JP3762770B2 - 波長分割多重化／逆多重化器 - Google Patents
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Description
本発明は、波長分割多重化(ＷＤＭ;wavelength division multiplex)方式の光通信ネットワークに利用される光通信デバイスに関するもので、特に、光信号の多重化／逆多重化機能を遂行する波長分割多重化／逆多重化器に関する。
大容量の情報を伝送するために使用される波長分割多重化方式の光通信ネットワークでは、通常、一本の光ファイバを通じて多チャネルで構成された光信号を同時に伝送する。このため、波長分割多重化方式の光通信ネットワークの送信端では各光信号を多重化し（マルチプレクス）、受信端では多重化された光信号を受信して各波長を有する光信号に逆多重化し（デマルチプレクス）、それぞれ電気信号に変換する。単一モード光ファイバを基盤にする波長分割多重化方式の光通信ネットワークで多チャネル光信号を逆多重化する波長分割多重化／逆多重化器には、平面光導波路素子(ＰＬＣ;planar lightwave circuit)技術を基盤にする導波路列格子(ＡＷＧ:Arrayed Waveguide Grating)を利用することができる。平面光導波路素子はシリコン(silicon)や石英(quartz)基板に多層のシリカ(silica)またはポリマー(polymer)薄膜を蒸着して構成される。
一方、光信号の逆多重化において、多重化された光信号の入力導波路形状は光信号の帯域幅及び信号品質を決定する。
図１は従来における波長分割多重化／逆多重化器の入力導波路を説明するための図である。図１に示したように、従来の波長分割多重化／逆多重化器の入力導波路３１３は、多重化光信号を波長分割多重化／逆多重化器の格子に入力する。逆に、波長分割多重化／逆多重化器が多重化器として動作する場合、入力導波路３１３は多重化された光信号を出力することができる。
入力導波路３１３は光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ１が徐々に増加するパラボリックホーン(parabolic horn)形状として、数式１によりその幅Ｗ１の変化量が決定され、入力導波路３１３の形状は数式２により設定される。
式中、ｚ１は入力導波路３１３の入力端から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗ１はｚ１における入力導波路３１３の幅、Ｗi1は入力導波路３１３の入力端の幅、λgは光信号の有効波長(effective wavelength)、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数(coupling coefficient)を意味する。
多重化光信号は、このようなパラボリックホーン形状の入力導波路３１３を進行しながら、低次モードから２次モード、または２次モード以上の高次モードにカップリングされ帯域幅が拡張される。結果的に光信号は平坦なフィールド分布を有するようになる。数式３は多重化光信号が入力導波路３１３を進行するにつれて発生する結合係数と、低次モードから高次モードにカップリングされる光信号のパワー(Ｐｊ)の最大値との関係を示す関係式であり、図５は多重化光信号が入力導波路を進行するときの低次モードから高次モードにカップリングされる光信号のパワー(Ｐｊ)分布を測定したグラフである。
式中、Ｐｊは低次モードから高次モードにカップリングされる光信号のパワー、Ｐ０は入力導波路３１３に入力された当初の光信号のパワーを意味する。数式３及び図５に示したように、低次モードから高次モードにカップリングされる光信号のパワー(Ｐｊ)は、入力導波路３１３の入力端部の幅Ｗi1と所定位置における入力導波路３１３の幅Ｗ１に応じて可変である。
しかし、単純なパラボリックホーン形状の入力導波路では、光信号の帯域幅が拡張されるにつれて隣接チャネルの光信号に干渉され、信号品質が低下するという問題点がある。さらに、低次モードから高次モードに光信号がカップリングされることによってサイドローブ(side lobe)が発生する。このサイドローブによる隣接チャネル間の干渉現象は光信号の信号品質を低下させる主要因として作用するようになる。
以上のような従来技術の問題点を解決する本発明の目的は、低次モードから高次モードに光信号がカップリングされることにより発生するサイドローブを減少させ、多重化光信号の逆多重化過程で、帯域幅の拡張と信号品質の低下防止を実現可能な構造の入力導波路を設けた波長分割多重化／逆多重化器を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、多数の光導波路で構成された導波路列格子と、導波路列格子に多重化光信号を入力させるための入力導波路と、導波路列格子により逆多重化された各チャネルの光信号を出力するための出力導波路と、導波路列格子と入力導波路との間及び導波路列格子と出力導波路との間に各々設けられたスラブ導波路と、を所定の基板上に形成した平面光導波路素子からなる波長分割多重化／逆多重化器において、入力導波路は、光信号の進行方向に沿って徐々に幅が増加し、多重化光信号の帯域幅を拡張させる第１サブ導波路と、第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が減少してスラブ導波路に接続し、数式４（式中、Ｗ２は第２サブ導波路の幅、λgは光信号の有効波長、ｚ２は第１サブ導波路の端部から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗi2は第１及び第２サブ導波路の接点における第２サブ導波路の幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数）により設定される形状からなり、高次モードによるサイドローブを減少させる第２サブ導波路と、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、多数の光導波路で構成された導波路列格子と、導波路列格子に多重化光信号を入力させるための入力導波路と、導波路列格子により逆多重化された各チャネルの光信号を出力するための出力導波路と、導波路列格子と入力導波路との間及び導波路列格子と出力導波路との間に各々設けられたスラブ導波路と、を所定の基板上に形成した平面光導波路素子からなる波長分割多重化／逆多重化器において、入力導波路は、光信号の進行方向に沿って徐々に幅が増加し、多重化光信号の帯域幅を拡張させる第１サブ導波路と、第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が減少してスラブ導波路に接続し、数式５（式中、Ｗ２は第２サブ導波路の幅、ｚ２は第１サブ導波路の端部から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗi2は第１及び第２サブ導波路の接点における第２サブ導波路の幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数）により設定される形状からなり、高次モードによるサイドローブを減少させる第２サブ導波路と、を備えることを特徴とする。
また、本発明は、多数の光導波路で構成された導波路列格子と、導波路列格子に多重化光信号を入力させるための入力導波路と、導波路列格子により逆多重化された各チャネルの光信号を出力するための出力導波路と、導波路列格子と入力導波路との間及び導波路列格子と出力導波路との間に各々設けられたスラブ導波路と、を所定の基板上に形成した平面光導波路素子からなる波長分割多重化／逆多重化器において、入力導波路は、光信号の進行方向に沿って徐々に幅が増加し、多重化光信号の帯域幅を拡張させる第１サブ導波路と、第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が減少してスラブ導波路に接続し、数式６（式中、Ｗ２は第２サブ導波路の幅、ｚ２は第１サブ導波路の端部から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗi2は第１及び第２サブ導波路の接点における第２サブ導波路の幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数）により設定される形状からなり、高次モードによるサイドローブを減少させる第２サブ導波路と、を備えることを特徴とする。
この場合も第１サブ導波路は、パラボリックホーン形状とすることができ、また第２サブ導波路は、第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が線形的に減少する形状や第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って幅が徐々に減少する逆パラボリックホーン形状等とすることができる。
この平面光導波路素子は、第１及び第２サブ導波路を備えた入力導波路を導波路列格子の両端にそれぞれ設け、これら入力導波路と並列に配列して導波路列格子の両端に出力導波路を設けた双方向多重化／逆多重化構造とすることも可能である。
本発明に従う波長分割多重化／逆多重化器は、多重化光信号の入力導波路が光信号の進行方向に所定長さまでその幅が徐々に増加してから、その後は徐々に減少する形状をもち、その幅が徐々に増加する導波路上で入力光信号は帯域幅が拡張され、その幅が徐々に減少する導波路上では入力光信号のサイドローブが減少して隣接チャネル間干渉現象を防止することができる。従って、波長分割多重化方式の通信ネットワークなど光通信ネットワーク上で送受信される光信号の品質が向上する。
以下、本発明の好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
図２は本発明に従う波長分割多重化／逆多重化器の入力導波路４１３を説明するための図である。図２に示したように、波長分割多重化／逆多重化器の入力導波路４１３は、光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ１が徐々に増加するパラボリックホーン形状の第１サブ導波路４１３ａと、第１サブ導波路４１３ａの端部から延長され光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ２が徐々に減少する形状の第２サブ導波路４１３ｂとで構成される。
第１サブ導波路４１３ａは光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ１が徐々に増加するパラボリックホーン形状をもち、数式７によりその形状が設定される。
式中、ｚ１は第１サブ導波路４１３ａの入力端から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗ１は第１サブ導波路４１３ａの幅、Ｗi1は第１サブ導波路４１３ａの入力端の幅、λgは光信号の有効波長、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数を意味する。
多重化された光信号は、パラボリックホーン形状の第１サブ導波路４１３ａを進行しながら低次モードから２次モード以上の高次モードにカップリングされ、その帯域幅が拡張される。また、当該光信号が低次モードから高次モードにカップリングされるときに、帯域幅が拡張されると同時に平坦フィールド分布を有するようになる。
第２サブ導波路４１３ｂは光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ２が徐々に減少する形状をもち、数式８乃至数式１０によりその形状が多様に設定される。
これらの式中、ｚ２は第１サブ導波路４１３ａの端部（幅Ｗ１が最大値）から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗ２はｚ２における第２サブ導波路４１３ｂの幅、λgは光信号の有効波長、Ｗi2は 第１サブ導波路４１３ａと第２サブ導波路４１３ｂとの接点（幅Ｗ１が最大値）における第２サブ導波路４１３ｂの幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数をそれぞれ意味する。
数式８によると、第２サブ導波路４１３ｂは光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ２が徐々に減少する逆パラボリックホーン形状である。数式９によると、第２サブ導波路４１３ｂは光信号の進行方向に指数(exponential)関数曲線に沿ってその幅Ｗ２が徐々に減少するテーパの形状である。また、数式１０によると、第２サブ導波路４１３ｂは光信号の進行方向に線形(linear)的にその幅Ｗ２が徐々に減少するテーパの形状である。
第１サブ導波路４１３ａは光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ１が徐々に増加する形状で、入力される多重化光信号が低次モードから高次モードにカップリングされながら帯域幅が拡張される。この時、多重化光信号の拡張帯域幅は確保されるが、高次モードにより発生するサイドローブは隣接チャネルの光信号と干渉され信号品質を低下させるようになる。
第１サブ導波路４１３ａを進行した光信号は第２サブ導波路４１３ｂに入力される。
第２サブ導波路４１３ｂは光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ２が徐々に減少する形状であり、前述したように第２サブ導波路４１３ｂの形状は数式８乃至数式１０により定義することができる。
第１サブ導波路４１３ａでは光信号が低次モードから高次モードにカップリングされるが、これは第１サブ導波路４１３ａの幅Ｗ１が光信号の進行方向に沿って徐々に増加するからである。一方、第２サブ導波路４１３ｂは光信号の進行方向に沿ってその幅Ｗ２が徐々に減少する形状であるので、第２サブ導波路４１３ｂを進行する光信号は高次モードから低次モードにカップリングされる。従って、高次モードの光信号により発生されたサイドローブは減少するようになる。
この時、第１サブ導波路４１３ａ及び第２サブ導波路４１３ｂを進行して波長分割多重化／逆多重化器の格子に入力される光信号の帯域幅は、第２サブ導波路４１３ｂの端部の幅Ｗmin2により決定される。従って、第２サブ導波路４１３ｂの端部幅Ｗmin2を調節することにより、波長分割多重化／逆多重化器に入力される多重化光信号の帯域幅は十分に確保することが可能であり、同時に隣接チャネルとの干渉をもたらすサイドローブを減少させることもできる。
図３は図２に示した入力導波路が適用された例として、波長分割多重化／逆多重化器を示す斜視図である。図３に示したように、波長分割多重化／逆多重化器１００は、シリコン又は石英の基板１０１上に導波路列格子１１１を形成し、その一端部には入力導波路４１３が連結され、他端部には多数の出力導波路１１５が連結される。また、入力導波路４１３と導波路列格子１１１の間及び出力導波路１１５と導波路列格子１１１の間にはそれぞれスラブ導波路１１７，１１９が設けられる。
波長分割多重化／逆多重化器１００は、多重化光信号が入力導波路４１３を通じて入力され、出力導波路１１５を通じて出力される場合、逆多重化を遂行する。即ち、多重化光信号が入力導波路４１３を通じて入力され、導波路列格子１１１を通じて各チャネルに逆多重化された後、出力導波路１１５を通じてそれぞれ出力されるものである。
それとは反対に、波長分割多重化／逆多重化器１００は、それぞれ波長が異なる多数の光信号が出力導波路１１５を通じて入力され、入力導波路４１３を通じて出力される場合、多重化を実施する。即ち、単一チャネルの光信号がそれぞれ出力導波路１１５を通じて入力され導波路列格子１１１により多チャネルの光信号に多重化された後、入力導波路４１３を通じて出力される。
図４は図２に示した入力導波路が適用された他の例として、双方向波長分割多重化／逆多重化器を示す斜視図である。図４に示したように、双方向波長分割多重化／逆多重化器２００は、シリコン又は石英の基板２０１上に導波路列格子２１１を形成し、導波路列格子２１１の両端部にそれぞれ多数の光導波路２１３ａ，２１５ａが連結される。また、光導波路２１３ａ，２１５ａと導波路列格子２１１との間にはスラブ導波路２１７，２１９が設けられる。光導波路２１３ａ，２１５ａは、多重化された光信号が進行する多チャネル導波路４１３と、単一チャネル光信号が進行する導波路と、を含む。
一端の多チャネル導波路４１３に入力される多重化光信号は、導波路列格子２１１により各チャネルの光信号に逆多重化され、逆多重化された光信号は他端の光導波路２１５ａを通じてそれぞれ出力される。また、他端の多チャネル導波路４１３に入力される多重化光信号も同様に逆多重化され、一端の光導波路２１３ａを通じてそれぞれ出力される。
一方、双方向波長分割多重化／逆多重化器２００は、単一チャネルの光信号が一端の光導波路２１３ａを通じてそれぞれ入力され、導波路列格子２１１により多重化され、他端の多チャネル導波路４１３を通じて出力される。また、他端の光導波路２１５ａを通じてそれぞれ入力される単一チャネルの光信号は、導波路列格子２１１により多重化され、一端の多チャネル導波路４１３を通じて出力される。
即ち、双方向波長分割多重化／逆多重化器２００は、単一チャネルの光信号を入力、または出力することができる。これは多数の光導波路２１３ａ，２１５ａと少なくとも一つの多チャネル導波路４１３が並列に配列され、導波路列格子２１１の両端に両分して設けられることにより、光信号の双方向多重化及び逆多重化が可能なものである。
一方、このような入力導波路４１３は波長分割多重化／逆多重化に利用される平面光導波路素子だけではなく、反射形回折格子などにも適用できることは自明である。
以下、図６乃至図８を参照して、従来の入力導波路３１３と、本発明に従う入力導波路４１３とについて、これらを通じて導波路列格子にそれぞれ入力され、逆多重化された後に出力される光信号のスペクトルに対して説明する。
図６は従来の、光信号の進行方向に沿ってその幅が徐々に増加するパラボリックホーン形状の入力導波路３１３を通じて導波路列格子に入力され、逆多重化された後に出力される光信号のスペクトルを測定したものである。図６に示したように、１５４４.５μｍ波長を中心波長にする光信号が従来の入力導波路３１３を通じて導波路列格子に入力される場合、大略１５４３μｍの前後の波長帯域と、１５４６μｍ前後の波長帯域でサイドローブが発生することを確認することができる。このような、高次モードによるサイドローブは本発明の第１サブ導波路４１３ａでも同一に示される。
第１サブ導波路４１３ａを進行して図６に示したようなスペクトルを有する光信号は、第２サブ導波路４１３ｂを通じて高次モードから低次モードにカップリングされながらサイドローブが除去される。数式８による第２サブ導波路４１３ｂを進行して導波路列格子に入力され逆多重化された後に出力される光信号のスペクトルを図７に示す。図６に示した光信号スペクトルと比較した時、図７に示した本発明の入力導波路４１３を進行した光信号のスペクトルでは、サイドローブが非常に減少していることが分かる。
図８は、従来の入力導波路３１３を進行して導波路列格子に入力される光信号と、本発明の入力導波路４１３を進行して導波路列格子に入力される光信号とのフィールドプロファイルをそれぞれ示すグラフである。図８に示したように、入力導波路の中心から大略±１８μｍ範囲から外れた位置では、従来の入力導波路３１３及び本発明の入力導波路４１３を進行した光信号の両方にサイドローブが発生することが分かる。しかし、従来の入力導波路３１３を進行した光信号に比べて、本発明の入力導波路４１３を進行した光信号は、同一の帯域幅が確保されながらサイドローブは非常に減少している。特に、隣接したチャネルが存在する位置である入力導波路４１３の中心から±２４μｍである位置でのサイドローブは５ｄＢ程度減少することが測定されている。サイドローブの減少は直接的に隣接チャネルとの干渉現象を減少させる効果を奏する。
以上、本発明の詳細な説明では具体的実施形態について説明したが、特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が当該技術分野における通常の知識を持つ者により可能なのは明らかである。
４１３ 入力導波路
４１３ａ 第１サブ導波路
４１３ｂ 第２サブ導波路
４１３ａ 第１サブ導波路
４１３ｂ 第２サブ導波路
Claims (5)
- 多数の光導波路で構成された導波路列格子と、前記導波路列格子に多重化光信号を入力させるための入力導波路と、前記導波路列格子により逆多重化された各チャネルの光信号を出力するための出力導波路と、前記導波路列格子と前記入力導波路との間及び前記導波路列格子と前記出力導波路との間に各々設けられたスラブ導波路と、を所定の基板上に形成した平面光導波路素子からなる波長分割多重化／逆多重化器において、
前記入力導波路は、
光信号の進行方向に沿って徐々に幅が増加し、前記多重化光信号の帯域幅を拡張させる第１サブ導波路と、
前記第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が減少して前記スラブ導波路に接続し、数式１（式中、Ｗ２は第２サブ導波路の幅、λgは光信号の有効波長、ｚ２は第１サブ導波路の端部から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗi2は第１及び第２サブ導波路の接点における第２サブ導波路の幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数）により設定される形状からなり、高次モードによるサイドローブを減少させる第２サブ導波路と、を備えることを特徴とする波長分割多重化／逆多重化器。
- 多数の光導波路で構成された導波路列格子と、前記導波路列格子に多重化光信号を入力させるための入力導波路と、前記導波路列格子により逆多重化された各チャネルの光信号を出力するための出力導波路と、前記導波路列格子と前記入力導波路との間及び前記導波路列格子と前記出力導波路との間に各々設けられたスラブ導波路と、を所定の基板上に形成した平面光導波路素子からなる波長分割多重化／逆多重化器において、
前記入力導波路は、
光信号の進行方向に沿って徐々に幅が増加し、前記多重化光信号の帯域幅を拡張させる第１サブ導波路と、
前記第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が減少して前記スラブ導波路に接続し、数式２（式中、Ｗ２は第２サブ導波路の幅、ｚ２は第１サブ導波路の端部から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗi2は第１及び第２サブ導波路の接点における第２サブ導波路の幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数）により設定される形状からなり、高次モードによるサイドローブを減少させる第２サブ導波路と、を備えることを特徴とする波長分割多重化／逆多重化器。
- 多数の光導波路で構成された導波路列格子と、前記導波路列格子に多重化光信号を入力させるための入力導波路と、前記導波路列格子により逆多重化された各チャネルの光信号を出力するための出力導波路と、前記導波路列格子と前記入力導波路との間及び前記導波路列格子と前記出力導波路との間に各々設けられたスラブ導波路と、を所定の基板上に形成した平面光導波路素子からなる波長分割多重化／逆多重化器において、
前記入力導波路は、
光信号の進行方向に沿って徐々に幅が増加し、前記多重化光信号の帯域幅を拡張させる第１サブ導波路と、
前記第１サブ導波路を通過した光信号の進行方向に沿って徐々に幅が減少して前記スラブ導波路に接続し、数式３（式中、Ｗ２は第２サブ導波路の幅、ｚ２は第１サブ導波路の端部から光信号の進行方向に測定される距離、Ｗi2は第１及び第２サブ導波路の接点における第２サブ導波路の幅、γは光信号に対する低次モードと高次モード間の結合係数）により設定される形状からなり、高次モードによるサイドローブを減少させる第２サブ導波路と、を備えることを特徴とする波長分割多重化／逆多重化器。
- 第１サブ導波路はパラボリックホーン(parabolic horn)形状である請求項１から３のいずれかに記載の波長分割多重化／逆多重化器。
- 第１及び第２サブ導波路を備えた入力導波路が導波路列格子の両端にそれぞれ設けられ、これら入力導波路と並列に配列して前記導波路列格子の両端に出力導波路が設けられる請求項１から４のいずれか１項に記載の波長分割多重化／逆多重化器。
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