JP3516425B2 - 光信号処理回路およびそれを用いたネットワーク - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の波長の光信
号を小さなクロストークで合分波またはルーチングする
光信号処理回路およびそれを用いたネットワークに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図１６は、周期性をもつ光合分波手段で
あるアレイ格子フィルタの構成例を示す。図において、
アレイ格子フィルタは、入力用導波路アレイ３１、入力
側コンケイブスラブ導波路３２、導波路長差ΔＬで順次
長くなるアレイ導波路３３、出力側コンケイブスラブ導
波路３４、出力用導波路アレイ３５を順次接続した構成
である。

【０００３】入力用導波路アレイ３１の所定の入力ポー
トから入射された光は、入力側コンケイブスラブ導波路
３２において回折により広がり、その回折面と垂直に配
置された導波路アレイ３３に導かれる。導波路アレイ３
３は、各導波路が導波路長差ΔＬで順次長くなっている
ので、各導波路を伝搬して出力側コンケイブスラブ導波
路３４に到達した光には導波路長差ΔＬに対応する位相
差が生じている。この位相差は波長（光周波数）により
異なるので、出力側コンケイブスラブ導波路３４のレン
ズ効果で出力用導波路アレイ３５の入力端に集光する際
に、波長（光周波数）ごとに異なる位置に集光する。こ
こで、１つの光路においてその光路長が複数の波長の整
数倍になりうる。すなわち、アレイ格子フィルタでは各
光路を通過できる波長は複数個あり、周期性をもつ合分
波器として機能させることができる。

【０００４】アレイ格子フィルタは、入力ポートと入力
波長が決まると出力ポートが一意に決まる。一方、入力
ポートを変えずに入力波長を変えると出力ポートが変化
する。また、入力波長を変えずに入力ポートを変えても
出力ポートが変化する。ただし、任意の波長の入出力が
可能ではなく、アレイ格子フィルタの設計値を満足する
一定間隔の波長のみが通過できる。さらに、アレイ格子
フィルタは周期性を有しており、通過波長間隔をΔλ、
チャンネル数（入出力ポート数）をａとすると、各出力
ポートにはΔλ・ａ間隔の波長の光信号が出力される。

【０００５】図１７は、アレイ格子フィルタの透過特性
を示す。これは、チャンネル数ａが16で、所定の入出力
ポート間で入力波長のみを変化させたときの結果であ
る。設計中心波長は1551ｎｍ、通過波長間隔Δλは１ｎ
ｍである。所定の出力ポートの通過波長間隔が16（＝１
×16）ｎｍになっていることがわかる。入出力ポートを
変化させると16ｎｍ間隔は変化せず、通過波長間隔Δλ
の整数倍シフトする。

【０００６】一方、マッハツェンダを多段に接続し、多
チャンネルの合分波器を構成する方法が提案されてい
る。図１８は、多段接続したマッハツェンダ合分波器の
構成およびその合分波動作を示す。マッハツェンダは２
×２の入出力を有する合分波器であり、周期に従って信
号ポートが切り替わる。この周期を２倍、３倍にして多
段接続することにより、多チャンネルの合分波が可能に
なる。周期がf_Sのマッハツェンダ４１に間隔がf_Sの連続
した信号f_i（ｉは１〜４）が入力されると、一方はf₁と
f₃、他方はf₂とf₄の周期2f_S の信号に分離される。これ
らを周期2f_S のマッハツェンダ４２−０，４２−１に入
力すると、各出力ポートから１波長ずつ分波されて出力
される。

【０００７】また、アレイ格子フィルタのように複数の
入出力ポートを有する合分波器を多段に縦続接続し、多
チャンネルの合分波器を構成する方法も提案されている
（参考文献： Richard A. Barry and Pierre A. Humble
t, "Latin routers, designand implementation", J. L
ightwave Technol., vol.11, no.5/6, pp.891-899)。こ
こでは、縦続接続された各段の合分波器のチャンネル数
を互いに素の整数にすることにより、最大で各段のチャ
ンネル数の積と同数の入出力チャンネルが実現できるこ
とが示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】現在、アレイ格子フィ
ルタの入出力ポート数は32×32程度のものが実現できる
が、それ以上のものは製作が困難になっている。また、
アレイ格子フィルタにおいて、入力波長と入力ポートが
決まると出力ポートが一意に決まるが、実は他の出力ポ
ートにも光信号の一部が出力される。以下、所定の出力
ポートの光信号パワーと他ポートへの漏れ込みパワーの
比を抑圧比という。図１７に示す例では、設計中心波長
近傍で抑圧比が35dB程度あるが、設計中心波長から離れ
たところでは抑圧比が30dB以下になっている。これは、
アレイ格子フィルタのチャンネル間で特性の不均一が生
じているためである。

【０００９】さらに、アレイ格子フィルタの出力ポート
数がＮあり、波長多重された光信号が各出力ポートから
分波されて出力される場合に、各出力ポートには信号成
分と（Ｎ−１）個の他ポートからの漏れ込みがあること
になる。すなわち、出力ポート数の増加はそれだけ他ポ
ートからの漏れ込みが増えることを示しており、多チャ
ンネル構成のものほどクロストークによる影響が大きく
なる。

【００１０】また、マッハツェンダを多段接続した構成
では、マッハツェンダ単体は２×２の入出力であるの
で、全体のチャンネル数を増加させるとマッハツェンダ
の個数も増加する。７段構成の場合のチャンネル数は12
8(＝2⁷）であり、必要なマッハツェンダの数は127(＝2⁰
＋2¹＋…＋2⁶＝2⁷−１）となる。また、複数の入出力ポ
ートを有する合分波器を多段接続して多チャンネル化を
図った構成では、チャンネル数に比例して大きくなるク
ロストークに対する考慮がなされていなかった。

【００１１】ところで、各ノードに多チャンネルの合分
波器を配置し、各ノードから出力されるそれぞれ異なる
波長の光信号を１つの光ファイバで合波させる波長多重
伝送システムがある。このシステムでは、互いに異なる
ノードからある１つのノードへの信号波長が同一になる
と、フィルタ等で送信ノードを識別することができなく
なり、システムの特性を劣化させることになる。以下、
この現象を同一波長によるクロストークという。これ
は、送信ノードでの合分波処理が不完全で、信号波長以
外の波長成分も出力される場合に起こる。従来の波長多
重伝送システムでは、このような同一波長によるクロス
トークに対する根本的な対策がなされていなかった。

【００１２】本発明は、多チャンネルの合分波器または
ルータとしてクロストーク特性を改善し、さらにクロス
トークフリーを実現した光信号処理回路、さらにそれを
ノードに用いて同一波長によるクロストークの発生を抑
えたネットワークを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の光信号処理回路
は、縦続接続された各段の光合分波手段（アレイ格子フ
ィルタ）のチャンネル数a₁，a₂，…，a_nが互いに素で、
かつＮ^1/n に近い整数値に設定することを特徴とする
（請求項１）。ただし、ｎは接続段数であり、Ｎは全体
のチャンネル数であり、Ｎ＝a₁・a₂・…・a_nとなる。

【００１４】従来の構成法は、多チャンネルの合分波器
を実現することに主眼があり、上述したように各段のア
レイ格子フィルタのチャンネル数が互いに素の関係にあ
るという条件のみがあった。本発明の光信号処理回路
は、さらにクロストーク特性が良好になるように、各段
のアレイ格子フィルタのチャンネル数をＮ^1/n に近い整
数に設定する条件を付加する。

【００１５】まず、チャンネル数が互いに素となるアレ
イ格子フィルタを多段に縦続接続することにより、多チ
ャンネルの合分波器を構成できる理由について説明す
る。所定の波長λ_i が、チャンネル数ｐ，ｑ，ｒのアレ
イ格子フィルタの所定の出力ポートから出力された場合
に、チャンネル数ｐのアレイ格子フィルタではその周期
性によりλ_i+p ，λ_i+2p，λ_i+3p，…の信号も同時に通
過する。同様に、チャンネル数ｒのアレイ格子フィルタ
ではλ_i+r ，λ_i+2r，λ_i+3r，…の信号も同時に通過す
る。よって、ｐ，ｒが互いに素でその最小公倍数がｐｒ
となるので、両者を同時に通過できるのはλ_i+prとな
る。これは、全体のチャンネル数がｐｒに拡張され、合
分波できる波長数が増えたことを示す。３段構成の場合
にも同様にｐｑｒの周期の信号が出力される。

【００１６】次に、各段のアレイ格子フィルタのチャン
ネル数をＮ^1/n に近い整数に設定することにより、クロ
ストーク特性が改善される理由について説明する。ｎ段
縦続に接続されるアレイ格子フィルタのチャンネル数
a₁，a₂，…，a_nが互いに素であると、全体のチャンネル
数Ｎはa₁・a₂・…・a_nとなる。ここで、周期a₁・a₂・…
・a_n-1の信号はチャンネル数a_nのアレイ格子フィルタの
みが通過帯域外となり、他の段のアレイ格子フィルタで
は減衰を受けない。アレイ格子フィルタ単体の抑圧比が
大きい場合には、２回以上減衰を受けるような信号は出
力信号にクロストークとして影響を及ぼさない。一方、
１度のみ減衰を受ける信号は、単体のアレイ格子フィル
タにおける他チャンネルからのクロストークと同一であ
り、その影響を考慮する必要がある。

【００１７】同様に、チャンネル数a_k（１≦ｋ≦ｎ）の
アレイ格子フィルタのみで減衰する信号は、周期がa₁・
a₂・…・a_k-1・a_k+1・…・a_nで、その数が Ｎ／（a₁・a₂・…・a_k-1・a_k+1・…・a_n）−１＝a_k−１ …(2) となる。これらは、出力にクロストークとして影響して
くる。そのため、多段接続時に全チャンネル分の信号
（Ｎ＝a₁・a₂・…・a_n）を入力した場合に、クロストー
ク成分として影響するチャンネルの数は

【００１８】

【数１】

【００１９】となり、単体のアレイ格子フィルタの場合
の数（Ｎ−１）よりも減少する。ここで、相加相乗平均
を利用すると、

【００２０】

【数２】

【００２１】であり、a₁＝a₂＝…＝a_n＝Ｎ^1/n のときに
理論上クロストークが最小になる。実際には、各段のチ
ャンネル数は互いに素という条件があるので、クロスト
ーク特性がよく、かつ多チャンネルの合分波器を構成す
るには、各段のチャンネル数がＮ^1/n に近い整数でかつ
互いに素であればよい。また、接続段数を増やしたとき
の最小クロストークαｎ(Ｎ^1/n−１）の値について説明
する。ただし、αはアレイ格子フィルタ単体の抑圧比で
ある。

【００２２】

【数３】

【００２３】であるので、ｎ→∞で、

【００２４】

【数４】

【００２５】となる。よって、接続段数を大きくしてい
くと、クロストークはαlnＮに収束する。なお、マッハ
ツェンダの多段接続構成においても同様の効果が期待で
きる。しかし、アレイ格子フィルタが通過帯域以外は比
較的均一な通過損失であるのに対して、マッハツェンダ
は周期が長い場合に通過損失が小さいチャンネルが増え
るので、アレイ格子フィルタよりもクロストーク改善の
効果は小さい。

【００２６】また、光合分波手段の各光路上の通過波長
以外の波長成分が、少なくとも２段の光合分波手段で除
去されるように接続し、さらに入力または出力される波
長多重光の波長多重数が、min(N/a₁，N/a₂，…，N/a_n)
以下とすることにより、クロストークフリーの出力ポー
トを有する光信号処理回路を実現することができる（請
求項２，４）。

【００２７】また、各段の光合分波手段の各チャンネル
の中心通過幅σは、光合分波手段の各チャンネル中心通
過周波数の誤差をδ、光合分波手段の隣接チャンネル抑
圧比をαとしたときに、σ＝（１−δ)／｛２ln（１／
α)｝^1/2 の近傍に設定する（請求項１）。また、光合
分波手段の接続段数を２または３とする（請求項３）。
光合分波手段に製作誤差がなければ、接続段数に比例し
てクロストーク特性を改善することができる。しかし、
製作誤差がある場合には、クロストーク特性の改善効果
が得られる接続段数に限界がある。

【００２８】また、各ノードを光ファイバにバス型に接
続したネットワークにおいて、ネットワークの各ノード
の入出力部に上記の光信号処理回路を含むことにより、
同一波長によるクロストークの発生を抑えることができ
る（請求項５）。

【００２９】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態を
示す（請求項１）。図において、チャンネル数５のアレ
イ格子フィルタ１１と、チャンネル数６のアレイ格子フ
ィルタ１２−ｉ（ｉは０〜４）は、木構造状に縦続に接
続されている。波長多重光（波長λ₁ 〜λ₃₀）がアレイ
格子フィルタ１１の所定の入力ポートに入力され、アレ
イ格子フィルタ１１，１２−ｉを通過するごとに分波さ
れ、アレイ格子フィルタ１２−ｉの各出力ポートから各
波長の光信号が出力される。

【００３０】ここで、アレイ格子フィルタ１１，１２−
ｉの機能について説明する。一定波長間隔の信号をアレ
イ格子フィルタに入力すると、その波長に応じて出力ポ
ートが変化する。そのため、チャンネル数ｐのアレイ格
子フィルタは、それ単体で最大ｐ波の信号を分波するこ
とができる。また、アレイ格子フィルタは周期性をもっ
ており、ｐ波以上の信号を所定の入力ポートに入力した
場合には１周期離れた２波以上の信号が出力される出力
ポートが存在する。すなわち、チャンネル数ｐのアレイ
格子フィルタのある出力ポートでは、λ_i ，λ_i+p ，λ
_i+2p，…といった一定周期の信号が出力される。このと
き、他の出力ポートではλ_j ，λ_j+p ，λ_j+2p，…とい
った信号が出力される。また、入力ポートの位置を１つ
ずらすと、透過中心波長と出力ポートの対応関係が１チ
ャンネルずつ巡回的にシフトする。

【００３１】この周期性により、入出力ポート数が５の
アレイ格子フィルタ１１の出力は、λ₁,λ₆,λ₁₁, …,
λ₂₆と、λ₂,λ₇,λ₁₂, …, λ₂₇と、λ₃, λ₈, λ₁₃,
…,λ₂₈と、λ₄,λ₉,λ₁₄, …, λ₂₉と、λ₅,λ₁₀, λ
₁₅, …, λ₃₀に分けられる。次に、入出力ポート数が６
のアレイ格子フィルタ１２−０の出力は、λ₁, λ₆,λ
₁₁, …, λ₂₆が１波長ごとに分波される。他のアレイ格
子フィルタ１２−ｉにおいても同様に１波長ごとに分波
される。

【００３２】なお、入力された波長多重信号が各波長ご
とに分波されることは、各段のアレイ格子フィルタのチ
ャンネル数が互いに素であるという条件と、入力信号の
波長多重度が各段のチャンネル数の積以下であるという
条件により保証される。また、チャンネル数が小さいア
レイ格子フィルタから順番に縦続接続することにより、
合分波器全体のアレイ格子フィルタの個数を減らすこと
ができる。いま、チャンネル数a₁，a₂，…，a_nのアレイ
格子フィルタを順番に木構造状に縦続接続するとする。
このとき、必要なアレイ格子フィルタの個数は、 １＋a₁＋(a₁・a₂)＋…＋(a₁・…・a_n) となる。ここで、アレイ格子フィルタの順番を変えたと
き、この式の第ｉ項は、a₁，a₂，…，a_nの中から互いに
異なる（ｉ−１）個を選んだときの積となる。したがっ
て、チャンネル数が小さいアレイ格子フィルタから順番
に並んでいる場合には、その第ｉ項はa₁，a₂，…，a_nの
中から小さい順番で選んだ（ｉ−１）個の積となり、最
小の組み合わせと一致する。これにより、必要なアレイ
格子フィルタの個数を減らすことができる。

【００３３】また、図１に示すアレイ格子フィルタ１
１，１２−ｉでは、１番上の入力ポートを使用している
が、任意の入力ポートを選択することができる。入力ポ
ートの位置を変えることにより、各出力ポートの信号波
長が変わる。また、初段のアレイ格子フィルタ１１と第
２段のアレイ格子フィルタ１２−ｉの接続を変えなくて
も、アレイ格子フィルタ１１の入力ポートを変えるだけ
で出力ポートの波長を変えることができる。

【００３４】以上の説明は、入力信号が分波される分波
器としての動作を示したが、個々の部品が対称性をもつ
ので、アレイ格子フィルタ１２−ｉから入力してアレイ
格子フィルタ１１から出力すれば、合波器として機能さ
せることもできる。次に、各段のアレイ格子フィルタの
チャンネル数をＮ^1/n に近い整数に設定することによ
り、クロストーク特性が改善されることを図２および図
３を参照して具体的に説明する。

【００３５】図２において、(1) はチャンネル数５のア
レイ格子フィルタ１１の透過特性を示し、(2) はチャン
ネル数６のアレイ格子フィルタ１２−ｉの透過特性を示
し、(3) はアレイ格子フィルタ１１，１２−ｉを縦続接
続し、チャンネル数30としたときの透過特性を示し、
(4) は単体でチャンネル数30のアレイ格子フィルタの透
過特性を示す。チャンネル数５のアレイ格子フィルタ１
１の透過特性(1) は、５チャンネル周期の透過出力1-1
と、その他の出力1-0,1-2 に分けられる。チャンネル数
６のアレイ格子フィルタ１２−ｉの透過特性(2) は、６
チャンネル周期の透過出力2-2 と、その他の出力2-0,2-
1 に分けられる。

【００３６】透過出力1-1,2-2 のレベルをａとし、その
他の出力1-0,1-2,2-0,2-1 のレベルをｂとすると、アレ
イ格子フィルタ単体の抑圧比はａ／ｂで定義される。ア
レイ格子フィルタを縦続接続したときの出力は、各アレ
イ格子フィルタの透過特性の積で表される。アレイ格子
フィルタ単体の抑圧比が十分大きい場合には、２回以上
帯域外を通過するチャンネルについては出力として現れ
ない。図２では、１回のみ通過帯域外となる1-1 と2-1
の積が3-1 として、また1-2 と2-2 の積が3-2として出
力されるが、２回以上通過帯域外となる1-0 と2-0 の積
は出力として現れない。

【００３７】このとき、１回のみ通過帯域外を通るチャ
ンネルのうち、チャンネル数５のアレイ格子フィルタ１
１のみが帯域外となるチャンネル数は、残りのアレイ格
子フィルタの通過帯域となるチャンネル数に等しいの
で、30／６−１＝４となる。なお、３段以上の縦続接続
の場合には残り２段以上ですべて通過帯域となる必要が
ある。同様に、チャンネル数６のアレイ格子フィルタ１
２−ｉのみが帯域外となるチャンネル数が30／５−１＝
５となる。すなわち、クロストークとなるチャンネルは
合計で９チャンネルとなる。チャンネル数30のアレイ格
子フィルタの場合には29チャンネルのクロストークがあ
るので、クロストーク成分が20チャンネル分低減された
ことになる。

【００３８】また、積が30となる２つの素数の組み合わ
せは、(2,15)、(3,10)、(5,6) がある。図３は、チャン
ネル数10のアレイ格子フィルタと、チャンネル数３のア
レイ格子フィルタを縦続接続した場合の透過特性を示
す。図２で説明したように、縦続接続によりクロストー
クとなるチャンネルは（30／３−１)＋(30／10−１）＝
９＋２＝11となる。このように、全体のチャンネル数30
を２段の縦続接続により構成する場合には、各段のチャ
ンネル数を30^1/2 ＝5.47に近い整数、すなわちチャンネ
ル数５と６の組み合わせとすることにより、クロストー
ク特性を改善できることがわかる。

【００３９】図４は、２段構成により改善されるクロス
トーク量を示す。これは、アレイ格子フィルタを２段縦
続接続し、全体のチャンネル数を変化させ、各全体チャ
ンネル数でクロストーク特性が最適となるように、各段
のチャンネル数をＮ^1/2 に近い互いに素となる整数に設
定したときのクロストーク改善量を示す。計算では、ア
レイ格子フィルタ単体の抑圧比を30dBとした。実点は、
各段が互いに素の整数となる点を示している。太い実線
4-0 は、各段のチャンネル数をＮ^1/2 で構成した場合の
結果をプロットしたものである。このときのクロストー
クが理論上の最小値となる。また、細い実線4-1,4-2,4-
3,…は、アレイ格子フィルタの１段目と２段目のチャン
ネル数の組み合わせ（2,N/2), (3,N/3), (4,N/4), …を
変化させたときの結果である。

【００４０】各段のチャンネル数の組み合わせが（2,N/
2)のときに、クロストークが約３dB改善されるのは、２
段にすることにより他チャンネルからの漏れ込みが約Ｎ
／２に減少するためである。同様に、各段のチャンネル
数の組み合わせが (3,N/3)および(4,N/4) のときにも、
全体のチャンネル数Ｎによらずにクロストークが改善さ
れる。また、所望のチャンネル数で理論値に近い値とな
るとは限らないが、出力チャネル数が 100程度のとき
に、(10,9)や(10,11) などの組み合わせによりクロスト
ークが約７dB改善されることがわかる。

【００４１】（第２の実施形態） 図５は、本発明の第２の実施形態を示す（請求項２，請
求項４）。図において、チャンネル数５のアレイ格子フ
ィルタ１１と、チャンネル数３のアレイ格子フィルタ１
３−０〜１３−４と、チャンネル数２のアレイ格子フィ
ルタ１４−０〜１４−５は、木構造状に縦続に接続され
ている。第１の実施形態で示したように、入力される波
長多重信号は波長に応じて各アレイ格子フィルタでルー
チングされる。λ₁,λ₂,…，λ₆ は、入力信号がルーチ
ングされる様子を示す。また、カッコ内に示すλ₁,λ₂,
…，λ₆ は、１度だけアレイ格子フィルタの帯域外を通
過した信号成分を示す。

【００４２】ここで、波長ルーチングの様子と、そのと
きに発生するクロストークの様子について説明する。ま
ず、信号λ₁ がアレイ格子フィルタ１１に入力すると、
次のアレイ格子フィルタ１３−０にルーチングされる。
このとき、クロストーク成分（λ₁)が他のアレイ格子フ
ィルタ１３−１〜１３−４にルーチングされる。アレイ
格子フィルタ１３−０に入力された信号λ₁ は、次のア
レイ格子フィルタ１４−０にルーチングされる。このと
きにも、クロストーク成分（λ₁)が残りの２つの出力ポ
ートに出力される。一方、アレイ格子フィルタ１３−１
〜１３−４にルーチングされたクロストーク成分（λ₁)
は、信号λ₁ と同様にルーチングされる。このとき、ク
ロストーク成分 (λ₁)からさらにクロストーク成分が発
生するが、アレイ格子フィルタの抑圧比が大きい場合に
は２回以上帯域外を通過したことになるので無視され
る。以上より、信号λ₁ が出力される出力ポートと、１
回だけ帯域外を通過したクロストーク成分（λ₁)が出力
される出力ポートが決まる。

【００４３】同様にして信号λ₂ がルーチングされて出
力される出力ポートと、そのクロストーク成分（λ₂)が
出力される出力ポートが決まる。このとき、クロストー
ク成分（λ₂)がそれ以前に出力ポートを決めた信号λ₁
に重ならないことは、対称性から保証される。以下同様
に、信号λ₃,λ₄,…の出力ポートと、そのクロストーク
成分の出力ポートが決まる。そして、クロストークが発
生していないチャンネルにルーチングできなくなった時
点で、クロストークフリーとなる最大入力波長数と出力
ポートが決定される。このときの最大入力波長数は、全
体のチャンネル数をＮ（＝５×３×２＝30）とおくと、 min(Ｎ／５，Ｎ／３，Ｎ／２）＝Ｎ／５＝６ …(7) で与えられる。一般に、チャンネル数a₁，a₂，…，a_nが
互いに素となるアレイ格子フィルタを多段に縦続接続し
た場合には、クロストークフリーとなる最大入力波長数
は min(Ｎ／a₁，Ｎ／a₂，…，Ｎ／a_n） …(8) となる。ただし、Ｎ＝a₁・a₂・…・a_nである。

【００４４】ところで、２チャンネルのアレイ格子フィ
ルタ１４−６〜１４−１４は、クロストーク成分のみが
出力されることになるので接続する必要がなくなる。ま
た、クロストークフリーという条件がない場合には、本
実施形態の構成では最大５×３×２＝30チャンネル分の
信号を合分波することが可能である。しかし、本実施形
態では、入力波長数を６に制限してアレイ格子フィルタ
に冗長性をもたせ、帯域通過フィルタの役割を担わせる
ことによりクロストークフリーが実現されることを示し
ている。

【００４５】（第３の実施形態） 図６は、本発明の第３の実施形態を示す（請求項２，請
求項４）。図５に示す第２の実施形態において、１波長
の信号成分しか通過しないアレイ格子フィルタ１３−１
〜１３−４，１４−０〜１４−５は、クロストーク成分
を他の出力ポートにルーチングすることにより信号成分
のみを取り出す帯域通過フィルタと同等の役割を果たし
ている。

【００４６】本実施形態は、アレイ格子フィルタ１３−
１〜１３−４，１４−０，１４−１を帯域通過フィルタ
１５−０〜１５−５に置き換えたものである。ただし、
帯域通過フィルタの抑圧比などの特性はアレイ格子フィ
ルタと同等とする。なお、帯域通過フィルタは所望の波
長のみを取り出すことができるので、３段目のアレイ格
子フィルタ１４−２〜１４−５に対応する帯域通過フィ
ルタは不要となる。このように、アレイ格子フィルタと
帯域通過フィルタを併用することにより、クロストーク
フリーでかつ信号出力の減衰を受けない合分波器を少な
い部品数で実現することができる。

【００４７】（第４の実施形態） 図７は、本発明の第４の実施形態を示す（請求項５）。
図において、ノード２１−０〜２１−２には、それぞれ
信号λ₁,…, λ_n が入力される。各ノードで波長多重さ
れた信号は、光ファイバ２２−０〜２２−２を介してバ
ス状に配置された光ファイバ２３に送出され、各ノード
専用の引き込み光ファイバ２４〜０〜２４−２を介して
各ノードに伝送される。本構成において、２つのノード
に着目すると２段の光クロスコネクトに等しいシステム
になっている。よって、送信波長の割り当てにより、光
ファイバの接続形態を変えることなく任意のパス設定要
求に対して柔軟に対応することができる。

【００４８】ここで、ノード２１−１，２１−２からノ
ード２１−０への送信波長がそれぞれλ₁,λ₂ とする。
このとき、各信号が他方のクロストーク成分（λ₂),(λ
₁)を含んでいたとすると、バス上で信号λ₁ とクロスト
ーク成分（λ₁)、信号λ₂ とクロストーク成分 (λ₂)が
同一波長のクロストークとなる。このようなクロストー
クはフィルタで除去できないので、システム特性の劣化
要因となる。

【００４９】同一波長のクロストークを発生させないた
めには、各ノードからの信号をクロストークフリーとす
ればよい。第２の実施形態および第３の実施形態で示し
たクロストークフリーとなる合分波器を各ノードに備え
ることにより、伝送路上で同一波長によるクロストーク
が発生しないようにできる。図８は、ノード２１の構成
例を示す。

【００５０】図において、チャンネル数５のアレイ格子
フィルタ１１−０〜１１−５と、チャンネル数３のアレ
イ格子フィルタ１３−０〜１３−９と、チャンネル数２
のアレイ格子フィルタ１４−０〜１４−１４は、木構造
状に縦続に接続されている。図５に示す第２の実施形態
では初段のアレイ格子フィルタは１つであったが、ここ
では各段のアレイ格子フィルタを全体のチャンネル数30
に対応する数だけ配置してフルメッシュで接続してい
る。第１段のアレイ格子フィルタ１１−０〜１１−５の
入力波長は、第３段のアレイ格子フィルタ１４−０から
信号λ₁ 〜λ₃₀が出力される場合のものである。入力ポ
ートと入力波長の組み合わせにより、他のアレイ格子フ
ィルタ１４−１〜１４−５から任意の波長の出力も可能
である。

【００５１】本構成においても、各段のアレイ格子フィ
ルタのチャンネル数をＮ^1/n に近い整数とすることによ
り、アレイ格子フィルタの必要個数を少なくすることが
できる。すなわち、チャンネル数a₁，a₂，…，a_nのアレ
イ格子フィルタを多段接続する場合に、チャンネル数a_i
のアレイ格子フィルタの必要個数はＮ／a_iである。ただ
し、Ｎ＝a₁・a₂・…・a_nである。よって、全体で必要な
個数は

【００５２】

【数５】

【００５３】となる。ここで、

【００５４】

【数６】

【００５５】で、等号が成立するのはＮ／a₁＝Ｎ／a₂＝
…＝Ｎ／a_nのときである。よって、a₁＝a₂＝…＝a_n＝Ｎ
^1/n のときに最小になる。なお、本構成は３段構成の30
×30波長ルーチング回路となっている。このためには、
例えば第１段のアレイ格子フィルタ１１−０〜１１−５
の前段に空間スイッチを配置し、入力波長と各入力ポー
トとの間でスイッチングを行う。

【００５６】ここで、各出力ポートからの信号はクロス
トークフリーであるので、これらを各ノードに割り振
り、所定のノードへの出力信号が各ノードで異なるよう
にすれば、同一波長によるクロストークは発生しない。
たとえば、ノード２１−０への出力信号として、ノード
２１−１からはアレイ格子フィルタ１４−０からの出力
を割り当て、ノード２１−２からはアレイ格子フィルタ
１４−１からの出力を割り当てることにより、クロスト
ークフリーが実現できる。

【００５７】（第５の実施形態） 図８に示す３段構成の30×30波長ルーチングスイッチ回
路は、最大６個のクロストークフリーな出力ポートが存
在する。したがって、全体として６×６のクロストーク
フリーな波長ルーチングスイッチ回路を構成することが
できる。その場合には、入出力の方向によらないが、例
えば左側から入力する構成例を図９に第５の実施形態と
して示す（請求項４）。

【００５８】チャンネル数５のアレイ格子フィルタ１１
−０〜１１−５の各１つの入力ポートに、それぞれ連続
した６個の入力波長Ａ₁ 〜Ａ₆ 、Ｂ₂₈〜Ｂ₃ 、Ｃ₂₉〜Ｃ
₄ 、Ｄ₂₆〜Ｄ₁ 、Ｅ₂₇〜Ｅ₂ 、Ｆ₃₀〜Ｆ₅ の各１つを入
力する。ここで、Ａ〜Ｆは各アレイ格子フィルタに対応
して表示したものであり、添字の数字が同じものは同一
波長を示し、使用波長数は11個である。図９に示すよう
に入力波長と入力ポートを設定することにより、クロス
トークフリーとなる出力ポートには、各入力ポートから
１信号ずつ合計６波長分が出力される。図９に示す出力
信号の並びはすべてＤ，Ｅ，Ｂ，Ｃ，Ｆ，Ａとなってお
り、アレイ格子フィルタ１４−０〜１４−５からは、そ
れぞれ波長Ｄ₂₆〜Ａ₁ 、Ｄ₁ 〜Ａ₆ 、Ｄ₂₇〜Ａ₂ 、Ｄ₂₈
〜Ａ₃ 、Ｄ₂₉〜Ａ₄ 、Ｄ₃₀〜Ａ₅ の各信号が出力され
る。このように、本波長ルーチング回路は、波長の並び
に関してコンパクトな性質を有する。

【００５９】本波長ルーチング回路では、任意の入力ポ
ートを１つ選び、連続したＧ個の波長の１つを入力す
る。ただし、Ｇはクロストークフリーな出力ポート数で
ある。ここで、入力波長の最初のものをλ_S とする。上
記のクロストークフリーとなる出力ポートのうち、λ_S
以外が出力される出力ポートにλ_S が出力される入力ポ
ートを探す。これらの入力ポートから信号を入力した場
合に、クロストークフリーとなる出力ポートに信号が出
力される波長の範囲を探す。

【００６０】（第６の実施形態） 図９に示す第５の実施形態の30×30波長ルーチング回路
は、クロストークフリーとなる出力ポート数Ｇ（６個）
よりも使用波長数（11個）が多くなる。この使用波長数
をクロストークフリーな出力ポート数Ｇに削減するため
の構成例を図１０に第６の実施形態として示す（請求項
４）。

【００６１】入力側のアレイ格子フィルタ１１−０〜１
１−５の入力ポートと入力波長はすべて同一である。ま
た、図９の構成では、各アレイ格子フィルタ１１−０〜
１１−５の同じ位置の入力ポートから同じ波長を入力し
た場合には、互いに異なる出力ポートに出力されるの
で、同一波長光源を最大６個用意する必要があった。そ
れに対して図１０の構成では、同じ位置の入力ポートか
ら同じ波長を入力した場合には、同一波長が重なるので
送信側の光源は全部で６個に制限される。すなわち、ア
レイ格子フィルタ１１−０〜１１−５にはそれぞれ６個
の入力波長のうちの１つで、かつ互いに波長が重ならな
いように選択する。また、本実施形態では、入力のアレ
イ格子フィルタの位置によらず、入力波長と出力ポート
が１対１に対応しているので設計が容易となる利点があ
る。

【００６２】次に、使用波長数を削減するための構成法
について図１１を参照して説明する。ここでは、２段の
場合の構成手順を示す。図１１(1) に示すように、１段
目のアレイ格子フィルタ２５−０が１個のときに、２段
目のアレイ格子フィルタ２６−０〜２６−２に接続し、
連続したＧ個の波長を入力して出力ポートを決定する。
次に、点線で示した部分と同一構成のアレイ格子フィル
タを同一箇所にカプラ２７−０〜２７−２を介して増設
する（図１１(2))。この構成の場合には使用波長数は削
減できるが、カプラ部分での損失が避けられない。

【００６３】（アレイ格子フィルタの製作誤差に対する
解決法）ところで、以上説明した光信号処理回路（多段
接続構成の光合分波回路）では、構成部品のアレイ格子
フィルタは理想的な特性を有すると仮定されており、実
際の製作誤差は考慮されていない。たとえば、各チャン
ネルの中心通過周波数が信号波長からずれている場合
は、そのチャンネルの出力が減少する。また、多段構成
の場合には、各段の誤差の影響が累積するので、アレイ
格子フィルタ単体で構成した場合よりも製作誤差の影響
を大きく受ける。そのため、上記の実施形態のように多
段化によってクロストーク特性を改善しようとしても、
製作誤差がそれを阻む要因となってしまう。

【００６４】以下、アレイ格子フィルタの製作誤差の影
響を低減するための各チャンネルの中心通過幅とクロス
トーク特性との関係について説明する（請求項１）。さ
らに、実際の製作誤差を考慮した多段構成の実現規模に
ついて説明する（請求項３）。図１２は、アレイ格子フ
ィルタに製作誤差がある場合の各チャンネルの出力を示
す。ここで、アレイ格子フィルタの各チャンネル中心通
過周波数の誤差をδ、アレイ格子フィルタの隣接チャン
ネル抑圧比をαとする。

【００６５】各チャンネルの中心通過周波数に誤差があ
る場合に、各段のアレイ格子フィルタの誤差の向きと大
きさは独立にとることができるが、ここでは全段中最大
の誤差をもつアレイ格子フィルタの誤差の向きと大きさ
を全段のアレイ格子フィルタがもつとした最悪条件にお
ける特性を調べる。なお、各段の誤差の向きの組み合わ
せにおいて、各チャンネルの透過特性はその中心に対し
て対称であるので、誤差の向きによらず誤差の大きさの
絶対値のみで決まる。したがって、各段の誤差の向きは
同一であるとしても問題はない。

【００６６】また、数値計算では、各段の透過特性関数
Ｆ(δ，σ)は、図１２(a) に示すように通過チャンネル
の抑圧比αがガウス型（ exp(−δ²／２σ²)）であり、
通過損失が抑圧比以上になる部分以外は平坦な透過特性
を有しているとする。図１２において、丸印が各段の出
力を示す。なお、上段はある１つの段の出力を示し、下
段はその他の段の出力を示す。２回以上通過帯域外とな
るチャンネル（ア）については、十分にその大きさが抑
えられるのでクロストーク成分とはならない。また、１
回だけ通過帯域外となるチャンネル（イ）は、クロスト
ーク成分として影響することになる。このとき、接続段
数がｎ段であるとすると、これらのクロストーク成分は
（ｎ−１）段の各段の誤差を影響を受けることになる。
同様に、チャンネル（ウ）はすべての段を通過するの
で、ｎ段分の誤差の影響を受けることになる。信号チャ
ンネルおよびクロストークチャンネルともに、中心通過
周波数に誤差がある場合にはその出力は減少する。

【００６７】また、図１２(b) に示すように、各チャン
ネルの中心通過幅が大きくなると、隣接チャンネルから
の漏れ込みにより多段接続後の出力が増加するクロスト
ークチャンネルがある。一般に、これらの隣接チャンネ
ルからの漏れ込みによる出力増加は、誤差によって隣接
チャンネル間隔が狭くなる場合で、 Ｆ(δ,σ)^n-1Ｆ(１−δ,σ） …(11) 誤差によって隣接チャンネル間隔が広くなる場合で、 Ｆ(δ,σ)^n-1Ｆ(１＋δ,σ） …(12) と表される。

【００６８】また、この例でわかるように互いに素な整
数ｍ，ｎにおいて、０からｍｎまでの整数に対して両者
の倍数の差が１となる箇所は２箇所ある。よって、２段
構成のアレイ格子フィルタでは、各段のクロストークチ
ャンネルが隣接しあうのは、２箇所あることになる。そ
のため、隣接チャンネルからの漏れ込みにより出力が増
加するのは、２×２＝４チャンネルあることになる。接
続段数が３以上の場合には、その内のある段の出力と残
りの段すべての積による出力の２つに分けて考えれば、
上記の考えが適用できる。すなわち、ｎ段接続の場合に
は、２×ｎチャンネルの出力が漏れ込みにより増大す
る。

【００６９】図１３は、アレイ格子フィルタに製作誤差
がある場合の多段接続後の出力を示す。(a) は各チャン
ネルの中心通過幅σが狭い場合であり、(b) は広い場合
である。各チャンネルの中心通過幅σは、チャンネル間
隔の設計値で規格化している。チャンネルの中心通過幅
σが狭い場合には信号チャンネルの出力低下が支配的で
あり、広い場合には隣接チャンネルの漏れ込みにより特
定のクロストークチャンネルの出力が増加している。図
１３(b) では、チャンネル10, 11, 99, 100 のクロスト
ークチャンネルの出力が増加していることがわかる。

【００７０】中心通過周波数の誤差による出力の低下
は、信号チャンネルがクロストークチャンネルよりも１
段分余計に影響を受けるということと、２×ｎチャンネ
ルの漏れ込みによるクロストークチャンネルの出力増大
を考慮すると、多段接続回路全体のクロストーク特性
（全クロストーク出力）／（信号出力）、

【００７１】

【数７】

【００７２】となる。ただし、ｃは、製作誤差と隣接チ
ャンネルからの漏れ込みがない場合のクロストークチャ
ンネルの数であり、

【００７３】

【数８】

【００７４】である。アレイ格子フィルタに製作誤差が
あり、各チャンネルの通過幅σが狭い場合には信号チャ
ンネルの出力低下によりクロストーク特性が決まる。隣
接チャンネルからの漏れ込みが生じないチャンネル幅の
範囲では、幅を広くした方が製作誤差の影響を低減でき
る。また、通過幅を大きくしていったときに改善量が劣
化しはじめるのは、隣接チャンネルからの漏れ込みであ
るので、 Ｆ(１−δ,σ)＝α …(15) となるσが漏れ込みが生じるときの通過幅となる。よっ
て、通過幅σが式(1) の近傍で決められるとき、製作誤
差によるクロストーク特性の劣化を抑えることができ
る。

【００７５】図１４は、チャンネル通過幅を変化させた
ときのクロストーク改善量を示す。ここでは、１段目お
よび２段目のチャンネル数がそれぞれ10および11であ
り、全体のチャンネル数が 110であり、各段の誤差の大
きさを0.1 程度としている。縦軸はアレイ格子フィルタ
単体のときのクロストーク特性からの改善量を示す。図
には、式(13)に基づく解析結果と、図１３に示すすべ
てのチャンネルの出力を各段の透過特性から計算して求
めた結果を示すが、両者は一致しており式(1) による
最適通過幅が妥当であることがわかる。なお、アレイ格
子フィルタに製作誤差がない場合の改善量も併せて示
している。これと比較すると、本発明によりチャンネル
通過幅を最適値に設定することにより、製作誤差がない
場合のクロストークの改善量からの劣化量が 0.5dB程度
に抑えられていることがわかる。

【００７６】また、アレイ格子フィルタが製作誤差をも
つ場合の多段接続によるクロストーク特性において、チ
ャンネル間隔（ＦＳＲ）に誤差がある場合について説明
する。クロストークチャンネル出力は、信号チャンネル
より誤差の影響を受ける段数が１段分少ないことと、信
号チャンネルで誤差が最大累積する最悪ケースを想定す
ると、チャンネル間隔（ＦＳＲ）誤差によるクロストー
クチャンネルの出力低下は、信号チャンネルの出力低下
と比較すると無視でき、信号チャンネルの出力低下のみ
を考慮すればよい。よって、このときのクロストーク特
性は、

【００７７】

【数９】

【００７８】と表される。また、クロストーク特性をよ
くするためには、各段のチャンネル数はＮ^1/n に近づけ
た方がよいので、式(15)は、

【００７９】

【数１０】

【００８０】となる。式(16)の第２項の分子は、多段接
続によるクロストーク特性の改善に相当し、分母は、製
作誤差によるクロストーク特性の飽和または劣化を示し
ている。この式に基づいて計算すると、全体のチャンネ
ル数Ｎや誤差δｆによらず、約３段接続程度で改善量が
低下しはじめる。すなわち、チャンネル間隔（ＦＳＲ）
誤差がある場合には、２または３段接続程度で接続段数
に対する改善度が限界となる。

【００８１】図１５は、接続段数を変化させたときのク
ロストーク改善量を示す。ここでは、多段接続後のチャ
ンネル数を 100とした場合（図１５(a))と、 500とした
場合（図１５(b))の結果を示す。各図のパラメータはチ
ャンネル間隔（ＦＳＲ）の誤差である。アレイ格子フィ
ルタに製作誤差がない場合には、接続段数の増加により
単調にクロストーク特性が改善される。また、製作誤差
が小さい場合には、３段接続程度で改善量が飽和してい
る。さらに、製作誤差が大きくなると、３段接続以上で
特性が劣化し始めている。

【００８２】また、全体のチャンネル数、誤差の大きさ
によらず、特性が劣化し始めるのが３段接続程度あるこ
とがわかる。したがって、アレイ格子フィルタに製作誤
差がある場合には、本発明のように２または３段接続が
最も効果的にクロストーク特性の改善を図ることができ
る。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光信号処
理回路では、各段の光合分波手段のチャンネル数が互い
に素でＮ^1/n に近い整数とすることにより、良好なクロ
ストーク特性を得る最適なチャンネル数の組み合わせが
可能となった。例えば、約 100チャンネルの合分波器を
構成する場合には、10と11のチャンネルの組み合わせに
より、クロストークが７dB程度改善される。

【００８４】また、クロストーク成分が少なくとも２段
の光合分波手段を通過することにより除去でき、さらに
波長多重数をmin(N/a₁，N/a₂，…，N/a_n) 以下とするこ
とにより、クロストークフリーの出力ポートを有する光
信号処理回路を実現することができる。また、光合分波
手段（アレイ格子フィルタ）の各チャンネルの中心通過
幅を式(1) の値に設定することにより、製作誤差をよる
クロストーク特性の改善量の劣化を最小限に抑えること
BR>ができる。例えば、２段で 110チャンネルのものを
構成した場合でも、誤差がチャンネル間隔の 0.1倍のと
きに 0.5dB程度に抑えることができる。

【００８５】また、製作誤差がある場合には、クロスト
ーク特性を改善できる現実的な接続段数が２または３程
度あることが明らかになった。例えば、多段接続後のチ
ャンネル数が 100チャンネルの場合には、チャンネル間
隔の誤差が0.0015程度あると、３段以上多段に接続して
もクロストーク特性の改善が望めないことがわかった。

【００８６】また、本発明の光信号処理回路をネットワ
ークのノードに配置し、ノード構造は同じままで各ノー
ド間の接続チャンネルを変えることにより、同一波長の
クロストークの発生を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。

【図２】第１の実施形態におけるクロストーク特性改善
の定性的理由を説明する図。

【図３】第１の実施形態におけるクロストーク特性改善
の定性的理由を説明する図。

【図４】２段構成により改善されるクロストーク量を示
す図。

【図５】本発明の第２の実施形態を示す図。

【図６】本発明の第３の実施形態を示す図。

【図７】本発明の第４の実施形態を示す図。

【図８】ノード２１の構成例を示す図。

【図９】本発明の第５の実施形態を示す図。

【図１０】本発明の第６の実施形態を示す図。

【図１１】第６の実施形態における使用波長数を削減す
るための構成法を説明する図。

【図１２】アレイ格子フィルタに製作誤差がある場合の
各チャンネルの出力を示す図。

【図１３】アレイ格子フィルタに製作誤差がある場合の
多段接続後の出力を示す図。

【図１４】チャンネル通過幅を変化させたときのクロス
トーク改善量を示す図。

【図１５】接続段数を変化させたときのクロストーク改
善量を示す図。

【図１６】アレイ格子フィルタの構成例を示す図。

【図１７】アレイ格子フィルタの透過特性を示す図。

【図１８】多段接続したマッハツェンダ合分波器の構成
およびその合分波動作を示す図。

【符号の説明】

１１ チャンネル数５のアレイ格子フィルタ １２ チャンネル数６のアレイ格子フィルタ １３ チャンネル数３のアレイ格子フィルタ １４ チャンネル数２のアレイ格子フィルタ １５ 帯域通過フィルタ ２１ ノード ２２，２３，２４ 光ファイバ ２５，２６ アレイ格子フィルタ ２７ カプラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04Q 3/52 H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合分波波長に関して周期性を有する光合
   分波手段を１以上配置して１つの組とし、さらにｎ組
   （ｎは２以上の整数）の各光合分波手段を縦続接続して
   ｎ段構成としたときに、各段の光合分波手段で合分波さ
   れる１周期中のチャンネル数a₁，a₂，…，a_nが互いに素
   となる整数であり、全体のチャンネル数Ｎがa₁・a₂・…
   ・a_nとなる光信号処理回路において、 各段の光合分波手段のチャンネル数がＮ^1/n に近い整数
   であり、各段の光合分波手段の各チャンネルの中心通過幅σが、
   光合分波手段の各チャンネル中心通過周波数の誤差を
   δ、光合分波手段の隣接チャンネル抑圧比をαとしたと
   きに、 σ＝（１−δ ) ／｛２ ln （１／α ) ｝ ^1/2 の近傍に設定される ことを特徴とする光信号処理回路。
2. 【請求項２】 光合分波手段の各光路上の通過波長以外
   の波長成分が、少なくとも２段の光合分波手段で除去さ
   れるように接続されたことを特徴とする請求項１に記載
   の光信号処理回路。
3. 【請求項３】 接続段数ｎが２または３であることを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載の光信号処理回
   路。
4. 【請求項４】 入力または出力される波長多重光の波長
   多重数が、 min(Ｎ／a₁，Ｎ／a₂，…，Ｎ／a_n）以下 であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいず
   れかに記載の光信号処理回路。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
   載の光信号処理回路を各ノードの入出力部に含み、各ノ
   ードが光ファイバにバス型に接続された構成であること
   を特徴とするネットワーク。