。
以上、波長デマルチプレクサについて本発明を説明し
たが、範囲は波長マルチプレクサと波長送り器（router
s）も含むことが明らかであろう。それらのマルチプレ
クサはデマルチプレクサの動作とは逆の動作を行う。本
発明の装置の伝送の固有の周期性によって、それを光通
信装置に使用するのに非常に適当にする。たとえば、単
一の入力チャネルと単一の出力チャネルを有する位相調
整アレイ装置が光くし形フィルタとして動作する。Ｓ形
構成のアレイチャネルの長さ増分δLqが零に等しくされ
ると、装置は分散パワーを持たず、平レンズとして動作
する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９５２００１８２．４ (32)優先日 平成７年１月26日(1995．1．26) (33)優先権主張国 欧州特許機構（ＥＰ） (72)発明者 メルヒオー，ハンス スイス国チューリッヒ、フロイデンベル クシュトラーセ、101／エフ１ (72)発明者 シュミット，マイント ケルト オランダ国デルフト、グルートホーフ、 10 (72)発明者 バン、ダム，コルネリス オランダ国ゼーターメール、リッセンバ ールト、98 (56)参考文献 特開 平４−326308（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−323246（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−171115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−57457（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−27339（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−235901（ＪＰ，Ａ) 国際公開92／11551（ＷＯ，Ａ１) 国際公開92／11554（ＷＯ，Ａ１) 国際公開92／11550（ＷＯ，Ａ１) Ｂｅｓｓｅ ｅｔ．ａｌ．，Ｐｒｏｃ ｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒ ｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏ ｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃ ｓ，Ａｐｒｉｌ 18−22 1993，ｐｐ. ２−21−２−23 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/12 - 6/14 G02B 6/28 - 6/34 G02F 1/00 - 1/035 G02F 1/29 - 3/02

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の結合器と、第２の結合器と、第１の
    結合器の出力端子を第２の結合器の入力端子に接続して
    分散アレイを形成する複数の少なくとも３つの光チャネ
    ルとを備え、少なくとも１つの結合器がマルチモード画
    像形成部品であり、かつ、マルチモード画像形成部品中
    の光路の間の位相差が、チャネルの光路長さの差によっ
    て補償されることを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】請求の範囲１記載の光学装置であって、隣
    接するチャネルの間の光路長の差が基本長さの整数関数
    倍にほぼ等しく、関数の値はアレイ中の隣接するチャネ
    ルの序数に依存することを特徴とする光学装置。
  3. 【請求項３】請求の範囲１記載の光学装置であって、第
    １の結合器がＮ個の出力端子を有し、第２の結合器がＮ
    個の入力端子とＮ個の出力端子を有し、Ｎは２より大き
    い整数であることを特徴とする光学装置。
  4. 【請求項４】請求の範囲１記載の光学装置であって、少
    なくとも３つの光チャネルがＳ形に構成されることを特
    徴とする光学装置。
  5. 【請求項５】請求の範囲４記載の光学装置であって、光
    チャネルと、より高い序数の隣接する光チャネルの間の
    光路長の差の絶対値が序数の単調に増加する関数であ
    り、２つの連続する差が異なる符号を持つことを特徴と
    する光学装置。
  6. 【請求項６】請求の範囲１記載の光学装置であって、ア
    レイの種々の光チャネルが異なる数のほぼ同一の曲りを
    持つことを特徴とする光学装置。
  7. 【請求項７】請求の範囲１記載の光学装置であって、少
    なくとも１つのチャネルに位相変化を導入するために少
    なくとも１つのチャネルの上に電極を配置することを特
    徴とする光学装置。
  8. 【請求項８】請求の範囲７記載の光学装置であって、少
    なくとも２つのチャネルの上に１つの電極が配置される
    ことを特徴とする光学装置。
  9. 【請求項９】請求の範囲７または８記載の光学装置であ
    って、電極が上に配置されているチャネルの長さは、そ
    のチャネルと基準チャネルの間の光路長さの差に比例す
    ることを特徴とする光学装置。
  10. 【請求項１０】請求の範囲７記載の光学装置であって、
    各チャネルの上に少なくとも１つの電極とダミー電極が
    配置され、電極が上に配置されているチャネルの全長は
    等しいことを特徴とする光学装置。
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