JP3524336B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
化機能を有する光学結合装置に関し、特に広帯域で平坦
なパスバンドを有する光学相互接続装置に関する。
ットワークが家庭にまで延びるにつれて、近い将来さら
に大きな成長が期待できることにより、さらにまた同一
の光ファイバを介してさらに多くの個別のチャネルを伝
送し、且つチャネル間の干渉なしに個々のチャネルを分
離することが非常に重要な事項となりつつある。波長分
割多重化(WDM)システムにおいては、各チャネル
は、異なる波長(色)でもって動作する。
は、1つあるいは複数のバンドパスフィルタにより達成
される。そしてこのバンドパスフィルタの特性は、ある
特定のバンド幅の波長のみを変化を受けさせずにそのフ
ィルタを通過させるが、それ以外の残りの波長を阻止す
るかあるいは大幅に減衰させるものである。
離(デマルチプレクシング)は、従来は、光学グレーテ
ィング(即ち、所定量だけ最近接の導波路に対し長さが
異なるようにした複数の並行導波路)により相互接続さ
れた一対のスターカプラにより行われていた。Dense Wa
ve Division Multiplexers(DWDM)として知られて
いるこのような相互接続されたスターカプラの例は、米
国特許第5,002,350号,第5,136,671
号,第5,412,744号に開示されている。
Mはマルチプレクサ(多重化装置)として用いられ、複
数で個別の波長(λ1 ,λ2 ,・・・λn )が、一対の
スターカプラの内の一方のスターカプラの個々の入力ポ
ートに入射され、他方のスターカプラの1個の出力ポー
トから放射される。反対方向の光学伝送においては、こ
のDWDMはディマルチプレクサ(分離化装置)として
用いられ、複数の個々の波長が一方のスターカプラの1
個のポートに入射され、そしてその波長に応じて他方の
スターカプラの複数のポートから放射される。
が変化することになる。したがって、このDWDMは、
波長ルーティングデバイスと称し、特定のポートへある
いは特定のポートからルーティングされる波長領域(バ
ンド)はチャネルと称する。このDWDMの好ましい特
性は、各チャネルのバンド幅に亘って、全ての波長を均
一に伝送すること(即ち、平坦なパスバンド性)であ
る。このDWDMの別の好ましい特性は、隣接するパス
バンドの平坦部分が互いに侵すことなくできるだけ幅広
いことである。
(figure-of-merit)(B1/B2 )として便宜上表すこ
とができる。ここでB1 は、チャネルゲインが最大レベ
ルから1dBだけ落ちる波長間のバンド幅であり、B2
はチャネルゲインがさらに30dB(即ち、最大レベル
から全部で31dB)だけ落ちる波長間のバンド幅を意
味する。理想的なメリット係数は1.0であり、これは
隣接するチャネル間のクロストークを除去し、最大のチ
ャネル実装密度を与える。
開示されたDWDMのルーティングデバイスは、B1 /
B2 =0.17である。しかし、多数のルーティングデ
バイスは、大きな光学ネットワーク内でカスケード接続
されるために、各特定のチャネルの全体の伝送特性は狭
くなる、即ちこの受動型のルーティングデバイスをカス
ケード接続することにより容易に認識できる現象は、個
々の伝送特性を多重化することに等価である。
ャネルの伝送特性は、そのチャネルの中心部で1.0の
振幅を有し、そのエッジ近傍で0.8の振幅を有すると
仮定すると、2つのルーティングデバイスを通過する特
定のチャネルの伝送特性は、チャネルの中心部では依然
として1.0であるが、そのエッジ近傍では0.8×
0.8=0.64となり、チャネル幅は実質的に狭くな
っている。
開示されたDWDMは、これを改良したルーティングデ
バイスで、広帯域でほぼ平坦なパスバンドを有する。こ
のような平坦なパスバンドは、入力点あるいは出力点に
おいて、隣接する導波路を結合し、そのパラメータを最
適化することにより達成される。にもかかわらずこのD
WDMの設計におけるメリット係数B1 /B2 は0.3
6であるにすぎず、この数値は多数のルーティングデバ
イスが、カスケード接続されるようなアプリケーション
においては受け入れられるものではない。
的は、多数のルーティングデバイスをカスケード接続し
た場合でもチャネルを不当に狭くすることのない波長ル
ーティングデバイスを提供することである。さらにまた
本発明の波長ルーティングデバイスは、従来技術に係る
波長ルーティングデバイスのメリット係数B1 /B2 よ
りも優れたメリット係数を有するものである。
グデバイスは、光学グレーティングにより相互接続され
た一対の誘電体製スラブを有する。第1の誘電体製スラ
ブは、第2の誘電体製スラブの所定の出力ポートにルー
ティングされる第1の波長領域の光学信号を受信する入
力ポートを有する。1×Nのパワースプリッタが第1誘
電体製スラブの入力に接続され、1×Mパワースプリッ
タが第2の誘電体製スラブの出力に接続されている。こ
こでMとNは、2以上の整数である。
スプリッタは、1つの入力導波路と2つの出力導波路
(即ち、M=N=2)を有するY型ブランチスプリッタ
である。この第1誘電体製スラブに接続されたスプリッ
タは、その幅(w1) がほぼ等しくその中心間距離が
(c1) である一対の隣接導波路を有する。この第2の
誘電体製スラブに接続されたスプリッタは、その幅(w
2) がほぼ等しくその中心間距離が(c2) である一対
の隣接導波路を有する。一実施例においては、4w2 >
w1 >1.5w2 であり、4c2 >c1 >1.5c2 で
ある。別の実施例においては、4w1 >w2 >1.5w
1 であり、4c1 >c2 >1.5c1 である。
プリッタは、1つの入力導波路と2つの出力導波路とを
有するY型ブランチスプリッタ、あるいは1つの入力導
波路と3個の出力導波路を有するY型ブランチスプリッ
タを含む。
/B2 )は0.5以上(従来設計に対し大幅に改善され
ている)であり、多数のルーティングデバイスがカスケ
ード接続されるようなアプリケーションにおいて、適正
な性能を提供できる。
号に開示された従来技術に係る多重化/分離化装置10
0が示されている。多重化/分離化装置100は、一対
のスターカプラ1,2を有し、これらはグレーティング
30により相互接続されている。このグレーティング3
0は、多数の不等長の光学導波路から形成されている。
スターカプラは、その入力ポートのいずれかに入力され
た光学パワーをその出力ポートのすべての間に等しく分
割する。第1のスターカプラ1は、誘電体製スラブ10
を有し、この誘電体製スラブ10は2つの湾曲した境界
10a,10bを有する自由空間領域を有する。
力列16との間のパワーの伝送は、誘電体製スラブ10
内の放射により達成される。このようなスターカプラ
は、単一のガラス製基板上に誘電体製スラブ10,20
とその関連導波路列15−16,25−26を形成する
シリコン光学ベンチ技術を用いて構成される。このよう
なスターカプラは、平面光学デバイスの技術者にとって
は、公知のものである。1つの適切な設計例は、米国特
許第4,904,042号に開示されている。
向に向いている。この各入力導波路は、境界10aに沿
ってほぼ一様に誘電体製スラブ10に結合されている。
出力列16は、焦点F1の方向に向いている。出力列1
6の各導波路は、境界10bに沿ってほぼ一様に誘電体
製スラブ10に結合されている。
は、他の全ての導波路の長さとは異なっており、その結
果所定の異なる量の位相シフトが第1のスターカプラ1
から入射され、グレーティング30の導波路を伝播する
光学信号に加えられる。その理由はグレーティング30
内の信号がグレーティング30の出力部に到達するまで
異なるパス長さを通過するからである。したがって、グ
レーティング30の各導波路から放射される光学信号
は、異なる位相を有し、この位相差は、導波路の長さの
関数である。
列25に接続され、この入力列25は焦点F4の方向を
向いている。この入力列25はグレーティング30の出
力を第2のスターカプラ2の入力に接続する。第1のス
ターカプラ1と同様この第2のスターカプラ2は、誘電
体製スラブ20からなり、この誘電体製スラブ20は2
つの湾曲した境界20a,20bを有する自由空間領域
を形成する。入力列25は、境界20aに沿ってほぼ均
一に分布するようこの自由空間領域に結合されている。
出力列26は、焦点F3の方向を向いている。出力列2
6は境界20bに沿ってほぼ均一に分布して誘電体製ス
ラブ20に結合されている。
は、入力列15の3本の導波路上の各々のチャネルを出
力列26内の1本の導波路に結合する。この伝送方向
(即ち、左から右)で多重化が行われる。この3本のチ
ャネルの中心周波数は、図1に示すλ1 ,λ2 ,λ3 で
ある。このような多重化を行うためには、中心周波数λ
1 ,λ2 ,λ3 とグレーティング30の様々なパス長さ
を慎重に選択しなければならない。
は、双方向性なので反対方向(右から左)には分離化が
行われる。例えば出力列26が入力列として用いられる
と、多重化/分離化装置100は出力列26の単一導波
路上に表れる全てのチャネルをその波長に従って入力列
15の別個の導波路に配送するよう動作する。各チャネ
ルの伝送損失(いずれかの方向)を図2に示す。
来技術に係る多重化/分離化装置100(図1に示す)
の伝送特性を示す。ここに示した例では中心チャネルの
公称波長λ2 は、1550nmとする。多重化/分離化
装置100の固有の損失は2dBで、全ての波長がデバ
イスをいずれかの方向に伝播する時に少なくとも2dB
の損失を受ける。さらに特定のチャネル内の波長は、チ
ャネルの中心から離れるに従って、余分の損失を受け
る。
の損失を制御するものである。特にチャネル全体に亘っ
て、一定のゲイン(利得)を有することが望ましく各チ
ャネルの伝送特性は、そのエッジ(端部)で急激に減少
し、その結果あるチャネルからの信号エネルギは、隣接
するチャネルへ拡散せず、且つ各チャネル内の信号は、
チャネルの伝送特性の変動により歪まないのが望まし
い。
メリット係数(B1 /B2 )で通常表され、ここで、B
1 はチャネルゲインが最大レベルから1dBだけドロッ
プする波長間のバンド幅を意味し、B2 はチャネルゲイ
ンがさらに30dBドロップするような波長間のバンド
幅を意味する。図1に示された従来技術に係る多重化/
分離化装置100では、このメリット係数B1 /B2 =
0.17である。隣接するチャネル間のスペースは、B
2 で表され、これは図1に示した構成設計では約2.6
5nmである。
44号に開示された従来技術に係る多重化/分離化装置
300を表す。この多重化/分離化装置300は、図1
の従来技術に係る多重化/分離化装置100に類似する
が、ただし、多重化/分離化装置300は第2のスター
カプラ2に隣接する対の導波路35,36の一端に接続
されたグレーティング30を有する点が異なる。このグ
レーティング30は、1×NパワースプリッタのN=2
の特殊な場合を表している。多重化/分離化装置300
において、各チャネルは約5dBの固有の損失を有して
いる。
ット係数(B1 /B2 )は、図4に示したように0.3
6となり、これは図1に示した構成よりもかなり改良さ
れている。しかし、これは米国特許第5,412,74
4号の構成は、その目的として最少の損失でもって広帯
域のパスバンドを有するルーティングデバイスを提供す
ることである。
/分離化装置300の入力あるいは出力のいずれか(両
端ではない)にY型ブランチスプリッタの結合導波路間
のスペースを最適にすることにより達成される。入力端
と出力端の両方にパワースプリッタを用いると全体損失
を増加させることになるが、このような損失の増加は、
前掲の米国特許第5,412,744号の目的と相反す
るものである。隣接するチャネル間のスペースは、B2
で表され、これは図3に示す構成では、約2.90nm
である。
技術に対し、本出願の発明者らは、第1スターカプラの
入力点に1×Nパワースプリッタを第2スターカプラの
出力点に1×Mパワースプリッタを用いることにより、
さらに広帯域で平坦なパスバンドを有するルーティング
デバイスが構成されることを見いだした。ここで、M,
Nは2以上の整数とする。
方のスターカプラあるいは他方のスターカプラのいずれ
かにのみ取り付けられ、両方のスターカプラに取り付け
られているものは存在しなかった。図5において、本発
明の多重化/分離化装置500においては、パワースプ
リッタ70−1は第1のスターカプラ1の入力点で用い
られ、パワースプリッタ70−2は第2のスターカプラ
2の出力点で用いられる。例えば、全てのパワースプリ
ッタは、1×2のブランチスプリッタを有する。
プリッタを、他端に1×3のパワースプリッタを用いる
ことにより得られる。本発明により得られた改良点を図
6を参照して示す。同図においては、メリット係数(B
1 /B2 )は0.51に等しく、これは図1,図3に示
した従来技術の構成に対し、それぞれ200%と40%
の改善が示された。隣接するチャネル間のスペースは、
B2 で表され、これは図5に示した構成においては、
2.68nmである。
ーティング30の構成は、図1に関連して示されたDW
DMに類似するものである。さらにまた米国特許第5,
136,671号は、このようなDWDMの一般的設計
を詳細に開示している。1×Nのパワースプリッタの構
成は、当業者に公知である。
る1本の導波路から構成される。このような構成は、木
の枝に類似するためにパワースプリッタは、ブランチ
(枝)スプリッタとも称する。
ランチスプリッタの入力導波路と出力導波路間の基本モ
ードのモードマッチングにより改良し得ることが見いだ
された。このようなモードマッチングを採用し、本発明
の利用に最適なブランチスプリッタの一設計例は、図5
の要素70−1,70−2として示されている。図7を
参照すると、ブランチスプリッタ70は端部が幅Wを有
する単一入力導波路75を有し、その後に、2個の同一
の導波路77,78(それぞれの幅はw)が接続する。
(即ち、徐々にテーパー上に広がる)で基本モードがよ
り高次非対称モードに変換されるのを阻止する。Wとw
の幅の次元のパラメータに加えて、一対の導波路77,
78の間のギャップ79の幅を表す第3のパラメータD
を導入する。このギャップ79(その幅はdで示され
る)は、少なくとも既存の光リソグラフ技術(現在のと
ころ約2μm)の解像度程度の大きさを有する。
結合となる。しかし、このような物理的な構成は、現在
の光リソグラフ技術を用いては、達成することはできな
い。シングルおよびダブルの導波路領域に対する基本モ
ードフィールドは、それぞれE0 1,E0 2で表すものとす
る。原理的にこのY型ブランチ構造に対しては、過剰の
損失は、接合点におけるモードマッチを最大にすること
により減少できる。言い換えると、二重導波路領域が実
質的に始まる場所で、E0 1をE0 2に等しくすることであ
る。
ー伝送係数は、次式で表される。 P=−10log[C12(W,w,d)]2 ここで、次式は二重積分である。
のエッチングの解像度を加えたもの以上であることを条
件に、この3個のレイアウトのパラメータW,w,dを
調整することにより最大にすることができる。フィール
ドモードE0 1(x,y,W)とE0 2(x,y,w,d)
は、2Dモードソルバ(2-D mode solver) により計算
できる。
mでw=3.0μmにおけるd=1.5μmのギャップ
サイズに対しては、計算上のパワーPは約0.08dB
の値を有する。そしてW=10.5μmでw=2.5μ
mにおけるギャップサイズd=2.0μmの場合には、
計算上のパワーPは約0.13dBである。このブラン
チスプリッタの設計に関する詳細例は、同時に継続の米
国特許出願08/660245号に開示されている。
装置500の中央部分の拡大図である。ブランチスプリ
ッタ70−1,70−2に対し、寸法が異なっているこ
とに注目する必要がある。多重化/分離化装置500を
通過する各チャネルの伝送特性は、入力導波路モードフ
ィールドと出力導波路モードフィールドの畳み込み関数
(mathematical convolution)に関連している。図8に
示すように、スプリッタ70−1は幅がw1 で分離距離
c1 の一対の導波路を有し、この一対の導波路が誘電体
製スラブ10に注入される。一方、ブランチスプリッタ
70−2は幅がw2 で分離距離c2 の一対の導波路を有
し、この一対の導波路が誘電体製スラブ20に当接して
いる。
を用いた(c1=20μm、c2=10μm、w1=1
2μm、w2=5μm)。これらの寸法は、より一般的
な関係(4c2>c1>1.5c2、4w2>w1>
1.5w2)を有する。この実施例においては、幅の広
いY型ブランチが第1のスターカプラ1に接続され、幅
の狭いY型ブランチが第2のスターカプラ2に接続され
ている。
チスプリッタ(70−1,70−2)の導波路の構造の
畳み込み関数であり、各スプリッタは、それぞれ誘電体
製スラブ10と20に接しており、且つこのような畳み
込みは交換可能(即ち、ab=ba)であるために、等
価の性能は幅広のY型ブランチを第2のスターカプラ2
に幅狭のY型ブランチを第1のスターカプラ1に接続す
ることによっても達成できる。
は、以下の寸法を用いることができる(c 1 =10μ
m、c 2 =20μm、w 1 =5μm、w 2 =12μ
m)。これらの寸法もまた一般的な関係式、4c1>c
2>1.5c1および4w1>w2>1.5w1)で関
連づけることができる。
3,M=2でもって得ることができる。本発明の装置
は、図5の従来の装置と外観はほぼ同じであるが、ただ
しブランチスプリッタ70−1は、従来例の2個の出力
ブランチの代わりに3個の出力ブランチを有する。この
状態においては、以下の寸法が用いられた。
0−1に対応する)においては、中心導波路は12μm
の幅を有し、外側導波路は14μmの幅を有する。この
中心間距離は20μmである。2ブランチデバイス(図
5のスプリッタ70−2に対応する)においては、各導
波路は5μmの幅を有し、導波路間の中心間距離は10
μmである。
バイスと3ブランチデバイスでN=2,M=3の上記の
寸法を用いても達成できる。このようにして得られた本
発明の装置は、図5に示した装置と外観は同じである
が、ただしブランチスプリッタ70−2は2個の出力ブ
ランチと共に3個の出力ブランチを有する。
置のそれぞれの代表的チャネル(9a,9b,9c)の
伝送特性を並べて比較した図である。より広帯域でより
平坦なパスバンドが、固有の損失の犠牲により達成でき
ることが分かる。しかし、公知の増幅(例、エルビウム
ドープの光ファイバ増幅器)を用いてこの損失を補償す
ることができる。
余分の損失を制御するものである。特にチャネル全体に
亘って、一定のゲイン(利得)を有することが望ましく
各チャネルの伝送特性は、そのエッジ(端部)で急激に
減少し、その結果あるチャネルからの信号エネルギは、
隣接するチャネルへ拡散せず、且つ各チャネル内の信号
は、チャネルの伝送特性の変動により歪まないのが望ま
しい。そしてこの目的は、従来技術に係る多重化/分離
化装置300の入力あるいは出力のいずれか(両端では
ない)にY型ブランチスプリッタの結合導波路間のスペ
ースを最適にすることにより達成される。また、本発明
の波長ルーティングデバイス500は、光学グレーティ
ング30により相互接続された一対の誘電体製スラブ1
0,20を有し、この誘電体製スラブ10,20に接続
されたパワースプリッタは、1つの入力導波路と2つの
出力導波路を有するY型ブランチスプリッタ70であ
り、この第1誘電体製スラブ10に接続されたスプリッ
タ70−1は、その幅w1 がほぼ等しくその中心間距離
がc1 である一対の隣接導波路を有する。この第2の誘
電体製スラブ20に接続されたスプリッタ70−2は、
その幅w2 がほぼ等しくその中心間距離がc2 である一
対の隣接導波路を有する。一実施例においては、4w2
>w1 >1.5w2 であり、4c2 >c1 >1.5c2
である。このようにして、多数のルーティングデバイス
をカスケード接続した場合でもチャネルを狭くすること
のない波長ルーティングデバイスを提供できる。
従来技術に係る光学多重化/分離化装置を表す図
隣接するチャネルの伝送特性を表す図
を有する従来技術に係る光学多重化/分離化装置を表す
図
隣接するチャネルの伝送特性を表す図
チャネルの伝送特性を表す図
の拡大図
ャネルの伝送特性を比較した図
Claims (3)
- 【請求項1】 (A)1個の入力導波路と、2個の出力
導波路とを有し、第1スターカプラ(1)に接続された
第1Y型ブランチスプリッタ(70−1)と、 前記第1スターカプラは、第1自由空間領域(10)に
接続された2個の入力導波路(15)と複数個の出力導
波路(16)とを有し、 (B)2個の入力導波路と、1個の出力導波路とを有
し、第2スターカプラ(2)の出力に接続された第2Y
型ブランチスプリッタ(70−2)と、 前記第2スターカプラは、第2自由空間領域(20)に
接続された2個の出力導波路(26)と複数個の入力導
波路(25)とを有し、 (C)前記第1スターカプラの出力を前記第2スターカ
プラの入力に接続し、複数の不等長の導波路からなる光
学グレーティング(30)とからなり、前記第1 Y型ブランチスプリッタ(70−1)は、その
幅(w1)がほぼ等しい一対の隣接する導波路を有し、前記第2 Y型ブランチスプリッタ(70−2)は、その
幅(w2)がほぼ等しい一対の隣接導波路を有し、 w1>1.5w2 又はw 2>1.5w 1 の関係にあるこ
とを特徴とする光学装置。 - 【請求項2】 前記第1Y型ブランチスプリッタ(70
−1)は、中心間距離(c1)により分離された一対の
隣接する導波路を有し、前記第2 Y型ブランチスプリッタ(70−2)は、中心
間距離(c2) により分離された一対の隣接導波路を
有し、w 1>1.5w 2のとき c1>1.5c2 又はw 2>
1.5w 1のときc 2>1.5c 1 の関係にあることを
特徴とする請求項1記載の光学装置。 - 【請求項3】 前記第1Y型ブランチスプリッタ(70
−1)は、 (A)光エネルギを伝送できる所定幅(W)を有する入
力導波路分離遷移領域(76)と、 (B)前記入力導波路分離遷移領域からの光エネルギの
少なくとも1部を受信するよう配置された2個の出力導
波路領域(77,78)と、を有し、 前記各出力導波路領域は、所定幅(w)を有し、各出力
導波路(77)の間に所定幅(d)のギャップ(79)
が形成され、 W>2w+dの関係にあることを特徴とする請求項1記
載の光学装置。
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