JP3736303B2 - アレイ導波路格子、マルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアレイ導波路格子およびアレイ導波路格子を使用したマルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システムに係わり、特に光波長合分波素子としてのアレイ導波路格子およびこれを使用し波長多重伝送方式に好適なマルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットや電子メールの普及等によって通信ネットワークの利用が大幅に増加しており、大容量の情報伝送を可能にする光通信システムが注目されている。光通信における波長多重度を現状よりも更に向上させることは重要な意味を持っており、光波長合分波素子がキーデバイスの１つと考えられている。アレイ格子型の光導波路構造を有する光波長合分波素子は、パッシブな構成で、狭い透過幅と高い消光比を有している。また、多数の光信号を合分波することができるといった特徴も備えている。
【０００３】
図１３は、従来のアレイ導波路格子の構成を示したものである。アレイ導波路格子１０は、基板１１上に入力用チャネル導波路１２と出力用チャネル導波路１３と、全体にＵ字状に曲がったチャネル導波路アレイ１４と、入力用チャネル導波路１２とチャネル導波路アレイ１４を接続する第１の扇型スラブ導波路１５と、出力用チャネル導波路１３とチャネル導波路アレイ１４を接続する第２の扇型スラブ導波路１６を形成している。チャネル導波路アレイ１４はこれを構成する各導波路の長さが所定の導波路長差ΔＬで順次長くなるように構成されている。
【０００４】
図１４は第１の扇型スラブ導波路の入力側および出力側の構成を表わしたものである。入力用チャネル導波路１２の各導波路のコアは第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍で直線状に広がるテーパ形状をしている。第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍におけるチャネル導波路アレイ１４の各導波路のコアも、直線状に広がるテーパ形状をしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のアレイ導波路格子１０についてその光周波数特性を調べてみると、各導波路の中心光周波数の近傍で放物線状の損失特性がある。このため温度変化等によってレーザ光源の波長が中心光周波数から変動すると、損失が大幅に増加するという問題があった。このような温度変化等による出力レベルの急変を防止すると共に、アレイ導波路格子を多段に接続した際に透過幅が狭くなって変調成分がカットされないようにするために、光周波数に対してピークレベルが平坦な透過特性を実現することが求められている。
【０００６】
また、このようなアレイ導波路格子１０を通信網に複数段使用した構成の従来の光通信システムでは、１つのアレイ導波路格子を通過する際の光周波数に対する損失特性（あるいは光透過特性）が複数段のアレイ導波路格子で繰り返され、中心周波数近傍での光周波数に対する損失特性がより急峻な放物線状となる。このため、レーザ光源の波長が中心光周波数から変動した際の影響を受けやすくなったり、変調成分がカットされやすくなったりするといった問題があった。このため、アレイ導波路格子による放物線状の損失特性を改善するために各種の努力が行われているものの、現状よりも向上させることが難しかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、フラットな光周波数特性を有するアレイ導波路格子を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、フラットな光周波数特性を有するアレイ導波路格子を使用したマルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のアレイ導波路格子では、（イ）波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、（ロ）単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、（ハ）各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、（ニ）第１のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、（ホ）第２のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、（へ）第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がパラボラ形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴としている。
また、本発明のアレイ導波路格子では、（イ）波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、（ロ）単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、（ハ）各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、（ニ）第１のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、（ホ）第２のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、（へ）第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するマルチモード干渉器としての形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴としている。
更に、本発明のアレイ導波路格子では、（イ）波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、（ロ）単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、（ハ）各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、（ニ）第１のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、（ホ）第２のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、（へ）第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状が矩形の界分布を励起する矩形界分布励起形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴としている。
更にまた、本発明のマルチプレクサ装置では、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子を備え、互いに異なる光信号を合波することを特徴としている。
また、本発明のデマルチプレクサ装置では、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子を備え、波長多重された光信号を分波することを特徴としている。
また、本発明のノード装置では、（イ）波長多重された光信号を分波する第１のアレイ導波路格子と、（ロ）分波された光信号についてスルーまたはドロップを行い、また新たな光信号を加える光スイッチと、（ハ）スルーまたは加えられた光信号を合波する第２のアレイ導波路格子とを備え、（ニ）第１のアレイ導波路格子または第２のアレイ導波路格子は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子であることを特徴としている。
また、本発明の光通信システムでは、（イ）互いに異なる波長の光信号を送出する光送信手段と、（ロ）この光送信手段の送出した互いに異なる波長の光信号を波長多重するアレイ導波路格子を備えたマルチプレクサ装置と、（ハ）このマルチプレクサ装置から出力される波長多重された光信号を伝送する光伝送路と、（ニ）この光伝送路の途中に配置されたアレイ導波路格子を備えたノード装置と、（ホ）光伝送路をノードを経由して送られてきた光信号を入力し、互いに異なる波長の光信号に波長分離するアレイ導波路格子を備えたデマルチプレクサ装置と、（へ）このデマルチプレクサ装置によって波長分離された互いに異なる波長の光信号を受信する光受信機とを備え、（ト）各アレイ導波路格子のいずれかは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子であることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
【００２８】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の一実施例における光通信システムの構成の概要を表わしたものである。この光通信システムで、送信側に配置されたＳＯＮＥＴ（Synchronous Optical Network）装置（光送信機）１０１から送り出された波長λ1〜λNのＮチャネル分の光信号は光マルチプレクサ（ＭＵＸ）１０２で多重された後、ブースタアンプ１０３で増幅されて光伝送路１０４に送り出される。光マルチプレクサ１０２は、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：arrayed waveguide）で構成されている。多重化された光信号１０５はインラインアンプ１０６で適宜増幅された後、プリアンプ１０７を経て光デマルチプレクサ（ＤＭＵＸ）１０８で元の波長λ1〜λNに分離され、ＳＯＮＥＴ装置（光受信機）１０９で受信されるが、その途中の光伝送路１０４に適宜の数のノード（ＯＡＤＭ）１１１1〜１１１Mが配置されている。これらのノード１１１1〜１１１Mでは、所望の波長の光信号が入出力されることになる。
【００３０】
図２は、ノードの構成の概要を示したものである。ここでは第１のノード１１１1を示しているが、第２〜第Ｍのノード１１１2〜１１１Mも原理的には同一の構成となっている。図１に示した光伝送路１０４は、第１のノード１１１1の入力側アレイ導波路格子（ＡＷＧ）１２１に入力されて波長λ1〜λNのＮチャネル分の光信号に分波され、各波長λ1〜λNごとに設けられた２入力２出力の光スイッチ１２２1〜１２２Nによって、それぞれの波長λ1〜λNの光信号のノード側受信部１２６に取り込む（drop）と共に、ノード側送信部１２４から送信した光信号を挿入する（Add）。２入力２出力の光スイッチ１２２1〜１２２Nの出力側はそれぞれに対応して設けられたアッテネータ（ＡＴＴ）１２７1〜１２７Nによってゲインを調整された後に出力側アレイ導波路格子１２８に入力されるようになっている。出力側アレイ導波路格子１２８は入力側アレイ導波路格子１２１と逆の構成の素子であり、波長λ1〜λNのＮチャネル分の光信号を多重して光伝送路１０４に光信号１０５として送り出すことになる。
【００３１】
このように図２に示した第１のノード１１１1を始めとして、図１に示した第２〜第Ｍのノード１１１2〜１１１Mおよび光マルチプレクサ１０２ならびに光デマルチプレクサ１０８は共にアレイ導波路格子を使用している。したがって、光信号１０５のチャネル数Ｎが多くなる要請の下で、アレイ導波路格子のよりフラットな光周波数特性が求められることになる。
【００３２】
図３は、本実施例で使用されるアレイ導波路格子の外観を表わしたものである。本実施例のアレイ導波路格子１３１は、基板１３２上に入力用チャネル導波路１３３と出力用チャネル導波路１３４と、放物線状に曲がったチャネル導波路アレイ１３５と、入力用チャネル導波路１３３とチャネル導波路アレイ１３５を接続する第１の扇型スラブ導波路１３６と、出力用チャネル導波路１３４とチャネル導波路アレイ１３５を接続する第２の扇型スラブ導波路１３７を形成している。チャネル導波路アレイ１３５はこれを構成する各導波路の長さが所定の導波路長差ΔＬで順次長くなるように構成されている。入力用チャネル導波路１３３には波長λ1〜λNの多重化された光信号１４１が入力され、出力用チャネル導波路１３４から各波長λ1〜λNに分離された光信号１４２が出力されるようになっている。
【００３３】
本実施例のアレイ導波路格子１３１は、基板１３２として半導体（シリコン）基板を使用している。そして、下層クラッド層としてリン、ゲルマニウム、チタン、ボロン、フッ素などを添加した石英系材料を、火炎堆積法、ＣＶＤ法、スパッタ法、スピンコート法、電子ビーム蒸着法などの手法を使用して厚さ数十μｍ堆積している。次に下層クラッド層よりも屈折率が高くなるように不純物を添加した石英のコア層を３〜８μｍ程度堆積して、図３に示すような光導波路形状のコア層を作製する。コア層の作製には、フォトリソグラフィを用いて微細領域を適切なマスク材に転写し、続いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置や反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置等のドライエッチング法によって不用領域を除去して行う。最後に、再び屈折率をコア層よりも低く設定した前記した石英系材料を用いて、厚さ数十μｍの上層クラッド層を堆積する。
【００３４】
図４は、第１の扇型スラブ導波路とこれに接続する入力用チャネル導波路およびチャネル導波路アレイの接続部分の構成を表わしたものである。入力用チャネル導波路１３３は第１の扇型スラブ導波路１３６に接続する側が長さｄ1にわたってテーパ状に広がっている。入力用チャネル導波路１３３のコア開口幅（光導波路幅）はＷｔであり、第１の扇型スラブ導波路１３６の曲率半径はＲ1である。第１の扇型スラブ導波路１３６に接続するチャネル導波路アレイ１３５はコア幅がＷｃで第１の扇型スラブ導波路１３６に向かう側が長さｄ2にわたってそれぞれテーパ状に広まっている。チャネル導波路アレイのコア開口幅はＤで、チャネル導波路アレイ１３５の間隔はＳ2である。このような第１の扇型スラブ導波路の入力側および出力側の構成は、図１４に示した従来の構成と特に異なるところはない。
【００３５】
図５は、第２の扇型スラブ導波路とこれに接続するチャネル導波路アレイおよび出力用チャネル導波路の接続部分の構成を表わしたものである。チャネル導波路アレイ１３５は第２の扇型スラブ導波路１３７に接続する側が長さｄ3にわたってテーパ状に広がっている。このテーパ状に広がる前のチャネル導波路アレイ１３５のコア幅はＷｃであり、コア開口幅はＤである。第２の扇型スラブ導波路１３６の曲率半径はＲ2である。チャネル導波路アレイ１３５の間隔はＳ3である。
【００３６】
第２の扇型スラブ導波路１３７に接続する出力用チャネル導波路１３４の導波路部分は、長さｄ4にわたってパラボラ形状となっている。パラボラ形状の導波路部分１５１と接続されたコア幅はＷｃであり、コア開口幅はＷｐである。本実施例ではパラボラ形状の導波路部分１５１が図３で示した光信号１４２の各波長λ1〜λNに応じてその形状を変化させている。長さｄ4を便宜的に長さＬで表わすことにする。
【００３７】
図３に示したアレイ導波路格子１３１の入力用チャネル導波路１３３に入射された光は、図４に示したそのテーパ状の導波路部分を通過する際に、ほぼガウシアン分布の界分布をなしたまま第１の扇型スラブ導波路１３６方向に進行する。この界分布の広がりは、テーパ終端の光導波路幅Ｗｔで決定する。この界分布を持った光は、第１の扇型スラブ導波路１３６で横方向に広がって進み、チャネル導波路アレイ１３５の各導波路を励振する。そして、第２の扇型スラブ導波路１３７において出力用チャネル導波路１３４の光周波数ｆあるいは長λ1〜λNに対応した位置にそれぞれ集光することになる。このとき、相反の定理によって、第２の扇型スラブ導波路１３７と出力用チャネル導波路１３４との境界における光分布もガウシアン分布となる。
【００３８】
図６は、パラボラ形状の導波路部分を具体的に表わしたものである。パラボラ形状の導波路部分１５１は、図５で説明したようにコア開口幅がＷｐ、長さがＬでパラボラ形状の導波路部分１５１と接続されたコア幅はＷｃとなっている。導波路部分１５１の任意の位置の幅をＷ（ｚ）とすると、これは次の（１）式で表わすことができる。
【００３９】
Ｗ（ｚ）＝｛２αλ／ｎeff（Ｌ−Ｚ）＋Ｗｃ2｝1/2 ……（１）
ここでαは定数、λは光波長、ｎeffは実効屈折率、Ｌはパラボラ部分の長さ、Ｗｃは出力用チャネル光導波路１３４の幅である。
【００４０】
この（１）式でコア開口幅Ｗｐは、第２の扇型スラブ導波路１３７と出力用チャネル導波路１３４との境界で生じるガウシアン分布の幅に比べて１〜５倍の幅となるように大きく設定されている。したがって、温度変化等によってレーザ光源の周波数ｆが多少変動しても出力用チャネル導波路１３４へ結合する光の量はほぼ一定に保たれる。このため、光源の周波数ｆが変化しても分波出力がほぼ一定となるような平坦な光周波数特性を実現することができる。
【００４１】
ところで本実施例のアレイ導波路格子では、分波した各光周波数ｆに対応して、既に説明したように各出力用チャネル光導波路１３４のパラボラ形状のパラメータを補正することで、各チャネル間で差異の僅差な透過光周波数特性を実現している。
【００４２】
図７は、パラボラ形状の係数αに対する透過幅と挿入損失の変化の計算を、光周波数特性の平坦化を行っていないものと比較して示したものである。縦軸は係数αを変化させてパラボラ形状を変えていったときの透過特性の平坦性と過剰損失を表わしており、パラボラ形状の係数αが１．１０近傍で最も平坦な特性が得られる。アレイ導波路格子１３１では、次に説明するように入力用チャネル導波路１３３の第１の扇型スラブ導波路１３６との接続箇所をパラボラ形状の導波路部分とすることで平坦性を確保する提案もあるが、本実施例のように出力用チャネル導波路１３４が第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分１５２（図３）をパラボラ形状とすることで同様の効果を得ることがわかる。
【００４３】
図８は、入力用チャネル導波路の第１の扇型スラブ導波路との接続箇所をパラボラ形状の導波路部分とする提案のその接続部分の構成を表わしたものである。この図８では本発明の実施例と区別するために図１３と同一部分には図１３と同一の符号を付している。特開平９−２９７２２８号公報に開示されたこの提案では、第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍における入力用チャネル導波路１２の各導波路のコアがパラボラ形状をしている。これに対して、第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍におけるチャネル導波路アレイ１４の各導波路のコアは、直線状に広がるテーパ形状をしている。ここで、第１の扇型スラブ導波路１５の曲率半径は符号Ｒで示しており、入力用チャネル導波路１２のパラボラ状の導波路のコア開口幅は符号Ｗで示している。入力用チャネル導波路１２の間隔は符号Ｓ1で示しており、パラボラ形状の導波路部分の長さはｌ1で示している。チャネル導波路アレイ１４のテーパ形状の導波路のコア開口幅は符号Ｄで示しており、チャネル導波路部分のコア幅は符号Ｗｃで示している。チャネル導波路アレイ１４の間隔は符号Ｓ2で示しており、テーパ形状の導波路の長さを符号ｄ2で示している。この図８に示す提案でも、光周波数に対してピークレベルが平坦な透過特性を実現することができるとされている。
【００４４】
しかしながらこの図８に示した提案では、大容量の情報伝送を可能にするために波長多重度を更に向上させようとしても限界がある。これを次に説明する。図８に示した提案のアレイ導波路格子では、入射側にパラボラ状の導波路部分がある。したがって、チャネル導波路アレイ１４側のテーパ幅としてのコア開口幅Ｄを波長に応じて個別設定が可能であるとしても、パラボラ状の導波路のコア開口幅Ｗはそれぞれの波長に共通した１つのパラボラ状の導波路部分を使用しているので、共通にならざるを得ない。また、先の（１）式で示した係数αも一定となる。
【００４５】
これに対して本実施例のように各波長λ1〜λNに対応する位置に個別にパラボラ形状の導波路部分１５１が存在する場合には、コア開口幅（光導波路幅）Ｗｔが共通であるが、コア開口幅Ｗｐを各波長λ1〜λNに合わせて設定可能である。また、係数αもこれらに応じて個別設定が可能である。このため、図８に示した提案と比べると、設計の自由度が大きい。したがって、光周波数ｆに対して透過光周波数特性の微妙な調整を行うことが可能になる。
【００４６】
このような光周波数ｆに対する透過光周波数特性の微妙な調整について、説明を補足する。アレイ導波路格子の光透過特性の波長依存性は、従来から使用されている波長範囲では小さいが広帯域化の進展と共に波長依存性が大きくなって特性差を無視することができなくなっている。波長依存性の傾向としては、一般に短波長側に行くに従って高次モードが励振されやすくなり、また長波長側に行くに従って導波しにくくなり、カットオフという問題が生じる。アレイ導波路格子では高次モードである矩形界分布の励起を用いている。従って、短波長側に行くほど矩形界分布は励起されやすくなり、光透過特性における平坦性は増加する。逆に長波長側に行くほど光透過特性における平坦性は減少する。挿入損失の一要因である伝搬損失については長波長側ほど増加する。短波長側については、高次モードが励起されないある波長域までは減少する。
【００４７】
以上のような特性の波長依存性を解消するためには、短波長領域で、平坦性の僅かな増加と損失の僅かな減少（更に短波長側に進むと反対に増加傾向になる。）を補正するように係数α、コア開口幅Ｗｔ、Ｗｐを調整するようにすればよい。また、長波長側では平坦性が僅かな減少と損失の僅かな増加を補正するようにこれらの係数α、コア開口幅Ｗｔ、Ｗｐを調整するようにすればよい。
【００４８】
図９は、透過周波数特性の各種計算結果を示したものである。この図で曲線１６１は図１３および図１４で説明した平坦化を行っていない無平坦化の場合の各光波長に対する光出力を示したものである。また、曲線１６２は係数αを０．９５とした場合の各光波長に対する光出力を示し、曲線１６３は係数αを１．１とした場合の各光波長に対する光出力を示し、曲線１６４は係数αを１．２とした場合の各光波長に対する光出力を示している。
【００４９】
係数αを１．１とした場合の曲線１６３を基準にして考察する。係数αを０．９５とした曲線１６２は、透過幅が同一のままで損失を変化させたものである。一方、曲線１６３で示した透過特性に対して損失が同一のままで透過幅を変化させたものが、係数αを１．２とした曲線１６４で示した透過特性となる。このように本実施例のアレイ導波路格子１３１（図３）の場合には、適切なパラメータに調整することで、各チャネル間における透過周波数特性の差異を補正して僅差に追い込むことができる。
【００５０】
したがって、図８で提案されたアレイ導波路格子よりも広帯域動作性を向上したアレイ導波路格子を実現することができるだけでなく、図１に示したような光通信システムでノード１１１を多段に使用しても透過幅が狭くなったり変調成分がカットされるという不都合を解消することができる。
【００５１】
変形例
【００５２】
図１０は、本発明の変形例としてＭＭＩ光導波路を使用したアレイ導波路格子の要部を示したものである。この図１０に示した部分は、図３における出力用チャネル導波路１３４が第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分１５２と同一範囲を示している。ＭＭＩ（Multi-Mode Interference：マルチモード干渉器）光導波路は、ステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するような形状をなしている。したがって、第２の扇型スラブ導波路１３７に接続する出力用チャネル導波路１３４の導波路部分２０１をＭＭＩ光導波路とすることで、同様にこの導波路部分をテーパ状とした場合の不都合を解消することができる。
【００５３】
ここで導波路部分２０１はコア開口幅がＷｍであり、長さがＬｍである。これらの値は各波長λ1〜λNに合わせて設定可能であり、これにより図８で提案されたアレイ導波路格子よりも波長多重度を向上させることができる。
【００５４】
発明の変形可能性
【００５５】
図１１は、第２の扇型スラブ導波路に接続する出力用チャネル導波路の形状の可能性を考察したものである。この図で実線は図１０で説明したＭＭＩ光導波路の形状を示している。このＭＭＩ光導波路２１１で、出力用チャネル導波路１３４は光導波路幅の変化開始位置から外側に直角に折れ曲がっている。これに対して図４等に示した従来の第１の扇型スラブ導波路１３６に接続する入力用チャネル導波路の場合には、図１１で２点鎖線２１４で示したように９０度よりも小さい所定の角度θTだけ外側に折れ曲がったテーパ状となっている。
【００５６】
既に説明したように、出力用チャネル導波路１３４の第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分がテーパ状となっている場合には光分布がガウシアン分布となる。したがって、このように導波路部分がテーパ状となっているような形状を除いた曲線、たとえば曲線２１５、２１６は同様に光源の周波数ｆが変化しても分波出力がほぼ一定となるような平坦な光周波数特性を実現することができる。徐々に幅が１次関数に変化する形状としてのテーパ形状は、高次モードでの励振が起こらない。このようにテーパ形状は断熱的な変化を行うために、矩形界分布励起形状としては不適切であり、除外している。
【００５７】
したがって、３次、４次等の高次関数あるいはハミング関数等の関数で、上記した角度条件を満足する形状を実現することにより、平坦な光周波数特性を得ることが同様に可能になる。一般にこのような矩形界分布励起形状は、導波路の幅変化開始点における出力用チャネル導波路１３４の境界部分と導波路の中心軸となす角度θWが、次の角度範囲となるような形状である。ただし、テーパ形状は除外する。
０゜＜θW＜９０゜
【００５８】
ここで下限の０゜＜θWの条件は、高次モードの励振が必要なことから光導波路を広くとる必要があることに起因する。また、上限のθW＜９０゜については幅変化領域に到達する前で不必要な結合を防ぐ主旨である。
【００５９】
また実施例および変形例では出力用チャネル導波路１３４の第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分が１種類の曲線あるいは直線形状と接続する場合を示したがこれに限るものではない。この例を次に説明する。
【００６０】
図１２は、出力用チャネル導波路が第２の扇型スラブ導波路と接続する部分が第１〜第３の領域を連結した形状を有している場合を示したものである。このうち第１の領域２３１は一定の幅Ｗ1からなる導波路部分であり、第２の領域２３２は幅Ｗ1からこれよりも広い幅Ｗ2にテーパ状に広がる導波路部分である。第３の領域２３３は第２の領域２３２と幅Ｗ2で接続し、これよりも大きな幅Ｗ3にまで拡大する形状となっており、この形状は矩形界分布を励起する矩形界分布励起形状となっている。なおこの図では出力用チャネル導波路の幅Ｗ1とＷ2は後者の方が大きくなる場合を示したが、これに限るものではない。すなわち、幅Ｗ1とＷ2が等しくてもよいし、幅Ｗ1の方が幅Ｗ2よりも大きい場合であってもよい。また、第２の領域２３２は必ずしも直線的な変化を示す形状である必要はなく、第１の領域２３１と第２の領域２３２を滑らかに接続する曲線形状であってもよいことは当然である。
【００６１】
なお、以上説明した実施例および変形例では図１に示したように光送信機と光受信機の間を結ぶ伝送路上に複数のアレイ導波路格子を配置した光通信システムを説明した。このような直線的な伝送路を使用した光通信システムに本発明を適用することができるだけでなく、複数のノードあるいはアレイ導波路格子を環状に配置した光通信システムに対しても本発明を適用することができることは当然である。
【００６２】
更に実施例ではスラブ導波路として扇型スラブ導波路を使用した例について説明したが、その形状が扇型に限るものでないことも当然である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がパラボラ形状、ステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するマルチモード干渉器としての形状、あるいは矩形の界分布を励起する矩形界分布励起形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしているので、フラットな光周波数特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における光通信システムの構成の概要を表わしたシステム構成図である。
【図２】本実施例の光通信システムに使用されるノードの構成の概要を示したブロック図である。
【図３】本実施例のアレイ導波路格子の外観を表わした斜視図である。
【図４】本実施例で第１の扇型スラブ導波路とこれに接続する入力用チャネル導波路およびチャネル導波路アレイの接続部分の構成を表わした平面図である。
【図５】本実施例で第２の扇型スラブ導波路とこれに接続するチャネル導波路アレイおよび出力用チャネル導波路の接続部分の構成を表わした要部平面図である。
【図６】本実施例のパラボラ形状の導波路部分を具体的に表わした説明図である。
【図７】パラボラ形状の係数αに対する透過幅と挿入損失の変化の計算を、光周波数特性の平坦化を行っていないものと比較して示した特性図である。
【図８】入力用チャネル導波路の第１の扇型スラブ導波路との接続個所をパラボラ形状の導波路部分とする提案の接続部分の構成を表わした要部平面図である。
【図９】透過周波数特性の各種計算結果を示した特性図である。
【図１０】本発明の変形例としてＭＭＩ光導波路を第２の扇型スラブ導波路の出力側に使用したアレイ導波路格子の要部を示した要部平面図である。
【図１１】第２の扇型スラブ導波路に接続する出力用チャネル導波路の形状の変形可能性を示した説明図である。
【図１２】出力用チャネル導波路が第２の扇型スラブ導波路と接続する部分が第１〜第３の領域を連結した形状を有している場合を変形例として示した説明図である。
【図１３】従来のアレイ導波路格子の構成を示した斜視図である。
【図１４】図１３に示したアレイ導波路格子における第１の扇型スラブ導波路の入力側および出力側の構成を表わしたものである。
【符号の説明】
１０１ ＳＯＮＥＴ装置（光送信機）
１０２ 光マルチプレクサ
１０８ 光デマルチプレクサ
１０９ ＳＯＮＥＴ装置（光受信機）
１１１ ノード
１２１ 入力側アレイ導波路格子（ＡＷＧ）
１２８ 出力側アレイ導波路格子
１３３ 入力用チャネル導波路
１３４ 出力用チャネル導波路
１３５ チャネル導波路アレイ
１３６ 第１の扇型スラブ導波路
１３７ 第２の扇型スラブ導波路
１４１ 波長λ1〜λNの多重化された光信号
１４２ 各波長λ1〜λNに分離された光信号
１５１ パラボラ形状の導波路部分
１５２、２０１ 導波路部分
【発明の属する技術分野】
本発明はアレイ導波路格子およびアレイ導波路格子を使用したマルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システムに係わり、特に光波長合分波素子としてのアレイ導波路格子およびこれを使用し波長多重伝送方式に好適なマルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットや電子メールの普及等によって通信ネットワークの利用が大幅に増加しており、大容量の情報伝送を可能にする光通信システムが注目されている。光通信における波長多重度を現状よりも更に向上させることは重要な意味を持っており、光波長合分波素子がキーデバイスの１つと考えられている。アレイ格子型の光導波路構造を有する光波長合分波素子は、パッシブな構成で、狭い透過幅と高い消光比を有している。また、多数の光信号を合分波することができるといった特徴も備えている。
【０００３】
図１３は、従来のアレイ導波路格子の構成を示したものである。アレイ導波路格子１０は、基板１１上に入力用チャネル導波路１２と出力用チャネル導波路１３と、全体にＵ字状に曲がったチャネル導波路アレイ１４と、入力用チャネル導波路１２とチャネル導波路アレイ１４を接続する第１の扇型スラブ導波路１５と、出力用チャネル導波路１３とチャネル導波路アレイ１４を接続する第２の扇型スラブ導波路１６を形成している。チャネル導波路アレイ１４はこれを構成する各導波路の長さが所定の導波路長差ΔＬで順次長くなるように構成されている。
【０００４】
図１４は第１の扇型スラブ導波路の入力側および出力側の構成を表わしたものである。入力用チャネル導波路１２の各導波路のコアは第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍で直線状に広がるテーパ形状をしている。第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍におけるチャネル導波路アレイ１４の各導波路のコアも、直線状に広がるテーパ形状をしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のアレイ導波路格子１０についてその光周波数特性を調べてみると、各導波路の中心光周波数の近傍で放物線状の損失特性がある。このため温度変化等によってレーザ光源の波長が中心光周波数から変動すると、損失が大幅に増加するという問題があった。このような温度変化等による出力レベルの急変を防止すると共に、アレイ導波路格子を多段に接続した際に透過幅が狭くなって変調成分がカットされないようにするために、光周波数に対してピークレベルが平坦な透過特性を実現することが求められている。
【０００６】
また、このようなアレイ導波路格子１０を通信網に複数段使用した構成の従来の光通信システムでは、１つのアレイ導波路格子を通過する際の光周波数に対する損失特性（あるいは光透過特性）が複数段のアレイ導波路格子で繰り返され、中心周波数近傍での光周波数に対する損失特性がより急峻な放物線状となる。このため、レーザ光源の波長が中心光周波数から変動した際の影響を受けやすくなったり、変調成分がカットされやすくなったりするといった問題があった。このため、アレイ導波路格子による放物線状の損失特性を改善するために各種の努力が行われているものの、現状よりも向上させることが難しかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、フラットな光周波数特性を有するアレイ導波路格子を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、フラットな光周波数特性を有するアレイ導波路格子を使用したマルチプレクサ装置、デマルチプレクサ装置、ノード装置および光通信システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のアレイ導波路格子では、（イ）波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、（ロ）単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、（ハ）各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、（ニ）第１のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、（ホ）第２のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、（へ）第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がパラボラ形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴としている。
また、本発明のアレイ導波路格子では、（イ）波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、（ロ）単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、（ハ）各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、（ニ）第１のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、（ホ）第２のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、（へ）第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するマルチモード干渉器としての形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴としている。
更に、本発明のアレイ導波路格子では、（イ）波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、（ロ）単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、（ハ）各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、（ニ）第１のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、（ホ）第２のチャネル導波路とチャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、（へ）第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状が矩形の界分布を励起する矩形界分布励起形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴としている。
更にまた、本発明のマルチプレクサ装置では、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子を備え、互いに異なる光信号を合波することを特徴としている。
また、本発明のデマルチプレクサ装置では、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子を備え、波長多重された光信号を分波することを特徴としている。
また、本発明のノード装置では、（イ）波長多重された光信号を分波する第１のアレイ導波路格子と、（ロ）分波された光信号についてスルーまたはドロップを行い、また新たな光信号を加える光スイッチと、（ハ）スルーまたは加えられた光信号を合波する第２のアレイ導波路格子とを備え、（ニ）第１のアレイ導波路格子または第２のアレイ導波路格子は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子であることを特徴としている。
また、本発明の光通信システムでは、（イ）互いに異なる波長の光信号を送出する光送信手段と、（ロ）この光送信手段の送出した互いに異なる波長の光信号を波長多重するアレイ導波路格子を備えたマルチプレクサ装置と、（ハ）このマルチプレクサ装置から出力される波長多重された光信号を伝送する光伝送路と、（ニ）この光伝送路の途中に配置されたアレイ導波路格子を備えたノード装置と、（ホ）光伝送路をノードを経由して送られてきた光信号を入力し、互いに異なる波長の光信号に波長分離するアレイ導波路格子を備えたデマルチプレクサ装置と、（へ）このデマルチプレクサ装置によって波長分離された互いに異なる波長の光信号を受信する光受信機とを備え、（ト）各アレイ導波路格子のいずれかは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子であることを特徴としている。
【００２７】
【発明の実施の形態】
【００２８】
【実施例】
以下実施例につき本発明を詳細に説明する。
【００２９】
図１は本発明の一実施例における光通信システムの構成の概要を表わしたものである。この光通信システムで、送信側に配置されたＳＯＮＥＴ（Synchronous Optical Network）装置（光送信機）１０１から送り出された波長λ1〜λNのＮチャネル分の光信号は光マルチプレクサ（ＭＵＸ）１０２で多重された後、ブースタアンプ１０３で増幅されて光伝送路１０４に送り出される。光マルチプレクサ１０２は、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：arrayed waveguide）で構成されている。多重化された光信号１０５はインラインアンプ１０６で適宜増幅された後、プリアンプ１０７を経て光デマルチプレクサ（ＤＭＵＸ）１０８で元の波長λ1〜λNに分離され、ＳＯＮＥＴ装置（光受信機）１０９で受信されるが、その途中の光伝送路１０４に適宜の数のノード（ＯＡＤＭ）１１１1〜１１１Mが配置されている。これらのノード１１１1〜１１１Mでは、所望の波長の光信号が入出力されることになる。
【００３０】
図２は、ノードの構成の概要を示したものである。ここでは第１のノード１１１1を示しているが、第２〜第Ｍのノード１１１2〜１１１Mも原理的には同一の構成となっている。図１に示した光伝送路１０４は、第１のノード１１１1の入力側アレイ導波路格子（ＡＷＧ）１２１に入力されて波長λ1〜λNのＮチャネル分の光信号に分波され、各波長λ1〜λNごとに設けられた２入力２出力の光スイッチ１２２1〜１２２Nによって、それぞれの波長λ1〜λNの光信号のノード側受信部１２６に取り込む（drop）と共に、ノード側送信部１２４から送信した光信号を挿入する（Add）。２入力２出力の光スイッチ１２２1〜１２２Nの出力側はそれぞれに対応して設けられたアッテネータ（ＡＴＴ）１２７1〜１２７Nによってゲインを調整された後に出力側アレイ導波路格子１２８に入力されるようになっている。出力側アレイ導波路格子１２８は入力側アレイ導波路格子１２１と逆の構成の素子であり、波長λ1〜λNのＮチャネル分の光信号を多重して光伝送路１０４に光信号１０５として送り出すことになる。
【００３１】
このように図２に示した第１のノード１１１1を始めとして、図１に示した第２〜第Ｍのノード１１１2〜１１１Mおよび光マルチプレクサ１０２ならびに光デマルチプレクサ１０８は共にアレイ導波路格子を使用している。したがって、光信号１０５のチャネル数Ｎが多くなる要請の下で、アレイ導波路格子のよりフラットな光周波数特性が求められることになる。
【００３２】
図３は、本実施例で使用されるアレイ導波路格子の外観を表わしたものである。本実施例のアレイ導波路格子１３１は、基板１３２上に入力用チャネル導波路１３３と出力用チャネル導波路１３４と、放物線状に曲がったチャネル導波路アレイ１３５と、入力用チャネル導波路１３３とチャネル導波路アレイ１３５を接続する第１の扇型スラブ導波路１３６と、出力用チャネル導波路１３４とチャネル導波路アレイ１３５を接続する第２の扇型スラブ導波路１３７を形成している。チャネル導波路アレイ１３５はこれを構成する各導波路の長さが所定の導波路長差ΔＬで順次長くなるように構成されている。入力用チャネル導波路１３３には波長λ1〜λNの多重化された光信号１４１が入力され、出力用チャネル導波路１３４から各波長λ1〜λNに分離された光信号１４２が出力されるようになっている。
【００３３】
本実施例のアレイ導波路格子１３１は、基板１３２として半導体（シリコン）基板を使用している。そして、下層クラッド層としてリン、ゲルマニウム、チタン、ボロン、フッ素などを添加した石英系材料を、火炎堆積法、ＣＶＤ法、スパッタ法、スピンコート法、電子ビーム蒸着法などの手法を使用して厚さ数十μｍ堆積している。次に下層クラッド層よりも屈折率が高くなるように不純物を添加した石英のコア層を３〜８μｍ程度堆積して、図３に示すような光導波路形状のコア層を作製する。コア層の作製には、フォトリソグラフィを用いて微細領域を適切なマスク材に転写し、続いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置や反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）装置等のドライエッチング法によって不用領域を除去して行う。最後に、再び屈折率をコア層よりも低く設定した前記した石英系材料を用いて、厚さ数十μｍの上層クラッド層を堆積する。
【００３４】
図４は、第１の扇型スラブ導波路とこれに接続する入力用チャネル導波路およびチャネル導波路アレイの接続部分の構成を表わしたものである。入力用チャネル導波路１３３は第１の扇型スラブ導波路１３６に接続する側が長さｄ1にわたってテーパ状に広がっている。入力用チャネル導波路１３３のコア開口幅（光導波路幅）はＷｔであり、第１の扇型スラブ導波路１３６の曲率半径はＲ1である。第１の扇型スラブ導波路１３６に接続するチャネル導波路アレイ１３５はコア幅がＷｃで第１の扇型スラブ導波路１３６に向かう側が長さｄ2にわたってそれぞれテーパ状に広まっている。チャネル導波路アレイのコア開口幅はＤで、チャネル導波路アレイ１３５の間隔はＳ2である。このような第１の扇型スラブ導波路の入力側および出力側の構成は、図１４に示した従来の構成と特に異なるところはない。
【００３５】
図５は、第２の扇型スラブ導波路とこれに接続するチャネル導波路アレイおよび出力用チャネル導波路の接続部分の構成を表わしたものである。チャネル導波路アレイ１３５は第２の扇型スラブ導波路１３７に接続する側が長さｄ3にわたってテーパ状に広がっている。このテーパ状に広がる前のチャネル導波路アレイ１３５のコア幅はＷｃであり、コア開口幅はＤである。第２の扇型スラブ導波路１３６の曲率半径はＲ2である。チャネル導波路アレイ１３５の間隔はＳ3である。
【００３６】
第２の扇型スラブ導波路１３７に接続する出力用チャネル導波路１３４の導波路部分は、長さｄ4にわたってパラボラ形状となっている。パラボラ形状の導波路部分１５１と接続されたコア幅はＷｃであり、コア開口幅はＷｐである。本実施例ではパラボラ形状の導波路部分１５１が図３で示した光信号１４２の各波長λ1〜λNに応じてその形状を変化させている。長さｄ4を便宜的に長さＬで表わすことにする。
【００３７】
図３に示したアレイ導波路格子１３１の入力用チャネル導波路１３３に入射された光は、図４に示したそのテーパ状の導波路部分を通過する際に、ほぼガウシアン分布の界分布をなしたまま第１の扇型スラブ導波路１３６方向に進行する。この界分布の広がりは、テーパ終端の光導波路幅Ｗｔで決定する。この界分布を持った光は、第１の扇型スラブ導波路１３６で横方向に広がって進み、チャネル導波路アレイ１３５の各導波路を励振する。そして、第２の扇型スラブ導波路１３７において出力用チャネル導波路１３４の光周波数ｆあるいは長λ1〜λNに対応した位置にそれぞれ集光することになる。このとき、相反の定理によって、第２の扇型スラブ導波路１３７と出力用チャネル導波路１３４との境界における光分布もガウシアン分布となる。
【００３８】
図６は、パラボラ形状の導波路部分を具体的に表わしたものである。パラボラ形状の導波路部分１５１は、図５で説明したようにコア開口幅がＷｐ、長さがＬでパラボラ形状の導波路部分１５１と接続されたコア幅はＷｃとなっている。導波路部分１５１の任意の位置の幅をＷ（ｚ）とすると、これは次の（１）式で表わすことができる。
【００３９】
Ｗ（ｚ）＝｛２αλ／ｎeff（Ｌ−Ｚ）＋Ｗｃ2｝1/2 ……（１）
ここでαは定数、λは光波長、ｎeffは実効屈折率、Ｌはパラボラ部分の長さ、Ｗｃは出力用チャネル光導波路１３４の幅である。
【００４０】
この（１）式でコア開口幅Ｗｐは、第２の扇型スラブ導波路１３７と出力用チャネル導波路１３４との境界で生じるガウシアン分布の幅に比べて１〜５倍の幅となるように大きく設定されている。したがって、温度変化等によってレーザ光源の周波数ｆが多少変動しても出力用チャネル導波路１３４へ結合する光の量はほぼ一定に保たれる。このため、光源の周波数ｆが変化しても分波出力がほぼ一定となるような平坦な光周波数特性を実現することができる。
【００４１】
ところで本実施例のアレイ導波路格子では、分波した各光周波数ｆに対応して、既に説明したように各出力用チャネル光導波路１３４のパラボラ形状のパラメータを補正することで、各チャネル間で差異の僅差な透過光周波数特性を実現している。
【００４２】
図７は、パラボラ形状の係数αに対する透過幅と挿入損失の変化の計算を、光周波数特性の平坦化を行っていないものと比較して示したものである。縦軸は係数αを変化させてパラボラ形状を変えていったときの透過特性の平坦性と過剰損失を表わしており、パラボラ形状の係数αが１．１０近傍で最も平坦な特性が得られる。アレイ導波路格子１３１では、次に説明するように入力用チャネル導波路１３３の第１の扇型スラブ導波路１３６との接続箇所をパラボラ形状の導波路部分とすることで平坦性を確保する提案もあるが、本実施例のように出力用チャネル導波路１３４が第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分１５２（図３）をパラボラ形状とすることで同様の効果を得ることがわかる。
【００４３】
図８は、入力用チャネル導波路の第１の扇型スラブ導波路との接続箇所をパラボラ形状の導波路部分とする提案のその接続部分の構成を表わしたものである。この図８では本発明の実施例と区別するために図１３と同一部分には図１３と同一の符号を付している。特開平９−２９７２２８号公報に開示されたこの提案では、第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍における入力用チャネル導波路１２の各導波路のコアがパラボラ形状をしている。これに対して、第１の扇型スラブ導波路１５との境界近傍におけるチャネル導波路アレイ１４の各導波路のコアは、直線状に広がるテーパ形状をしている。ここで、第１の扇型スラブ導波路１５の曲率半径は符号Ｒで示しており、入力用チャネル導波路１２のパラボラ状の導波路のコア開口幅は符号Ｗで示している。入力用チャネル導波路１２の間隔は符号Ｓ1で示しており、パラボラ形状の導波路部分の長さはｌ1で示している。チャネル導波路アレイ１４のテーパ形状の導波路のコア開口幅は符号Ｄで示しており、チャネル導波路部分のコア幅は符号Ｗｃで示している。チャネル導波路アレイ１４の間隔は符号Ｓ2で示しており、テーパ形状の導波路の長さを符号ｄ2で示している。この図８に示す提案でも、光周波数に対してピークレベルが平坦な透過特性を実現することができるとされている。
【００４４】
しかしながらこの図８に示した提案では、大容量の情報伝送を可能にするために波長多重度を更に向上させようとしても限界がある。これを次に説明する。図８に示した提案のアレイ導波路格子では、入射側にパラボラ状の導波路部分がある。したがって、チャネル導波路アレイ１４側のテーパ幅としてのコア開口幅Ｄを波長に応じて個別設定が可能であるとしても、パラボラ状の導波路のコア開口幅Ｗはそれぞれの波長に共通した１つのパラボラ状の導波路部分を使用しているので、共通にならざるを得ない。また、先の（１）式で示した係数αも一定となる。
【００４５】
これに対して本実施例のように各波長λ1〜λNに対応する位置に個別にパラボラ形状の導波路部分１５１が存在する場合には、コア開口幅（光導波路幅）Ｗｔが共通であるが、コア開口幅Ｗｐを各波長λ1〜λNに合わせて設定可能である。また、係数αもこれらに応じて個別設定が可能である。このため、図８に示した提案と比べると、設計の自由度が大きい。したがって、光周波数ｆに対して透過光周波数特性の微妙な調整を行うことが可能になる。
【００４６】
このような光周波数ｆに対する透過光周波数特性の微妙な調整について、説明を補足する。アレイ導波路格子の光透過特性の波長依存性は、従来から使用されている波長範囲では小さいが広帯域化の進展と共に波長依存性が大きくなって特性差を無視することができなくなっている。波長依存性の傾向としては、一般に短波長側に行くに従って高次モードが励振されやすくなり、また長波長側に行くに従って導波しにくくなり、カットオフという問題が生じる。アレイ導波路格子では高次モードである矩形界分布の励起を用いている。従って、短波長側に行くほど矩形界分布は励起されやすくなり、光透過特性における平坦性は増加する。逆に長波長側に行くほど光透過特性における平坦性は減少する。挿入損失の一要因である伝搬損失については長波長側ほど増加する。短波長側については、高次モードが励起されないある波長域までは減少する。
【００４７】
以上のような特性の波長依存性を解消するためには、短波長領域で、平坦性の僅かな増加と損失の僅かな減少（更に短波長側に進むと反対に増加傾向になる。）を補正するように係数α、コア開口幅Ｗｔ、Ｗｐを調整するようにすればよい。また、長波長側では平坦性が僅かな減少と損失の僅かな増加を補正するようにこれらの係数α、コア開口幅Ｗｔ、Ｗｐを調整するようにすればよい。
【００４８】
図９は、透過周波数特性の各種計算結果を示したものである。この図で曲線１６１は図１３および図１４で説明した平坦化を行っていない無平坦化の場合の各光波長に対する光出力を示したものである。また、曲線１６２は係数αを０．９５とした場合の各光波長に対する光出力を示し、曲線１６３は係数αを１．１とした場合の各光波長に対する光出力を示し、曲線１６４は係数αを１．２とした場合の各光波長に対する光出力を示している。
【００４９】
係数αを１．１とした場合の曲線１６３を基準にして考察する。係数αを０．９５とした曲線１６２は、透過幅が同一のままで損失を変化させたものである。一方、曲線１６３で示した透過特性に対して損失が同一のままで透過幅を変化させたものが、係数αを１．２とした曲線１６４で示した透過特性となる。このように本実施例のアレイ導波路格子１３１（図３）の場合には、適切なパラメータに調整することで、各チャネル間における透過周波数特性の差異を補正して僅差に追い込むことができる。
【００５０】
したがって、図８で提案されたアレイ導波路格子よりも広帯域動作性を向上したアレイ導波路格子を実現することができるだけでなく、図１に示したような光通信システムでノード１１１を多段に使用しても透過幅が狭くなったり変調成分がカットされるという不都合を解消することができる。
【００５１】
変形例
【００５２】
図１０は、本発明の変形例としてＭＭＩ光導波路を使用したアレイ導波路格子の要部を示したものである。この図１０に示した部分は、図３における出力用チャネル導波路１３４が第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分１５２と同一範囲を示している。ＭＭＩ（Multi-Mode Interference：マルチモード干渉器）光導波路は、ステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するような形状をなしている。したがって、第２の扇型スラブ導波路１３７に接続する出力用チャネル導波路１３４の導波路部分２０１をＭＭＩ光導波路とすることで、同様にこの導波路部分をテーパ状とした場合の不都合を解消することができる。
【００５３】
ここで導波路部分２０１はコア開口幅がＷｍであり、長さがＬｍである。これらの値は各波長λ1〜λNに合わせて設定可能であり、これにより図８で提案されたアレイ導波路格子よりも波長多重度を向上させることができる。
【００５４】
発明の変形可能性
【００５５】
図１１は、第２の扇型スラブ導波路に接続する出力用チャネル導波路の形状の可能性を考察したものである。この図で実線は図１０で説明したＭＭＩ光導波路の形状を示している。このＭＭＩ光導波路２１１で、出力用チャネル導波路１３４は光導波路幅の変化開始位置から外側に直角に折れ曲がっている。これに対して図４等に示した従来の第１の扇型スラブ導波路１３６に接続する入力用チャネル導波路の場合には、図１１で２点鎖線２１４で示したように９０度よりも小さい所定の角度θTだけ外側に折れ曲がったテーパ状となっている。
【００５６】
既に説明したように、出力用チャネル導波路１３４の第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分がテーパ状となっている場合には光分布がガウシアン分布となる。したがって、このように導波路部分がテーパ状となっているような形状を除いた曲線、たとえば曲線２１５、２１６は同様に光源の周波数ｆが変化しても分波出力がほぼ一定となるような平坦な光周波数特性を実現することができる。徐々に幅が１次関数に変化する形状としてのテーパ形状は、高次モードでの励振が起こらない。このようにテーパ形状は断熱的な変化を行うために、矩形界分布励起形状としては不適切であり、除外している。
【００５７】
したがって、３次、４次等の高次関数あるいはハミング関数等の関数で、上記した角度条件を満足する形状を実現することにより、平坦な光周波数特性を得ることが同様に可能になる。一般にこのような矩形界分布励起形状は、導波路の幅変化開始点における出力用チャネル導波路１３４の境界部分と導波路の中心軸となす角度θWが、次の角度範囲となるような形状である。ただし、テーパ形状は除外する。
０゜＜θW＜９０゜
【００５８】
ここで下限の０゜＜θWの条件は、高次モードの励振が必要なことから光導波路を広くとる必要があることに起因する。また、上限のθW＜９０゜については幅変化領域に到達する前で不必要な結合を防ぐ主旨である。
【００５９】
また実施例および変形例では出力用チャネル導波路１３４の第２の扇型スラブ導波路１３７と接続する導波路部分が１種類の曲線あるいは直線形状と接続する場合を示したがこれに限るものではない。この例を次に説明する。
【００６０】
図１２は、出力用チャネル導波路が第２の扇型スラブ導波路と接続する部分が第１〜第３の領域を連結した形状を有している場合を示したものである。このうち第１の領域２３１は一定の幅Ｗ1からなる導波路部分であり、第２の領域２３２は幅Ｗ1からこれよりも広い幅Ｗ2にテーパ状に広がる導波路部分である。第３の領域２３３は第２の領域２３２と幅Ｗ2で接続し、これよりも大きな幅Ｗ3にまで拡大する形状となっており、この形状は矩形界分布を励起する矩形界分布励起形状となっている。なおこの図では出力用チャネル導波路の幅Ｗ1とＷ2は後者の方が大きくなる場合を示したが、これに限るものではない。すなわち、幅Ｗ1とＷ2が等しくてもよいし、幅Ｗ1の方が幅Ｗ2よりも大きい場合であってもよい。また、第２の領域２３２は必ずしも直線的な変化を示す形状である必要はなく、第１の領域２３１と第２の領域２３２を滑らかに接続する曲線形状であってもよいことは当然である。
【００６１】
なお、以上説明した実施例および変形例では図１に示したように光送信機と光受信機の間を結ぶ伝送路上に複数のアレイ導波路格子を配置した光通信システムを説明した。このような直線的な伝送路を使用した光通信システムに本発明を適用することができるだけでなく、複数のノードあるいはアレイ導波路格子を環状に配置した光通信システムに対しても本発明を適用することができることは当然である。
【００６２】
更に実施例ではスラブ導波路として扇型スラブ導波路を使用した例について説明したが、その形状が扇型に限るものでないことも当然である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、第２のチャネル導波路が第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がパラボラ形状、ステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するマルチモード干渉器としての形状、あるいは矩形の界分布を励起する矩形界分布励起形状をなして、第２のチャネル導波路から第２のスラブ導波路に向けて導波路部分の幅が拡大されており、さらに導波路部分の形状が第２のチャネル導波路を伝搬する単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしているので、フラットな光周波数特性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における光通信システムの構成の概要を表わしたシステム構成図である。
【図２】本実施例の光通信システムに使用されるノードの構成の概要を示したブロック図である。
【図３】本実施例のアレイ導波路格子の外観を表わした斜視図である。
【図４】本実施例で第１の扇型スラブ導波路とこれに接続する入力用チャネル導波路およびチャネル導波路アレイの接続部分の構成を表わした平面図である。
【図５】本実施例で第２の扇型スラブ導波路とこれに接続するチャネル導波路アレイおよび出力用チャネル導波路の接続部分の構成を表わした要部平面図である。
【図６】本実施例のパラボラ形状の導波路部分を具体的に表わした説明図である。
【図７】パラボラ形状の係数αに対する透過幅と挿入損失の変化の計算を、光周波数特性の平坦化を行っていないものと比較して示した特性図である。
【図８】入力用チャネル導波路の第１の扇型スラブ導波路との接続個所をパラボラ形状の導波路部分とする提案の接続部分の構成を表わした要部平面図である。
【図９】透過周波数特性の各種計算結果を示した特性図である。
【図１０】本発明の変形例としてＭＭＩ光導波路を第２の扇型スラブ導波路の出力側に使用したアレイ導波路格子の要部を示した要部平面図である。
【図１１】第２の扇型スラブ導波路に接続する出力用チャネル導波路の形状の変形可能性を示した説明図である。
【図１２】出力用チャネル導波路が第２の扇型スラブ導波路と接続する部分が第１〜第３の領域を連結した形状を有している場合を変形例として示した説明図である。
【図１３】従来のアレイ導波路格子の構成を示した斜視図である。
【図１４】図１３に示したアレイ導波路格子における第１の扇型スラブ導波路の入力側および出力側の構成を表わしたものである。
【符号の説明】
１０１ ＳＯＮＥＴ装置（光送信機）
１０２ 光マルチプレクサ
１０８ 光デマルチプレクサ
１０９ ＳＯＮＥＴ装置（光受信機）
１１１ ノード
１２１ 入力側アレイ導波路格子（ＡＷＧ）
１２８ 出力側アレイ導波路格子
１３３ 入力用チャネル導波路
１３４ 出力用チャネル導波路
１３５ チャネル導波路アレイ
１３６ 第１の扇型スラブ導波路
１３７ 第２の扇型スラブ導波路
１４１ 波長λ1〜λNの多重化された光信号
１４２ 各波長λ1〜λNに分離された光信号
１５１ パラボラ形状の導波路部分
１５２、２０１ 導波路部分
Claims (11)
- 波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、
単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、
各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、
前記第１のチャネル導波路と前記チャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、
前記第２のチャネル導波路と前記チャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、
前記第２のチャネル導波路が前記第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がパラボラ形状をなして、前記第２のチャネル導波路から前記第２のスラブ導波路に向けて前記導波路部分の幅が拡大されており、さらに前記導波路部分の形状が前記第２のチャネル導波路を伝搬する前記単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴とするアレイ導波路格子。 - 波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、
単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、
各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、
前記第１のチャネル導波路と前記チャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、
前記第２のチャネル導波路と前記チャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、
前記第２のチャネル導波路が前記第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状がステップ関数的に不連続に光導波路幅が変化するマルチモード干渉器としての形状をなして、前記第２のチャネル導波路から前記第２のスラブ導波路に向けて前記導波路部分の幅が拡大されており、さらに前記導波路部分の形状が前記第２のチャネル導波路を伝搬する前記単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴とするアレイ導波路格子。 - 波長多重された光信号を入力または出力すると共に伝搬する第１のチャネル導波路と、
単一波長の光信号を入力または出力すると共に伝搬する複数本の第２のチャネル導波路と、
各導波路の長さが所定の導波路長差で順次長くなるように構成された複数本のチャネル導波路アレイと、
前記第１のチャネル導波路と前記チャネル導波路アレイとを光学的に接続する第１のスラブ導波路と、
前記第２のチャネル導波路と前記チャネル導波路アレイとを光学的に接続する第２のスラブ導波路とを備え、
前記第２のチャネル導波路が前記第２のスラブ導波路と接続する導波路部分の形状が矩形の界分布を励起する矩形界分布励起形状をなして、前記第２のチャネル導波路から前記第２のスラブ導波路に向けて前記導波路部分の幅が拡大されており、さらに前記導波路部分の形状が前記第２のチャネル導波路を伝搬する前記単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整され、各波長間での透過周波数特性の差異を小さくしていることを特徴とするアレイ導波路格子。 - 前記矩形界分布励起形状は、導波路の幅変化開始点における出力用チャネル導波路の境界部分と導波路の中心軸のなす角度θWが、０度よりも大きく９０度よりも小さい値となるような形状であり、このうちテーパ形状を除外した形状となっていることを特徴とする請求項３記載のアレイ導波路格子。
- 前記透過周波数特性の差異は、各波長間での挿入損失の差異であることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかに記載のアレイ導波路格子。
- 前記透過周波数特性の差異は、各波長間での光透過特性における平坦性の差異であることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかに記載のアレイ導波路格子。
- 前記単一波長の光信号の波長に応じて個別に調整とは、前記第２のスラブ導波路と接続される前記導波路部分のコア開口幅が個別に調整されることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかに記載のアレイ導波路格子。
- 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子を備え、互いに異なる光信号を合波することを特徴とするマルチプレクサ装置。
- 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子を備え、波長多重された光信号を分波することを特徴とするデマルチプレクサ装置。
- 波長多重された光信号を分波する第１のアレイ導波路格子と、
分波された光信号についてスルーまたはドロップを行い、また新たな光信号を加える光スイッチと、
スルーまたは加えられた光信号を合波する第２のアレイ導波路格子とを備え、
前記第１のアレイ導波路格子または前記第２のアレイ導波路格子は、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子であることを特徴とするノード装置。 - 互いに異なる波長の光信号を送出する光送信手段と、
この光送信手段の送出した互いに異なる波長の光信号を波長多重するアレイ導波路格子を備えたマルチプレクサ装置と、
このマルチプレクサ装置から出力される波長多重された光信号を伝送する光伝送路と、
この光伝送路の途中に配置されたアレイ導波路格子を備えたノード装置と、
前記光伝送路を前記ノードを経由して送られてきた光信号を入力し、互いに異なる波長の光信号に波長分離するアレイ導波路格子を備えたデマルチプレクサ装置と、
このデマルチプレクサ装置によって波長分離された互いに異なる波長の光信号を受信する光受信機とを備え、
前記各アレイ導波路格子のいずれかは、請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイ導波路格子であることを特徴とする光通信システム。
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