JP3832741B2

JP3832741B2 - Wavelength tap circuit

Info

Publication number: JP3832741B2
Application number: JP2002263536A
Authority: JP
Inventors: 隆志才田; 勤鬼頭; 亮一笠原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2022-09-10
Also published as: JP2004101861A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光信号の一部を取り出して波長により合分波する波長タップ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの爆発的進展に伴い、波長多重光通信システムの導入が世界的に進んでいる。
このような波長多重光通信システムの保守・運営では、各波長での光信号をそれぞれモニタするデバイスが必須である。
従来の波長多重された光信号をモニタするための光導波路デバイスの構成を図３に示す。
【０００３】
基板１００上に、入力用光導波路１０１と、導波路型光カプラ１０２と、アレイ導波路格子フィルタ１０３と、主出力用光導波路１０４と、分波出力用光導波路１０５が設けられており、入力された光信号を導波路型光カプラ１０２で分岐して、大部分は主出力用光導波路１０４に導き、一部はアレイ光導波路格子フィルタ１０３で波長毎に分けて、その出力強度を分波出力用光導波路１０５でモニタする構成である。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
【０００４】
【非特許文献１】
H. Suzuki, and N. Takachio, "Optical signal quality monitor built into WDM linear repeaters using semiconductor arrayed waveguide grating filter monolithically integrated with eight photodiodes," Electronics Letters , Volume: 35 Issue: 10 , 13 May 1999, Page(s): 836-837
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の波長多重された光信号のモニタでは、以下に示す問題があった。
第一に、導波路型光カプラの分岐比は例えば９９：１といった非対称な値にする必要があるが、このような導波路型光カプラでは、結合比が作製条件の僅かな変化などによってばらつき、また結合比の偏波依存性が大きくなる問題があった。
第二に、波長を分波するためのアレイ導波路格子フィルタで例えば１００を超える波長チャネルを分波しようとすると、光回路のサイズが大きくなり、また作製条件の僅かな変化に極めて敏感となる問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決する本発明の波長タップ回路は、基板上に、入力用光導波路と、前記入力用光導波路に光学的に接続された第一のスラブ光導波路と、前記第一のスラブ光導波路に光学的に接続された互いに光路の等しいアレイ光導波路と、前記アレイ光導波路に光学的に接続された第二のスラブ光導波路と、前記第二のスラブ光導波路に光学的に接続された主出力用光導波路と分波出力用光導波路群とを備えており、前記アレイ光導波路と前記第二のスラブ光導波路の光学的接続部近傍に設けたクラッド領域の幅が周期的に変調されていることを特徴としている。
このような構成とすることで、作製誤差に不感で小型な波長タップ回路を提供することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
ただし、説明の反復を避けるために、図中では同じ機能を有する光学回路には同じ番号を付与している。
また、以下の説明では、光導波路はシリコン基板上に形成された石英系光導波路である。
これは、安定で信頼性に優れた波長タップ回路を実現できるからである。
しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、半導体光導波路や誘電体光導波路など、他の材料による光導波路を用いても勿論構わないし、石英基板上に形成された石英系光導波路を用いても勿論構わない。
【０００８】
本発明の実施形態に係る波長タップ回路の構成を図１に示す。
図１に示すように、基板１０上には、入力用光導波路１１、第一のスラブ光導波路１２、互いに長さの等しいアレイ光導波路１３、第二のスラブ光導波路１４、主出力用光導波路１５、分波出力用光導波路１６ａ及び１６ｂがこの順に接続されており、アレイ光導波路１３と第二のスラブ光導波路１４の光学的接続部では幅が周期的に変調されたクラッド領域１７が設けられている。
【０００９】
ここで、互いに長さの等しいアレイ光導波路１３は、Ｓ字型の導波路レイアウトで実現した（特願平０６−２７３３９号「光デバイス」参照）。
これは、この構成が互いに長さの等しいアレイ光導波路を小型に実現できるからである。
しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えばＷ字型の導波路レイアウト（特願平９−２１１６９８号「アレイ導波路格子」参照）を用いても勿論構わない。
【００１０】
また、本実施形態に係る波長タップ回路では、分波出力用光導波路１６ａ，１６ｂを２群用いるとした。
しかしながら、これはどちらか一方だけ用いるとしても、勿論構わない。
また、本実施形態に係る波長タップ回路では、第一のスラブ光導波路１２と第二のスラブ光導波路１４が同じ長さであるとしたが、大きさが異なっていても、本発明の請求範囲を逸脱するものではない。
【００１１】
アレイ光導波路１３とスラブ導波路１４の接続部の拡大図を図４に示す。
図４に示すように、アレイ導波路１３の端部は、光が主出力用光導波路１５に集光するように傾けて配置されている。
本実施形態に係る波長タップ回路では、第二のスラブ光導波路１４の形状を変化させて、クラッド領域１７の幅を変調するとしたが、これは、アレイ光導波路１３の長さを変調して実現しても、もちろん構わない。
次に、式及び図を用いて図１に示す本実施形態に係る導波路型光フィルタの効果を説明する。
【００１２】
いま、入力用光導波路１１の最低次モードの空間分布をａ（ｘ，ｙ）とする。
ここで、ｘは入力用光導波路１１の光伝播方向に直交し、基板に平行な軸であり、ｙは入力用光導波路１１の光伝播方向に直交し、基板に垂直な軸である。
このとき、第一のスラブ光導波路１２を伝播後の光電界の空間分布Ａ（ｗ，ｙ）は、位相項を無視して次式で表される。
【００１３】
【数１】

【００１４】
ここで、ｎはスラブ導波路の群屈折率、λは光波長、Ｌは第一及び第二のスラブ光導波路の長さ、ｗは第一のスラブ光導波路出射側端部において光伝播方向に直交し基板に平行な軸である。
第一のスラブ光導波路１２伝搬後の光電界Ａ（ｗ，ｙ）は、互いに長さの等しいアレイ導波路１３によって位相関係も含めて第二のスラブ光導波路１４端部へと導かれる。
アレイ導波路１３の端部は、光が主出力用光導波路１５に集光するように傾けて配置されている。
幅が空間的に変調されたクラッド領域１７により位相変調される。
このときの位相変調量を次式で表す。
【００１５】
【数２】

【００１６】
ここで、Ｐ₀は位相変調の振幅、Ｑは位相変調の空間周期である。
Ｐ₀が１より十分小さいとすれば、位相変調を受けた第二のスラブ光導波路のアレイ光導波路１３側でのフィールドＢ（ｗ，ｙ）は、位相項を無視して次式で表すことができる。
【００１７】
【数３】

【００１８】
ここに、Ｊ_k（ｘ）はベッセル関数である。
従って、第二のスラブ光導波路１４を伝搬後の光電界ｂ（ｘ，ｙ）は、次式で与えられる。
【００１９】
【数４】

【００２０】
即ち、第二のスラブ光導波路１４の主出力用光導波路１５側では、入力用光導波路１１と同じ位置に元のフィールドａ（ｘ，ｙ）が得られ、そこから波長λに比例してシフトした位置±Ｌλ／ｎＱに、元のフィールドと同じ形状のフィールドが得られることがわかる。
【００２１】
従って、入力用光導波路１１と鏡像の位置に主出力用光導波路１５を配置し、±Ｌλ／ｎＱの位置に各光波長に応じた分波出力用光導波路１６ａ，１６ｂを備えるので、入力用光導波路１１に導かれた大部分の光は主出力用光導波路１５より出力し、一部が波長に応じて分波出力用光導波路１６ａ，１６ｂから波長に応じて出力することとなり、波長タップ回路が実現できる。
【００２２】
本実施形態に係る波長タップ回路は、シリコン基板上に形成した石英系光導波路により作製した。
スラブ長は３０ｍｍ、光周波数間隔は１００ＧＨｚ、クラッド領域の変調周期は１μｍとし、チャネル数は８０ｃｈとした。
作製した波長タップ回路の、クラッド領域の幅の最大値と、主出力と波長分波出力の出力光強度の関係を図２に示す。
図２より判るように、本発明の波長タップ回路ではクラッド領域１７の変調幅によってタップ率を変化できるので、安定にタップ係数を実現することができる。
また、クラッド領域１７の屈折率は偏波依存性が極めて小さいので、偏波依存性の小さなタップを実現できる。
【００２３】
このように説明したように、本発明は、平面基板上に作成された光導波同路（ＰＬＣ）で回折格子による光の分波を実現したものである。
アレイ導波路格子回路（Arrayed Waveguide Grating ：ＡＷＧ）では長さの異なる複数のアレイ導波路が回折格子の役目を果たしていまたが、本願発明では出力側スラブ導波路１４の端面に設けられた周期的な構造であるクラッド領域１７が回折格子の役割を果たすものである。
【００２４】
入力用光導波路１１を伝搬してきた光ａ（ｘ，ｙ）は、第一のスラブ導波路１２を経て式（１）で示されるＡ（ｗ，ｙ）に変換される。
ｗは第一のスラブ導波路１２の出力側端部における、基板１０と平行な方向の座標である。
Ａ（ｗ，ｙ）を回折格子であるクラッド領域１７に入射する際には、回折後の光の大部分が主出力用光導波路１５に集光するように光を入射させる。
これは、アレイ導波路１３から出射する光が主出力用光導波路１５に向かって進むように、アレイ導波路１３の出射端をそれぞれ傾けて配置することで実現される。
【００２５】
つまり、アレイ導波路１３は、光が主出力用光導波路１５に集光するように、回折格子にＡ（ｗ，ｙ）を入射させるために用いられる。
回折格子の働きによって、Ａ（ｗ，ｙ）の一部は主出力用光導波路１５と異なる位置にある分波出力用光導波路１６ａ，１６ｂに集光するので、波長タップ回路が実現される。
従って、本発明の波長タップ回路によれば、図２に示す通り、出力側スラブ導波路１４に設けた周期的構造であるクラッド領域１７の周期によってタップ率を変えることができるので、安定なタップ係数が実現される。
【００２６】
【発明の効果】
以上、図面を参照して詳細に説明したように、本発明の波長タップ回路を用いれば、小型で再現性の良好な波長タップ回路を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る波長タップ回路の構成を表す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る波長タップ回路の、クラッド領域の変調幅と主出力と波長分波出力の関係を表すグラフである。
【図３】従来の波長多重された光信号をモニタするための光導波路デバイスの構成を表す図である。
【図４】アレイ光導波路とスラブ導波路の接続部の拡大図である。
【符号の説明】
１０基板
１１入力用光導波路
１２第一のスラブ光導波路
１３アレイ光導波路
１４第二のスラブ光導波路
１５主出力用光導波路
１６分波出力用光導波路
１７幅の変調されたクラッド領域
１００基板
１０１入力用光導波路
１０２光カプラ
１０３アレイ導波路格子フィルタ
ｌ０４主出力用光導波路
１０５分波出力用光導波路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength tap circuit that extracts a part of an optical signal and multiplexes / demultiplexes the optical signal according to the wavelength.
[0002]
[Prior art]
With the explosive progress of the Internet, the introduction of wavelength division multiplexing optical communication systems is progressing worldwide.
In the maintenance and operation of such a wavelength division multiplexing optical communication system, a device that monitors each optical signal at each wavelength is essential.
A configuration of a conventional optical waveguide device for monitoring a wavelength-multiplexed optical signal is shown in FIG.
[0003]
An input optical waveguide 101, a waveguide optical coupler 102, an arrayed waveguide grating filter 103, a main output optical waveguide 104, and a demultiplexing output optical waveguide 105 are provided on the substrate 100. The branched optical signal is branched by the waveguide type optical coupler 102, most of which is guided to the main output optical waveguide 104, and part of the optical signal is divided by wavelength by the array optical waveguide grating filter 103, and the output intensity is demultiplexed. The output optical waveguide 105 is used for monitoring.
Prior art document information related to the invention of this application includes the following.
[0004]
[Non-Patent Document 1]
H. Suzuki, and N. Takachio, "Optical signal quality monitor built into WDM linear repeaters using semiconductor arrayed waveguide grating filter monolithically integrated with eight photodiodes," Electronics Letters, Volume: 35 Issue: 10, 13 May 1999, Page (s) : 836-837
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional wavelength-multiplexed optical signal monitor described above has the following problems.
First, the branching ratio of the waveguide type optical coupler needs to be an asymmetric value such as 99: 1. However, in such a waveguide type optical coupler, the coupling ratio varies depending on a slight change in manufacturing conditions. In addition, there is a problem that the polarization dependency of the coupling ratio increases.
Secondly, when an arrayed waveguide grating filter for demultiplexing wavelengths is used to demultiplex, for example, more than 100 wavelength channels, the size of the optical circuit increases, and it becomes extremely sensitive to slight changes in fabrication conditions. There was a problem.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The wavelength tap circuit of the present invention that solves the above problems includes an input optical waveguide, a first slab optical waveguide optically connected to the input optical waveguide, and the first slab optical light on a substrate. An array optical waveguide optically connected to the waveguide and having the same optical path, a second slab optical waveguide optically connected to the array optical waveguide, and an optical connection to the second slab optical waveguide A main output optical waveguide and a demultiplexing output optical waveguide group, and the width of the cladding region provided in the vicinity of the optical connection between the array optical waveguide and the second slab optical waveguide is periodically modulated. It is characterized by having.
With such a configuration, a small wavelength tap circuit that is insensitive to manufacturing errors can be provided.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
However, in order to avoid repetition of the description, the same numbers are assigned to optical circuits having the same function in the drawing.
In the following description, the optical waveguide is a silica-based optical waveguide formed on a silicon substrate.
This is because a stable and reliable wavelength tap circuit can be realized.
However, the present invention is not limited to this configuration. Of course, an optical waveguide made of another material such as a semiconductor optical waveguide or a dielectric optical waveguide may be used, and a silica-based optical waveguide formed on a quartz substrate may be used. Of course, it does not matter.
[0008]
A configuration of a wavelength tap circuit according to an embodiment of the present invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, an input optical waveguide 11, a first slab optical waveguide 12, an array optical waveguide 13 having the same length, a second slab optical waveguide 14, and a main output optical waveguide are disposed on a substrate 10. 15, optical waveguides 16a and 16b for demultiplexing output are connected in this order, and a cladding region 17 whose width is periodically modulated is provided at the optical connection between the array optical waveguide 13 and the second slab optical waveguide 14. It has been.
[0009]
Here, the arrayed optical waveguides 13 having the same length are realized by an S-shaped waveguide layout (see Japanese Patent Application No. 06-27339 “Optical Device”).
This is because the array optical waveguides having the same length can be realized in a small size.
However, the present invention is not limited to this configuration. For example, a W-shaped waveguide layout (see Japanese Patent Application No. 9-21698 “Arrayed waveguide grating”) may be used.
[0010]
In the wavelength tap circuit according to the present embodiment, two groups of optical waveguides 16a and 16b for demultiplexing output are used.
However, it does not matter if only one of these is used.
In the wavelength tap circuit according to the present embodiment, the first slab optical waveguide 12 and the second slab optical waveguide 14 have the same length. However, even if the sizes are different, the scope of the present invention It does not deviate from.
[0011]
FIG. 4 shows an enlarged view of a connection portion between the array optical waveguide 13 and the slab waveguide 14.
As shown in FIG. 4, the end portion of the arrayed waveguide 13 is disposed so as to be inclined so that light is condensed on the main output optical waveguide 15.
In the wavelength tap circuit according to the present embodiment, the width of the cladding region 17 is modulated by changing the shape of the second slab optical waveguide 14, but this is realized by modulating the length of the array optical waveguide 13. But of course.
Next, the effect of the waveguide type optical filter according to the present embodiment shown in FIG. 1 will be described using equations and drawings.
[0012]
Now, let the spatial distribution of the lowest order mode of the input optical waveguide 11 be a (x, y).
Here, x is an axis perpendicular to the light propagation direction of the input optical waveguide 11 and parallel to the substrate, and y is an axis perpendicular to the light propagation direction of the input optical waveguide 11 and perpendicular to the substrate.
At this time, the spatial distribution A (w, y) of the optical electric field after propagating through the first slab optical waveguide 12 is expressed by the following equation while ignoring the phase term.
[0013]
[Expression 1]

[0014]
Here, n is the group refractive index of the slab waveguide, λ is the optical wavelength, L is the length of the first and second slab optical waveguides, and w is in the light propagation direction at the output side end of the first slab optical waveguide. An axis that is orthogonal and parallel to the substrate.
The optical electric field A (w, y) after propagation through the first slab optical waveguide 12 is guided to the end of the second slab optical waveguide 14 including the phase relationship by the arrayed waveguides 13 having the same length.
The end portion of the arrayed waveguide 13 is disposed so as to be inclined so that light is condensed on the main output optical waveguide 15.
The phase is modulated by the cladding region 17 whose width is spatially modulated.
The phase modulation amount at this time is expressed by the following equation.
[0015]
[Expression 2]

[0016]
Here, P ₀ is the amplitude of phase modulation, and Q is the spatial period of phase modulation.
If P ₀ is sufficiently smaller than 1, the field B (w, y) on the array optical waveguide 13 side of the second slab optical waveguide subjected to phase modulation should be expressed by the following equation, ignoring the phase term. Can do.
[0017]
[Equation 3]

[0018]
Here, J _k (x) is a Bessel function.
Therefore, the optical electric field b (x, y) after propagating through the second slab optical waveguide 14 is given by the following equation.
[0019]
[Expression 4]

[0020]
That is, on the main output optical waveguide 15 side of the second slab optical waveguide 14, the original field a (x, y) is obtained at the same position as the input optical waveguide 11, and shifted in proportion to the wavelength λ therefrom. It can be seen that a field having the same shape as the original field is obtained at the position ± Lλ / nQ.
[0021]
Accordingly, the main output optical waveguide 15 is arranged at a position of a mirror image with the input optical waveguide 11, and the demultiplexing output optical waveguides 16a and 16b corresponding to each optical wavelength are provided at the positions of ± Lλ / nQ. Most of the light guided to the optical waveguide 11 is output from the main output optical waveguide 15, and a part of the light is output from the demultiplexing output optical waveguides 16a and 16b according to the wavelength. A circuit can be realized.
[0022]
The wavelength tap circuit according to the present embodiment was manufactured by a quartz optical waveguide formed on a silicon substrate.
The slab length was 30 mm, the optical frequency interval was 100 GHz, the modulation period of the cladding region was 1 μm, and the number of channels was 80 ch.
FIG. 2 shows the relationship between the maximum value of the width of the cladding region and the output light intensity of the main output and the wavelength demultiplexing output of the manufactured wavelength tap circuit.
As can be seen from FIG. 2, in the wavelength tap circuit of the present invention, the tap rate can be changed depending on the modulation width of the cladding region 17, so that the tap coefficient can be realized stably.
Further, since the refractive index of the cladding region 17 has extremely small polarization dependence, a tap having small polarization dependence can be realized.
[0023]
As described above, the present invention realizes light demultiplexing by a diffraction grating using an optical waveguide path (PLC) formed on a flat substrate.
In an arrayed waveguide grating circuit (AWG), a plurality of arrayed waveguides having different lengths serve as a diffraction grating. In the present invention, however, the arrayed waveguide grating (AWG) is periodically provided on the end face of the output-side slab waveguide 14. The cladding region 17 having a simple structure serves as a diffraction grating.
[0024]
The light a (x, y) propagating through the input optical waveguide 11 is converted into A (w, y) represented by the equation (1) through the first slab waveguide 12.
w is the coordinate in the direction parallel to the substrate 10 at the output side end of the first slab waveguide 12.
When A (w, y) is incident on the cladding region 17 that is a diffraction grating, the light is incident so that most of the diffracted light is condensed on the main output optical waveguide 15.
This is realized by arranging the exit ends of the arrayed waveguides 13 so that the light emitted from the arrayed waveguides 13 travels toward the main output optical waveguide 15.
[0025]
That is, the arrayed waveguide 13 is used to make A (w, y) incident on the diffraction grating so that the light is condensed on the main output optical waveguide 15.
Due to the action of the diffraction grating, a part of A (w, y) is condensed on the demultiplexing output optical waveguides 16a and 16b located at a different position from the main output optical waveguide 15, so that a wavelength tap circuit is realized.
Therefore, according to the wavelength tap circuit of the present invention, as shown in FIG. 2, the tap rate can be changed according to the period of the cladding region 17 which is a periodic structure provided in the output-side slab waveguide 14, so that a stable tap is obtained. The coefficient is realized.
[0026]
【The invention's effect】
As described above in detail with reference to the drawings, if the wavelength tap circuit of the present invention is used, a wavelength tap circuit having a small size and good reproducibility can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a wavelength tap circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the modulation width of the cladding region, the main output, and the wavelength demultiplexing output of the wavelength tap circuit according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a conventional optical waveguide device for monitoring a wavelength-multiplexed optical signal.
FIG. 4 is an enlarged view of a connection portion between an array optical waveguide and a slab waveguide.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Substrate 11 Input optical waveguide 12 First slab optical waveguide 13 Array optical waveguide 14 Second slab optical waveguide 15 Main output optical waveguide 16 Demultiplexed output optical waveguide 17 Width-modulated clad region 100 Substrate 101 Input Optical waveguide 102 Optical coupler 103 Arrayed waveguide grating filter 104 Main output optical waveguide 105 Demultiplexed output optical waveguide

Claims

On the substrate, an input optical waveguide, a first slab optical waveguide optically connected to the input optical waveguide, and an array light having an equal optical path optically connected to the first slab optical waveguide A waveguide, a second slab optical waveguide optically connected to the array optical waveguide, a main output optical waveguide optically connected to the second slab optical waveguide, and a demultiplexing output optical waveguide group And a width of a cladding region provided in the vicinity of an optical connection between the array optical waveguide and the second slab optical waveguide is periodically modulated.

2. The wavelength tap circuit according to claim 1, wherein the optical waveguide is a silica-based optical waveguide formed on a silicon substrate or a quartz substrate.