JP3842804B2 - デュアルバンド波長分割多重化器 - Google Patents

Description

本発明は波長分割多重化器に係り、特に、バンドの幅が互いに同一又は近接したデュアルバンド波長分割多重化器に関する。

光伝送網で、波長分割多重/逆多重化器(wavelength division multiplexer /demultiplexer)として用いられる光導波路列格子(arrayed waveguides grating:ＡＷＧ)のうちで、バンド特性が、ボックス状の平坦な透過バンド特性を有するものをＡＷＧをフラットトップ(flat-top)ＡＷＧという。フラットトップＡＷＧを波長分割多重/逆多重化器に用いることは、使用する光源の波長の流動許容度(drift tolerance)を増加させ、かつ、連続的にフラットトップＡＷＧを使用する場合には、全体的な透過バンド幅を維持できるため、その必要性が増している。

図１は、標準的なフラットトップＡＷＧの構成を示した図である。図２は、図１のフラットトップＡＷＧの入力部を示した図であり、図３は、図１のフラットトップＡＷＧの出力部を拡大した図である。

ＡＷＧ１００は、入力導波路１１０、モード変換器１２０、第１のスラブ導波路(slab waveguide)１３０、複数のチャンネル導波路１４０、第２のスラブ導波路１５０及び複数の出力導波路１６０を有する。

図２を参照すれば、モード変換器１２０は、入力導波路１１０から入力した光信号のモード１７０の幅を拡張する。そして、モード変換器１２０は、基本モード１７２と二次モード１７４を発生する。モード変換器１２０は、モード１７２，１７４の間のエネルギー分布を適宜に調節して、第１のスラブ導波路１３０の端面１３２に入射する光信号のモード１７６を、ガウシアン(Gaussian)関数の形態から、フラットトップの形態に変換する。その結果、モード１７６は、ΔＦ_５の幅を有するフラットゾーン(flat zone)を有することとなる。

フラットトップＡＷＧ１００を、大きい波長の差を有する二つのバンド(例えば、Ｏ-バンドとＣ-バンド)で使用するときには、透過バンド幅の差が発生する。図３を参照すれば、透過中心波長λ_ｃから波長がΔλだけ変わるとき、第２のスラブ導波路１５０の端面１５２に結ばれ、第１のスラブ導波路に入射する光信号のモード１７６の形状とほぼ同じ形状を有するイメージ１７８の、空間的な位置変化量Δｘは数１で定義される。

数１で、ｄｘ／ｄλは、透過中心波長λ_ｃに対する単位波長変化量に対するイメージの位置変化量(又は、イメージ面の焦点移動による距離)を示し、以下の数２で定義される。

数２で、Ｎ_ｃ(＝ｎ_ｃ−λｄｎ_ｃ／ｄλ、ここで、ｎ_ｃは、チャンネル導波路１４０の有効屈折率である)は、チャンネル導波路１４０の群屈折率（group refractive index）であり、ｆ_ｓｌは、第１及び第２のスラブ導波路１３０，１５０の長さ(又はチャンネル導波路１４０の焦点距離)であり、ΔＬは隣接したチャンネル導波路１４０間の長さの差であり、ｎ_ｓは、第１及び第２のスラブ導波路１３０，１５０の有効屈折率であり、ｄは、隣接したチャンネル導波路１４０間の間隔である。

第２のスラブ導波路１５０の端面１５２に結ばれるイメージ１７８のフラットゾーンの幅がΔＦ_６(ΔＦ_５にほぼ等しい)であれば、平坦な透過バンド幅Δｆは数３で定義される。

したがって、フラットトップＡＷＧ１００を二つのバンドで使用する場合には、平坦な透過バンド幅Δｆは、差が生じることとなる。Ｏ-バンドとＣ-バンドを例として説明すれば、二つのバンドでｄｘ／ｄλの差は、ほぼ１７％程度であるが、二つのバンドが、同一のモード変換器１２０を使用するため、ΔＦ_６の差はほとんど発生しない。結果的には、数３において、平坦な透過バンドの幅Δｆには、ほぼ２０％程度の差が発生することとなる。

上述したように、標準的なフラットトップＡＷＧは、透過バンド幅の差によって二つのバンドで使用しにくいという問題点がある。

本発明は従来の技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の目的は、二つのバンドで透過バンドの幅が、互いに同一又は近接したデュアルバンド波長分割多重化器を提供することにある。

この目的を達成するための本発明によれば、第１のスラブ導波路と、第２のスラブ導波路と、第１のスラブ導波路と第２のスラブ導波路とを連結する複数のチャンネル導波路と、第１のスラブ導波路と連結した入力部と、第２のスラブ導波路と連結した出力部とを有する波長分割多重化器であって、入力部は、光信号を受信する入力導波路と、入力導波路と連結し、光信号を、第１の中心波長（λ _１ ）を有する第１のバンドの光信号と、第２の中心波長（λ _２ ）を有する第２のバンドの光信号とに分割して出力する波長分割多重フィルターと、波長分割多重フィルタと連結し、第１のバンドの光信号を中継する第１の連結導波路と、波長分割多重フィルタと連結し、第２のバンドの光信号を中継する第２の連結導波路と、第１の連結導波路と連結し、入力した第１のバンドの光信号を第１のフラットゾーンを有する光信号へモード変換する第１のモード変換器と、第２の連結導波路と連結し、入力した第２のバンドの光信号を第２のフラットゾーンを有する光信号へモード変換する第２のモード変換器と、を備え、第１のモード変換器と第２のモード変換器とは、第１の中心波長（λ _１ ）を基準として波長変化量に対する第２のスラブ導波路の断面に結ばれるイメージの位置変化量（ｄｘ／ｄλ）と、第２の中心波長（λ _２ ）を基準として波長変化量に対する第２のスラブ導波路の断面に結ばれるイメージの位置変化量（ｄｘ／ｄλ）との比率と、第１のモード変換器の出力光信号の第１のフラットゾーンの幅（ΔＦ１＝ΔＦ３）と、第２のモード変換器の出力光信号の第２のフラットゾーンの幅（ΔＦ２＝ΔＦ４）との比率とが略同一となるように設定されたことを特徴とする。

本発明によるデュアルバンド波長分割多重化器は、光信号のバンドに応じてスラブ導波路に入力する光信号のフラットゾーンを相異なるように設定することにより、二つのバンドにおける透過バンド幅を、互いに同一又は近接させることが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明の説明において、関連した公知の機能又は構成に関する具体的な説明は、本発明の要旨を明確にするために省略する。

図４は、本発明の実施形態によるデュアルバンド波長分割多重化器の構成を示す図である。図５は、本実施形態の波長分割多重化器の入力部を示す図であり、図６及び図７は、本実施形態の波長分割多重化器の出力部を示す図である。

波長分割多重化器２００は、入力導波路２１０と、波長分割多重フィルター２２０と、第１及び第２の連結導波路２１２，２１４と、第１及び第２のモード変換器２３０，２４０と、第１及び第２のスラブ導波路２５０，２７０と、複数のチャンネル導波路２６０と、複数の出力導波路２８０とを有する。

入力導波路２１０は、外部から第１又は第２のバンド（波長帯）に属する光信号２９０を受信する。第１のバンドは、第２のバンドより短波長のバンドである。例えば、第１のバンドは、Ｏ-バンド、第２のバンドは、Ｃ-バンドとなり得る。

波長分割多重フィルター２２０は、入力導波路２１０と第１及び第２の連結導波路２１２，２１４との間に配置される。波長分割多重フィルター２２０は、入力導波路２１０から入力した第１のバンドに属する光信号２９２(以下、第１の光信号２９２という)を第１の連結導波路２１２に出力し、第２のバンドに属する光信号２９４(以下、第２の光信号２９４という)を第２の連結導波路２１４に出力する。波長分割多重フィルター２２０は、方向性結合器、多重モードの干渉結合器、マッハ・ツェンダー干渉計(Mach-Zehnder interferometer)及びＰＬＣ(planar lightwave circuit)基板に挿入された薄膜フィルターなどで構成される。ここで、第１のバンドの中心波長をλ_１、第２のバンドの中心波長をλ_２とし、λ_１＜λ_２の関係を有するものとする。

第１のモード変換器２３０は、第１の連結導波路２１２と第１のスラブ導波路２５０との間に配置され、第１の連結導波路２１２から入力した第１の光信号２９２をモード変換して出力することにより、第１のスラブ導波路２５０の端面２５２に入射する第１の光信号２９６は、幅ΔＦ_１のフラットゾーンを有することとなる。

第２のモード変換器２４０は、第２の連結導波路２１４と第１のスラブ導波路２５０との間に配置され、第２の連結導波路２１４から入力した第２の光信号２９４をモード変換して出力することにより、第１のスラブ導波路２５０の端面２５２に入射する第２の光信号２９８は、幅ΔＦ_２のフラットゾーンを有することとなる。

ここで、ΔＦ_１は、ΔＦ_２より大きい。すなわち、第１のモード変換器２３０の出力光信号のフラットゾーンと、第２のモード変換器２４０の出力光信号のフラットゾーンとは相異なることとなる。第１及び第２のモード変換器２３０,２４０の各々は、Ｙ-分岐導波路(Y-branch waveguide)、多重モード干渉結合器、放物線状のホーン導波路及び多項曲線導波路(polynomial waveguide)などから構成される。

そして、入力導波路２１０、波長分割フィルタ２２０、第１のモード変換器２３０、第２のモード変換器２４０、第１の連結導波路２１２、及び第２の連結導波路２１４で入力部を構成している。

第１のスラブ導波路２５０は、第１及び第２のモード変換器２３０,２４０とチャンネル導波路２６０との間に配置され、第１又は第２のモード変換器２３０,２４０から入力した第１又は第２の光信号２９６,２９８を回折させる。

チャンネル導波路２６０は、第１のスラブ導波路２５０と第２のスラブ導波路２７０との間に配置される。チャンネル導波路２６０は、所定の長さの差ΔＬを有して相異なる長さを有する。チャンネル導波路２６０の数は、波長分割多重化器２００が処理すべき波長の数を考慮して任意に設定可能である。

第２のスラブ導波路２７０は、チャンネル導波路２６０と出力導波路２８０との間に配置され、チャンネル導波路２６０から出力した相異なる位相の光を、その端面２７２の上に収束させ（イメージ３００,３０２）、その収束位置は波長に応じて変化する。

図６は、第２のスラブ導波路２７０の端面２７２に収束し、幅ΔＦ_３のフラットゾーンを有する第１の光信号２９６のイメージ３００を示す図であり、図７は、第２のスラブ導波路２７０の端面２７２に収束し、幅ΔＦ_４のフラットゾーンを有する第２の光信号２９８のイメージ３０２を示す図である。

ここで、数２において、他のパラメータの変化に比べて、１／λｃの変化が非常に大きいため、長波長であるほど、ｄｘ／ｄλは小さくなる。ゆえに、以下の数４の関係を有することとなる。

そして、数１より、Δｘ_１＞Δｘ_２の関係を有することとなる。また、ΔＦ_３とΔＦ_１は、ほぼ等しく、ΔＦ_４とΔＦ_２とは、ほぼ等しいため、ΔＦ_３＞ΔＦ_４の関係を有することとなる。出力導波路２８０は、第２のスラブ導波路２７０と連結し、相異なる波長の光信号を出力するように第２のスラブ導波路２７０の端面２７２の上の光信号の収束位置に配置される。

本実施形態では、数３において、第１のスラブ導波路２５０の端面２５２に入射する光信号のフラットゾーンの幅ΔＦを変化させることによって(結果的に、第２のスラブ導波路２７０の端面２７２に収束するイメージのフラットゾーンの幅ΔＦの変化により)、バンドによるｄｘ／ｄλの変化量を、相殺するものである。そして、その結果、一定な透過バンド幅Δｆを得ることを可能とする。

波長分割多重化器２００の設計過程を説明すれば、次の通りである。

まず、第１のバンドの中心波長をλ_１、第２のバンドの中心波長をλ_２とする。このときに、λ_１＜λ_２の関係があるものとする。数２で、Ｎ_ｃ／ｎ_ｓの変化量は、無視できる水準であるため、ｄｘ／ｄλは波長λが小さくなるほど、大きくなる。例えば、Ｏ-バンド方向に行くほど、ｄｘ／ｄλが大きくなり、Ｌ-バンド方向に行くほど、ｄｘ／ｄλが小さくなる。波長分割多重化器２００が、二つの中心波長λ_１とλ_２で動作するための設計方程式は次のように与えられる。

設計上の初期値として、チャンネル導波路２６０の有効屈折率ｎ_ｃ、第２のバンドで動作する仮想のチャンネル数Ｎ_２、第２のバンドのチャンネル間の波長間隔Δλ_２、第２のバンドの中心波長λ_２が与えられる。

まず、数９でｍ_２が決定される。このｍ_２を、数６に代入することにより、隣接したチャンネル導波路２６０間の長さの差ΔＬが求まる。そして、このΔＬを用いて、数５からｍ_１を整数にするλ_１、及び、これに該当するｍ_１を求めることができる。

λ_２と、計算されたλ_１とを、数７に代入して、Δλ_１値を求める。そして、このΔλ_１を、数８に代入してＮ_１値を求める。このとき、第１のバンドで動作する仮想のチャンネル数Ｎ_１値は、所望のチャンネル数より大きくする必要がある。そうでない場合には、仮想のチャンネル数Ｎ_２を増加させて、上記の算出過程を繰り返して、Ｎ_１を所望の値以上に設定する。

上述した設計過程を、Ｏ/Ｃデュアルバンド１６チャンネルＡＷＧ設計に適用すると、次の通りである。初期値として、中心波長λ_２(１５５２.５２ｎｍ)、波長間隔Δλ_２(０.８ｎｍ)、チャンネル数Ｎ_２(３０.２４)が与えられた場合には、数９から、ｍ_２は６０となる。６.５μｍ×６.５μｍのコア(core)サイズ、及びΔｎ(＝０.７５％)値の導波路を仮定すると、有効屈折率ｎ_ｃ（λ_２）＝１.４５１３となり、数７から、チャンネル導波路の長さの差ΔＬは６４.１８μｍとなる。これを数５に代入すると、中心波長λ_１は、１３１５.０２ｎｍとなり、このとき、ｍ_１は７１となる。

この結果を、数７に適用すると、波長間隔Δλ_１は、０.６８ｎｍとなり、これを数８に代入すると、群屈折率Ｎ_１は、３０.２５となる。したがって、中心波長１３１５.０２ｎｍ（λ_１）、及び１５５２.５２ｎｍ（λ_２）で、波長間隔が、それぞれ０.６８ｎｍ（Δλ_１）及び０.８ｎｍ（Δλ_２）である１６チャンネルＡＷＧの設計が可能となる。

次に、中心波長λ_１、λ_２と波長間隔Δλ_１、Δλ_２とを決定した後に、平坦な透過バンド幅Δｆを、ほぼ等しくするために、第１のスラブ導波路２５０の端面２５２に入射する光信号のフラットゾーンの幅ΔＦを決定する必要がある。第１及び第２のスラブ導波路２５０，２７０の長さｆ_ｓｌを、８１９０.１１μｍとし、隣接したチャンネル導波路２６０間の間隔ｄを、１２μｍとすると、λ_１におけるｄｘ／ｄλは、３３.４８μｍ／ｎｍとなり、λ_２におけるｄｘ／ｄλは、２８.３４μｍ／ｎｍとなる。したがって、ｄｘ／ｄλは、ほぼ１７％程度の差を有することとなる。この差を、第１のスラブ導波路２５０の端面２５２に入射する第１又は第２の光信号２９２,２９４に対するフラットゾーンの幅ΔＦ_１,ΔＦ_２の変化で相殺する。

第１及び第２のモード変換器２３０，２４０として放物線状のホーン型導波路を使用する場合を説明すれば、次の通りである。

ホーン導波路は、数１０で定義される。

数１０で、ｔは、０以上１以下である。また、Ｗは、ホーン導波路の線幅、λ_ｃは、中心波長、Ｌは、ホーン導波路の長さ、Ｗ_０は、ホーン導波路の入力端の幅(又は開始地点における線幅)、αは、線幅の変化度を決定するパラメータ(parameter)をそれぞれ示す。

Ｏ-バンドの場合には、λ_ｃ＝１３１５.００ｎｍ、α＝０.８０、Ｌ＝３７２μｍであり、Ｃ-バンドの場合には、λ_ｃ＝１５５２.５２ｎｍ、α＝０.６８、Ｌ＝２４８μｍである。

図８は、第１のスラブ導波路２５０に入射するＯ-バンドの第１の光信号２９２のモード形状４２０と、Ｃ-バンドの第２の光信号２９４のモード形状４１０を示す図である。図８を参照すれば、３ｄＢのバンド幅(ＢＷ:bandwidth)に基づいて、Ｏ-バンドのΔＦ_１(＝２３.４０μｍ)が、Ｃ-バンドのΔＦ_２(＝２０.３５μｍ)に比べて、ほぼ１５％増加する。これにより、ｄｘ／ｄλの差を相殺することが可能となる。つまり、数３において、ｄｘ／ｄλに生ずる１７％の差を、ΔＦ_１とΔＦ_２との差である１５％により、ほぼ相殺することが可能となり、ほぼ同一の平坦な透過バンド幅Δｆを得ることが可能となる。このようなバンド幅の増加による透過バンドの損失ペナルティ(penalty)は、ほぼ１ｄＢ以下である。

二つのバンドにおける損失水準を同一にするためには、波長分割多重フィルター２２０における挿入損失を適宜調節すればよい。これにより、損失水準をほぼ同一とすることが可能となる。

図９は、波長分割多重化器２００から出力する第１の光信号２９２のスペクトル５２０と第２の光信号２９４のスペクトル５１０を示す図である。第１の光信号のスペクトル５２０でＢＷ(λ_１)は、０.６４９４ｎｍであり、第２の光信号のスペクトル５１０でＢＷ(λ_２)は、０.６４９６ｎｍである。ＢＷ(λ_１)とＢＷ(λ_２)とは、ほぼ同一であることがわかる。０.５/３０ｄＢバンド幅の比率を示すＯ-バンド及びＣ-バンドのＦＯＭ(figure of merit)は、それぞれ０.３８及び０.３２である。二つのＦＯＭ値も互いにほぼ同一である。

図９に示したグラフは、二つのバンドの透過損失を同一に実現する場合(又はオフセットを与えた場合)を示している。図示したように、二つのバンドは区別できないほど、ほぼ同一の特性を示すことがわかる。

以上説明したように、本実施形態によるデュアルバンド波長分割多重化器は、バンドに応じてスラブ導波路に入力する光信号のフラットゾーンを相異なるように設定することにより、二つのバンドにおける透過バンド幅を互いに同一又は近接させることが可能となる。

一方、本発明の詳細説明では具体的な実施例について説明したが、本発明の範囲を逸脱しない限り、各種の変形が可能なのは明らかである。したがって、本発明の範囲は上記実施形態に限るものでなく、特許請求の範囲のみならず、その特許請求の範囲と均等なものにより定められるべきである。

標準的なフラットトップＡＷＧの構成を示す図である。 標準的なフラットトップＡＷＧの入力部を拡大した図である。 標準的なフラットトップＡＷＧの出力部を拡大した図である。 本発明の実施形態によるデュアルバンド波長分割多重化器の構成を示す図である。 本実施形態のデュアルバンド波長分割多重化器の入力部を示す図である。 本実施形態のデュアルバンド波長分割多重化器の出力部を示す図である。 本実施形態のデュアルバンド波長分割多重化器の出力部を示す図である。 本実施形態のデュアルバンド波長分割多重化器の出力特性を説明するためのグラフである。 本実施形態のデュアルバンド波長分割多重化器の出力特性を説明するためのグラフである。

符号の説明

２００：波長分割多重化器
２１０：入力導波路
２１２：第１の連結導波路
２１４：第２の連結導波路
２２０：波長分割多重フィルター
２３０：第１のモード変換器
２４０：第２のモード変換器
２５０：第１のスラブ導波路
２６０：複数のチャンネル導波路
２７０：第２のスラブ導波路
２８０：複数の出力導波路
２９０：光信号

Claims (6)

1. 第１のスラブ導波路と、第２のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路と前記第２のスラブ導波路とを連結する複数のチャンネル導波路と、前記第１のスラブ導波路と連結した入力部と、前記第２のスラブ導波路と連結した出力部とを有する波長分割多重化器であって、
   前記入力部は、
   光信号を受信する入力導波路と、
   前記入力導波路と連結し、前記光信号を、第１の中心波長を有する第１のバンドの光信号と、第２の中心波長を有する第２のバンドの光信号とに分割して出力する波長分割多重フィルターと、
   前記波長分割多重フィルタと連結し、前記第１のバンドの光信号を中継する第１の連結導波路と、
   前記波長分割多重フィルタと連結し、前記第２のバンドの光信号を中継する第２の連結導波路と、
   前記第１の連結導波路と連結し、入力した前記第１のバンドの光信号を第１のフラットゾーンを有する光信号へモード変換する第１のモード変換器と、
   前記第２の連結導波路と連結し、入力した前記第２のバンドの光信号を第２のフラットゾーンを有する光信号へモード変換する第２のモード変換器と、を備え、
   前記第１のモード変換器と前記第２のモード変換器とは、
   前記第１の中心波長を基準として波長変化量に対する前記第２のスラブ導波路の断面に結ばれるイメージの位置変化量と、前記第２の中心波長を基準として波長変化量に対する前記第２のスラブ導波路の断面に結ばれるイメージの位置変化量と、の比率と、
   前記第１のモード変換器の出力光信号の第１のフラットゾーンの幅と、前記第２のモード変換器の出力光信号の第２のフラットゾーンの幅と、の比率と、
   が略同一となるように設定されたことを特徴とするデュアルバンド波長分割多重化器。
2. 前記波長分割多重フィルターは、方向性結合器、多重モードの干渉結合器、マッハ・ツェンダー（Mach-Zehnder）干渉計及びＰＬＣ基板に挿入された薄膜フィルターからなる群から選ばれた少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１に記載のデュアルバンド波長分割多重化器。
3. 前記第１のモード変換器及び前記第２のモード変換器は、それぞれＹ-分岐導波路、多重モード干渉結合器、放物線状のホーン(horn)導波路及び多項曲線導波路からなる群から選ばれた少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１または２に記載のデュアルバンド波長分割多重化器。
4. 第１のスラブ導波路と、第２のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路と前記第２のスラブ導波路とを連結する複数のチャンネル導波路と、前記第１のスラブ導波路と連結した入力部と、前記第２のスラブ導波路と連結した出力部とを有する波長分割多重化器であって、
   前記入力部は、
   光信号を受信する入力導波路と、
   前記入力導波路と連結し、前記光信号を各々相異なる中心波長を有する複数のバンド光信号に分割して出力する波長分割多重フィルターと、
   前記波長分割フィルターと連結し、前記複数の光信号を中継する複数の連結導波路と、
   前記複数の連結導波路と連結し、前記複数の光信号を各々相異なる幅のフラットゾーンを有する光信号へモード変換する複数のモード変換器と、を備え、
   前記複数のモード変換器のうち、少なくとも２つのモード変換器は、
   前記少なくとも２つのモード変換器に入力する各光信号の中心波長を基準として波長変化量に対する前記第２のスラブ導波路の断面に結ばれるイメージの位置変化量同士の比率と、
   前記少なくとも２つのモード変換器の各々の出力光信号の各フラットゾーンの幅同士の比率と、
   が略同一となるように設定されたことを特徴とするデュアルバンド波長分割多重化器。
5. 前記波長分割多重フィルターは、方向性結合器、多重モード干渉結合器、マッハ・ツェンダー（Mach-Zehnder）干渉計及びＰＬＣ基板に挿入された薄膜フィルターからなる群から選ばれた少なくとも一つを有することを特徴とする請求項４に記載のデュアルバンド波長分割多重化器。
6. 前記複数のモード変換器のうち、少なくとも二つは、それぞれＹ-分岐導波路、多重モード干渉結合器、放物線状のホーン(horn)導波路及び多項曲線導波路からなる群から選ばれた少なくとも一つを有することを特徴とする請求項４または５に記載のデュアルバンド波長分割多重化器。

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