JP4680810B2 - 光波長合分波装置 - Google Patents

Description

本発明は、光波長合分波装置であって、より詳細には、光波長多重された複数の信号を、波長に応じて分波又は合波する光波長合分波装置に関する。

互いに異なる波長の複数の光信号を、１本の光ファイバで伝送する波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）伝送システムは、伝送路の容量を大幅に増大させることが可能であり、既に基幹系システムを中心に導入が進んでいる。

さらに近年、光信号の波長を伝送路容量の増大に適用するだけでなく、ネットワークの経路設定に用いる波長ルーティングの検討も進んでおり、その一例としてフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムがある。

図６に、従来のフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムの概略構成を示す。このフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムでは、ネットワークの中心にＮ入力Ｎ出力（以下、Ｎ×Ｎと表記する）光波長合分波装置６０１が設置されている。Ｎ×Ｎ光波長合分波装置６０１と、ＷＤＭ信号送受信装置６０３−１〜６０３−Ｎを備える複数の通信ノード６０２−１〜６０２−Ｎとの間を、光ファイバ６０４で接続し、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置６０１を中心とするスター型ネットワークを構成する。ここで、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置６０１は入出力ポート間の波長入出力特性として、図７に示すような特性を有する。例えば、第１番目の入力ポートから波長λ_１の光信号を入力すると、その光信号は第１番目の出力ポートから出力される。また、第１番目の入力ポートから波長λ_２の光信号を入力すると、その光信号は第２番目の出力ポートから出力される。従って、通信ノード６０２−１〜６０２−Ｎ間にフルメッシュの光ファイバを敷設した場合と同じ接続性が得られる。従って、通信ノード間で大量のデータを低遅延で送受信することが可能となる（非特許文献１参照）。

従来、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置を得る方法として、図８に示すようにアレイ導波路回折格子型光合分波回路（以下、ＡＷＧと表記する）を用いる方法があった。以下に、従来技術の動作原理を示す。

図８に、従来のＡＷＧの構成図を示す。Ｎ本の入力導波路８０３は、入力導波路８０３から受光する第１のスラブ導波路８０２に接続されている。第１のスラブ導波路８０２は、第１のスラブ導波路８０２から受光する、所定の光路差を有する複数本の導波路からなるアレイ導波路８０１に接続されている。アレイ導波路８０１は、アレイ導波路８０１から受光する第２のスラブ導波路に接続されている。第２のスラブ導波路は、第２のスラブ導波路から受光するＮ本の出力導波路８０４に接続されている。

アレイ導波路８０１、第１のスラブ導波路８０２、第２のスラブ導波路８０５、入力導波路８０３、及び出力導波路８０４を適切に設計することにより、ＡＷＧの所望の合分波特性を設計することができる。ＡＷＧの入出力導波路の本数がそれぞれＮ、合分波される光の波長間隔がΔλであるとき、ＡＷＧの基調周期（ＦＳＲ：Free Spectral Range）をΔλ×Ｎより十分大きく設計すると、入出力ポート間の合分波特性を、均一な損失で得られる。

図９に、従来の入出力導波路の本数が４であるアレイ導波路回折格子型合分波回路の波長入出力特性を示す。４入力４出力の導波路間には、入力導波路と入力波長に応じた１６通りの経路が存在する。この入出力特性を利用し、通信ノード６０２−１〜６０２−Ｎにλ_１からλ_７までのうち、各々４つの波長の信号を送受信するＷＤＭ信号送受信装置を設置することで、４つの通信ノード間でフルメッシュの接続性を得ることができる（非特許文献２参照）。

K. Kato et al., "32×32 full-mesh (1024 path) wavelength-routing WDM network based on uniform-loss cyclic-frequency arrayed-waveguide grating", Electronics Letters, 20th July 2000, Vol. 36, No. 15, pp.1294-1296 H. Takahashi et al., "Transmission characteristics of arrayed waveguide N×N wavelength multiplexer", Journal of Lightwave Technology, March 1995, Vol. 13, No. 3, pp.447-455

しかしながら、上記従来技術を用いたフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムでは、同じ組み合わせの通信ノード間で通信に用いることのできる光信号の波長数は１に制限されていて、２以上に拡張することができないという問題があった。すなわち、従来の光合分波装置においては、図７、図９に示すように例えば第１番目の入力ポートと第１番目の出力ポートとの間で通信に用いることができる光信号が、波長λ_１の光信号のみに限られるという問題があった。この光波長合分波装置における光信号の波長数の制限のため、ネットワークの設計の自由度が低く、通信需要に応じたネットワーク内の光回線の拡張も困難であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間での通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数の光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、Ｎ個の入力ポートとＮ個の出力ポート（Ｎは２以上の整数）を有し、波長分割多重された光信号を合分波する光波長合分波装置であって、Ｎ本の第１の入力導波路と、Ｎ本の第１の入力導波路から受光する第１のスラブ導波路と、第１のスラブ導波路から受光する第１の導波路アレイであって、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなる第１の導波路アレイと、第１の導波路アレイから受光する第２のスラブ導波路と、第２のスラブ導波路から受光するＭ本の第１の出力導波路（Ｍは２以上の整数）とを含み、第１の入力導波路のα番目の導波路から第１の出力導波路のβ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ _{α＋β−１} となる第１のアレイ導波路回折格子と、Ｍ本の第２の入力導波路と、Ｍ本の第２の入力導波路から受光する第３のスラブ導波路と、第３のスラブ導波路から受光する第２の導波路アレイであって、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなる第２の導波路アレイと、第２の導波路アレイから受光する第４のスラブ導波路と、第４のスラブ導波路から受光するＮ本の第２の出力導波路とを含み、第２の入力導波路のα番目の導波路から第２の出力導波路のβ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ _{α＋β−１} となる第２のアレイ導波路回折格子と、Ｍ本の第１の出力導波路とＭ本の第２の入力導波路との間をそれぞれ接続する接続手段とを備え、接続手段は、Ｚ＝Ａ−Ｄ（Ｚは１−Ｎ以上Ｎ−１以下の整数、Ａ、Ｄは１以上Ｎ以下の整数）なる関係を満たす、Ｎ本の第１の入力導波路のＡ番目の導波路から入力され、Ｎ本の第２の出力導波路のＤ番目の導波路から出力される信号波長数が、Ｙ波長（Ｙは正の整数）となるように、Ｚ＝ｃ _ｉ −ｂ_ｉ（ｉは１以上Ｍ以下の整数で、ｂ _１ からｂ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数、ｃ _１ からｃ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数）なる関係を満たす、第１の出力導波路のｂ_ｉ番目の導波路と、第２の入力導波路のｃ _ｉ 番目の導波路を、Ｙ組接続することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、光波長合分波装置であって、Ｎ個の入力ポートとＮ個の出力ポートを有し（Ｎは２以上の整数）、波長分割多重された光信号を合分波する光波長合分波装置であって、（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路（Ｍは２以上の整数）と、入力導波路から受光する第１のスラブ導波路と、第１のスラブ導波路から受光する導波路アレイであって、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなる導波路アレイと、導波路アレイから受光する第２のスラブ導波路と、第２のスラブ導波路から受光する（Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路とを含み、入力導波路のα番目の導波路から出力導波路のβ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ _{α＋β−１−Ｎ} となるアレイ導波路回折格子と、（Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路の一部と（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路の一部との間を接続する接続手段とを備え、接続手段は、Ｚ＝Ａ−Ｂ（Ｚは１−Ｎ以上Ｎ−１以下の整数、Ａ、Ｂは１以上Ｎ以下の整数）なる関係を満たす、入力導波路のＡ番目の導波路から入力され、出力導波路のＢ番目の導波路から出力される信号波長数が、Ｙ波長（Ｙは正の整数）となるように、Ｚ＝ａ_ｉ−ｂ _ｉ （ｉは１以上Ｍ以下の整数で、ａ _１ からａ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数、ｂ _１ からｂ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数）なる関係を満たす、出力導波路のｂ _ｉ 番目の導波路と、入力導波路のａ_ｉ番目の導波路を、Ｙ組接続することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光波長合分波装置であって、接続手段は、複数本の光導波路であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の光波長合分波装置であって、接続手段は、接続関係が変更可能である光スイッチであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光波長合分波装置であって、光波長合分波装置は、基板の単一面上に形成されたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の光波長合分波装置であって、光スイッチは、運用時には電力の供給を必要としない受動的な回路であり、光スイッチの設定は、紫外線の照射、局所的な加熱及び電圧・電流の印加のいずれかにより１度だけ変更可能であることを特徴とする。

本発明によれば、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間での通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数の光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置が可能になる。これにより、ネットワークの設計の自由度が高く、通信需要に応じたネットワーク内の光回線の拡張が可能なフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムが可能になる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る光波長合分波装置の構成図を示す。図２に、本発明の実施形態１に係る光波長合分波装置の波長入出力特性を示す。本発明は、Ｎ入力Ｍ出力（Ｎ、Ｍ：正の整数）のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｎ出力のアレイ導波路回折格子を内部に備える光波長合分波装置である。但し、ここでは実施形態１の一例として、Ｎ＝４、Ｍ＝８の場合を示す。図１には、外側の導波路の導波路番号のみを明示したが、導波路の並び順に１から番号が割振られるものとし、このことは他の光波長合分波装置の図面においても同様であるものとする。

図１に示す光波長合分波装置は、第１アレイ導波路回折格子、第２アレイ導波路回折格子、及びそれらを結ぶ接続導波路１０６からなる。第１アレイ導波路回折格子は、Ｎ本の導波路を有する第１入力導波路１０１が、第１入力導波路１０１から受光する第１スラブ導波路１０２と接続されている。また、第１スラブ導波路１０２は、第１スラブ導波路１０２から受光する、所定の光路差を有する第１アレイ導波路１０３に接続されている。第１アレイ導波路１０３は、第１アレイ導波路１０３から受光する第２スラブ導波路１０４に接続されている。第２スラブ導波路１０４は、第２スラブ導波路１０４から受光するＭ本の導波路を有する第１出力導波路１０５に接続されている。第２アレイ導波路回折格子は、Ｍ本の導波路を有する第２入力導波路１０７が、第２入力導波路１０７から受光する第３スラブ導波路１０８に接続されている。第３スラブ導波路１０８は、第３スラブ導波路１０８から受光する、所定の光路差を有する第２アレイ導波路１０９に接続されている。第２アレイ導波路１０９は、第２アレイ導波路１０９から受光する第４スラブ導波路１１０に接続されている。第４スラブ導波路１１０は、第４スラブ導波路１１０から受光するＮ本の導波路を有する第２出力導波路１１１に接続されている。接続導波路１０６は、第１出力導波路１０５のＭ本の導波路と第２入力導波路１０７のＭ本の導波路とに接続されている。

以下に、本発明の原理を説明する。

第１入力導波路１０１の各導波路に入力された光信号は、導波路毎に異なる所定の位置から第１のスラブ導波路１０２に入力される。第１スラブ導波路１０２に入力された光信号は、第１スラブ導波路１０２中を伝播し、入力された位置に応じて定まる位相関係で、第１アレイ導波路１０３の各導波路に分配されて入力される。

第１アレイ導波路１０３は、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路で構成されている。第１アレイ導波路１０３に入力された光信号は、第１アレイ導波路１０３を形成する材料に存在する屈折率の波長依存性、つまり伝播速度の波長依存性に従い、波長毎に異なる位相関係で第２のスラブ導波路１０４に入力される。

第２のスラブ導波路に入力された光信号は、第１入力導波路１０１の各導波路の位置に応じて定まる位相関係と、第１アレイ導波路１０３において各波長に応じて定まる位相関係とから決まる位置に集光し、それぞれ第１出力導波路１０５の各導波路から出力される。

このようにして、第１入力導波路１０１と、第１スラブ導波路１０２と、第１アレイ導波路１０３と、第２スラブ導波路１０４と、第１出力導波路１０５とによって、Ｎ入力Ｍ出力の第１アレイ導波路回折格子が形成される。そして、特定の入力ポートから入力された光信号が、入力ポートの位置と光信号の波長とに応じて定まる特定の出力ポートから出力される機能が実現される。

同様に、第２入力導波路１０７に入力された光信号は、導波路毎に異なる所定の位置から第３スラブ導波路１０８に入力される。第３スラブ導波路１０８に入力された光信号は第３スラブ導波路１０８中を伝播し、入力された位置に応じて定まる位相関係で、第２アレイ導波路１０９に分配されて入力される。

第２アレイ導波路１０９は、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路で構成されている。第２アレイ導波路１０９を形成する材料に存在する屈折率の波長依存性、つまり伝播速度の波長依存性に従い、第２アレイ導波路１０９に入力された光信号は、波長毎に異なる位相関係で第４スラブ導波路１１０に入力される。

第４のスラブ導波路に入力された光信号は、第２入力導波路１０７の各導波路の位置に応じて定まる位相関係と、第２アレイ導波路１０９において各波長に応じて定まる位相関係とから決まる位置に集光し、第２出力導波路１１１から出力される。

このようにして、第２入力導波路１０７と、第３スラブ導波路１０８と、第２アレイ導波路１０９と、第４スラブ導波路１１０と、第２出力導波路１１１とによって、Ｍ入力Ｎ出力の第２アレイ導波路回折格子が形成される。そして、特定の入力ポートから入力された光信号が、入力ポートの位置と光信号の波長とに応じて定まる特定の出力ポートから出力される機能が実現される。

ここで、第１アレイ導波路回折格子は、その波長入出力特性が、第１入力導波路１０１の第ａ番目の導波路から入力され、第１出力導波路１０５の第ｂ番目の導波路に出力される光信号の波長が、適切に定義された波長番号を用いて、λ_{（ａ＋ｂ−１）}となるように、導波路構造の設計がなされるものとする。同様に第２アレイ導波路回折格子も、その波長入出力特性が、第２入力導波路１０７の第ａ番目の導波路から入力され、第２出力導波路１１１の第ｂ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ_{（ａ＋ｂ−１）}となるように、導波路構造の設計がなされるものとする。

実施形態１の光波長合分波装置は、第１アレイ導波路回折格子のＮ本の第１入力導波路１０１を入力ポートとする。また、第１アレイ導波路回折格子のＭ本の第１出力導波路１０５は、Ｍ本の接続導波路１０６を介して、それぞれ第２アレイ導波路回折格子のＭ本の第２入力導波路１０７に接続する。また、第２アレイ導波路回折格子のＮ本の第２出力導波路１１１を出力ポートとすることで構成する。

このとき、発明の光波長合分波装置全体の波長入出力特性は、第１アレイ導波路回折格子の第１出力導波路１０５の第ｍ番目の導波路が、第２アレイ導波路回折格子の第２入力導波路１０７の第ｃ番目の導波路に接続されるものとする。そうすると、光波長合分波装置の第Ａ番目の入力ポートに入力された、波長λ_{（Ａ＋ｍ−１）}の光信号が、第１アレイ導波路回折格子の第１出力導波路１０５の第ｍ番目の導波路に出力される。この第１出力導波路１０５の第ｍ番目の導波路から出力された光信号は、第２アレイ導波路回折格子の第２入力導波路１０７の第ｃ番目の導波路に入力され、光波長合分波装置の第｛Ａ＋ｍ−ｃ｝番目の出力ポートから出力される。

つまり、第２アレイ導波路回折格子の第２入力導波路１０７の導波路番号ｃと、第１アレイ導波路回折格子の第１出力導波路１０５の導波路番号ｍとの差（ｃ−ｍ）をＣとすると、第Ａ番目の入力ポートに入力された波長λ_{（Ａ＋ｍ−１）}の光信号は、第（Ａ−Ｃ）番目の出力ポートから出力される。

従って、光波長合分波装置の第Ａ番目の入力ポートから入力され、第（Ａ−Ｃ）番目の出力ポートから出力され得る異なる波長の光信号の数は、接続導波路１０６が結ぶ、導波路番号の差がＣである導波路対の数と一致する。

このことから、本発明の光波長合分波装置において、接続導波路１０６を適切に配置することで、所望の波長入出力特性を得ることができる。特に接続する導波路番号の差が異なる接続導波路１０６を１つずつ設けることで、フルメッシュの接続性を実現することができる。また、接続する導波路番号の差が等しい接続導波路１０６を複数設けることで、同一の入出力ポート間で通信に用いることのできる波長数を拡張することができる。

出力ポートの数は４であるので、１≦Ａ−Ｃ≦４である。このことから、第Ａ番目の入力ポートに対して許されるＣの値は表１に示すようになる。

図１に示す実施形態１においては、Ｍ本の導波路からなる接続導波路１０６は、次のように第１アレイ導波路回折格子の第１出力導波路１０５を、第２アレイ導波路回折格子の第２入力導波路１０７に接続している。第１番目の出力導波路を、第４番目の入力導波路に接続し、第２番目の出力導波路を、第３番目の入力導波路に接続し、第３番目の出力導波路を、第２番目の入力導波路に接続し、第４番目の出力導波路を、第１番目の入力導波路に接続する。さらに第５番目の出力導波路を、第７番目の入力導波路に接続し、第６番目の出力導波路を、第８番目の入力導波路に接続し、第７番目の出力導波路を、第５番目の入力導波路に接続し、第８番目の出力導波路を、第６番目の入力導波路に接続する。

このとき、第１出力導波路１０５の各導波路に対する導波路対の導波路番号の差Ｃが決まる。それをまとめると、以下の表２のようになる。表１に示すように、許される導波路対の導波路番号の差Ｃの値は、−３から３であることから、表２では−３≦Ｃ≦３とした。

表１から第Ａ番目の入力ポートに対して取り得る導波路対の導波路番号の差Ｃが決まっているので、可能な入力ポート番号Ａと出力ポート番号Ａ−Ｃの組み合わせに対する第１出力導波路１０５の導波路番号ｍが表２から決まり、その組み合わせの経路を伝播する光信号の波長λ _{（Ａ＋ｍ−１）} が決まる。すなわち、ＡとＣとｍが決まると、特定の入力ポートから出力ポートへの経路と、その経路を伝播する光信号の波長とが決まる。例えば、Ａ＝１、Ｃ＝−３の場合は、第１番目の入力ポートから入力され、第４番目の出力ポートへ出力される、その経路を伝播する光信号の波長は、λ_４であることが分かる。同様に、Ａ＝１、Ｃ＝−２の場合は、第１番目の入力ポートから入力され、第３番目の出力ポートへ出力される、その経路を伝播する光信号の波長は、λ_７とλ_８であることが分かる。

このように、接続導波路１０６を設けると、図２に示す波長入出力特性を得ることができる。これは、接続導波路１０６が結ぶ導波路対の導波路番号の差Ｃに着目すると、Ｃ＝３である導波路が１本であるため、入力ポート番号４から出力ポート番号１に出力される波長が１波長存在する。Ｃ＝２である導波路が２本であるため、入力ポート番号４から出力ポート番号２、入力ポート番号３から出力ポート番号１に出力される波長が２波長存在する。Ｃ＝１である導波路が１本であるため、入力ポート番号４から出力ポート番号３、入力ポート番号３から出力ポート番号２、入力ポート番号２から出力ポート番号１に出力される波長が１波長存在する。Ｃ＝０である導波路が存在しないため、入力ポート番号４から出力ポート番号４、入力ポート番号３から出力ポート番号３、入力ポート番号２から出力ポート番号２、入力ポート番号１から出力ポート番号１に出力される波長が１波長存在しない。Ｃ＝−１である導波路が１本であるため、入力ポート番号３から出力ポート番号４、入力ポート番号２から出力ポート番号３、入力ポート番号１から出力ポート番号２に出力される波長が１波長存在する。Ｃ＝−２である導波路が２本であるため、入力ポート番号２から出力ポート番号４、入力ポート番号１から出力ポート番号３に出力される波長が２波長存在する。Ｃ＝−３である導波路が１本であるため、入力ポート番号１から出力ポート番号４に出力される波長が１波長存在する。

以上のように光波長合分波装置を構成することで、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現できる。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る光波長合分波装置の構成図を示す。実施形態２は、Ｎ入力Ｍ出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｎ出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチとを内部に備える光波長合分波装置である。但し、ここでは実施形態２の一例として、Ｎ＝４、Ｍ＝８の場合を示す。

図３に示す光波長合分波装置は、第１アレイ導波路回折格子、第２アレイ導波路回折格子、及びそれらを結ぶ光スイッチ３０１からなる。第１アレイ導波路回折格子は、Ｎ本の導波路を有する第１入力導波路１０１が、第１入力導波路１０１から受光する第１スラブ導波路１０２と接続されている。また、第１スラブ導波路１０２は、第１スラブ導波路１０２から受光する、所定の光路差を有する第１アレイ導波路１０３に接続されている。第１アレイ導波路１０３は、第１アレイ導波路１０３から受光する第２スラブ導波路１０４に接続されている。第２スラブ導波路１０４は、第２スラブ導波路１０４から受光するＭ本の導波路を有する第１出力導波路１０５に接続されている。第２アレイ導波路回折格子は、Ｍ本の導波路を有する第２入力導波路１０７が、第２入力導波路１０７から受光する第３スラブ導波路１０８に接続されている。第３スラブ導波路１０８は、第３スラブ導波路１０８から受光する、所定の光路差を有する第２アレイ導波路１０９に接続されている。第２アレイ導波路１０９は、第２アレイ導波路１０９から受光する第４スラブ導波路１１０に接続されている。第４スラブ導波路１１０は、第４スラブ導波路１１０から受光するＮ本の導波路を有する第２出力導波路１１１に接続されている。接続導波路３０１は、第１出力導波路１０５のＭ本の導波路と第２入力導波路１０７のＭ本の導波路とに接続されている。

以下に、本実施形態の動作原理を説明する。

第１のアレイ導波路回折格子及び第２のアレイ導波路回折格子の構成、機能は、実施形態１に示したものと同一である。

実施形態２の特徴は、実施形態１で用いるＭ本の接続導波路１０６の代わりに、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチ３０１を備えたことにある。光スイッチ３０１は、設定を変更することにより接続する第１アレイ導波路回折格子の出力導波路と、第２アレイ導波路回折格子の入力導波路の組み合わせを適宜変更することができる。

なお、光スイッチ３０１の具体的な構成としては、例えば、マッハツェンダ干渉計を組み合わせ、導波路材料の熱光学効果によって経路を切り替える、平面光導波路回路（ＰＬＣ）型のスイッチを使用することができる。

あるいは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いた２次元又は３次元型の光スイッチを用いても良いし、熱毛管現象を利用した光導波路スイッチ、機械式のスイッチを使用してもよく、その実現方法は問わない。

実施形態２の光波長合分波装置全体の波長入出力特性は、実施形態１に示されたものと同一である。

従って、以上のように光波長合分波装置を構成することで、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現できるという特徴に加え、さらに需要に応じて入出力特性を変更する柔軟性を備えることができる。

（実施形態３）
図４に、本発明の実施形態３に係る光波長合分波装置の構成図を示す。実施形態３は、（Ｎ＋Ｍ）入力（Ｎ＋Ｍ）出力のアレイ導波路回折格子を内部に備えた光波長合分波装置である。但し、ここでは実施形態３の一例として、Ｎ＝４、Ｍ＝８の場合を示す。

図４に示す光波長合分波装置は、（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路４０１が、（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路４０１から受光する第１スラブ導波路４０２に接続されている。第１スラブ導波路４０２は、第１スラブ導波路４０２から受光する所定の光路長差を有するアレイ導波路４０３に接続されている。アレイ導波路４０３は、アレイ導波路４０３から受光する第２スラブ導波路４０４に接続されている。第２スラブ導波路４０４は、第２スラブ導波路４０４から受光する（Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路４０５に接続されている。Ｍ本の接続導波路４０６は、入力導波路４０１の導波路番号（Ｎ＋１）〜（Ｎ＋Ｍ）である導波路と、出力導波路４０５の導波路番号（Ｎ＋１）〜（Ｎ＋Ｍ）である導波路とに接続されている。

以下に、実施形態３の動作原理を説明する。

入力導波路４０１と、第１スラブ導波路４０２と、所定の光路長差を有するアレイ導波路４０３と、第２スラブ導波路４０４と、出力導波路４０５とで構成されるアレイ導波路回折格子の機能は、実施形態１に示されたものと同一である。

ここで、アレイ導波路回折格子の波長入出力特性を、第ａ番目の入力導波路から入力され、第ｂ番目の出力導波路に出力される光信号の波長を、適切に定義された波長番号を用いて、λ_{（ａ＋ｂ−１−Ｎ）}となるように、導波路構造を設計するものとする。

実施形態３の光波長合分波装置は、アレイ導波路回折格子の第１番目から第Ｎ番目の出力導波路を出力ポートとする。また、アレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋１）番目から第（Ｎ＋Ｍ）番目の出力導波路は、Ｍ本の接続導波路４０６を介して、それぞれアレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋１）番目から第（Ｎ＋Ｍ）番目の入力導波路に接続することで構成する。

実施形態３の接続導波路４０６を通過する光信号に関する波長入出力特性は、アレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋ｍ）番目の出力導波路が、アレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋ｃ）番目の入力導波路に接続されている場合、光波長合分波装置の第Ａ番目の入力ポートに入力された、波長λ_{（Ａ＋ｍ−１）}の信号が、アレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋ｍ）番目の出力導波路に出力され、アレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋ｃ）番目の入力導波路に入力される。このとき、λ_{（（Ｎ＋ｃ）＋ｂ−１−Ｎ）}＝λ_{（Ａ＋ｍ−１）}であることから、アレイ導波路回折格子の第（Ｎ＋ｃ）番目の入力導波路に入力された光信号は、光波長合分波装置の第ｂ番目の出力ポート、すなわち第（Ａ＋ｍ−ｃ）番目の出力ポートから出力される。

つまり、アレイ導波路回折格子の入力導波路の導波路番号（Ｎ＋ｃ）と、アレイ導波路回折格子の出力導波路の導波路番号（Ｎ＋ｍ）との差（ｃ−ｍ）をＣとすると、接続導波路４０６を通過する光信号のうち、第Ａ番目の入力ポートに入力された波長λ_{（Ａ＋ｍ−１）}の光信号は、第（Ａ−Ｃ）番目の出力ポートから出力される。

ここまでは、実施形態１において示した波長入出力特性と同じであるが、実施形態３ではこれに加えて、入力ポートから入力されると、接続導波路４０６を経ずに直接出力ポートから出力される光信号が存在する。例えば、第２番目の入力ポートから入力された波長λ_１の光信号は、接続導波路４０６を経ずに第４番目の出力ポートから出力される。すなわち、これら接続導波路４０６を経ずに出力される光信号は、入力導波路４０１と出力導波路４０５との接続の仕方には依存せずに、λ_{（ａ＋ｂ−１−Ｎ）}で決まる入出力特性に従う。

このように、実施形態３の波長入出力特性は、接続導波路４０６を通過する光信号に関しては実施形態１において示したものと同一である。

従って、以上のように光波長合分波装置を構成することで、実施形態１において示したように、Ｎ×Ｎ光波長合意分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現できる。また、これに加えて、特定のポート間では、通信に用いることのできる光信号の波長数をさらに拡張することができる。

実施形態３では、入力導波路４０１の導波路番号１〜４の導波路を入力ポートとし、出力導波路４０５の導波路番号１〜４の導波路を出力ポートとしたが、入力ポート、出力ポートとして使用する導波路は任意に選択可能である。例えば、入力導波路４０１の導波路番号９〜１２の導波路を入力ポートとし、出力導波路４０５の導波路番号９〜１２の導波路を出力ポートとしてもよい。

（実施形態４）
図５に、本発明の実施形態４に係る光波長合分波装置の構成図を示す。実施形態４は、（Ｎ＋Ｍ）入力（Ｎ＋Ｍ）出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチとを内部に備える光波長合分波装置である。但し、ここでは実施形態４の一例として、Ｎ＝４、Ｍ＝８の場合を示す。

図５に示す光波長合分波装置は、（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路４０１が、（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路４０１から受光する第１スラブ導波路４０２に接続されている。第１スラブ導波路４０２は、第１スラブ導波路４０２から受光する所定の光路長差を有するアレイ導波路４０３に接続されている。アレイ導波路４０３は、アレイ導波路４０３から受光する第２スラブ導波路４０４に接続されている。第２スラブ導波路４０４は、第２スラブ導波路４０４から受光する（Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路４０５に接続されている。Ｍ×Ｍの光スイッチ５０１は、入力導波路４０１の導波路番号（Ｎ＋１）〜（Ｎ＋Ｍ）である導波路と、出力導波路４０５の導波路番号（Ｎ＋１）〜（Ｎ＋Ｍ）である導波路とに接続されている。

以下に、本実施形態の動作原理を説明する。

アレイ導波路回折格子の構成、機能は、実施形態３に示されたものと同一である。

実施形態４の特徴は、Ｍ本の接続導波路４０６の代わりに、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチ５０１を備えたことにある。光スイッチ５０１は、設定を変更することにより、接続するアレイ導波路回折格子の出力導波路と、アレイ導波路回折格子の入力導波路の組み合わせを適宜変更することができる。

なお、光スイッチ５０１の具体的な構成としては、例えば、マッハツェンダ干渉計を組み合わせ、導波路材料の熱光学効果によって経路を切り替える、平面光導波回路（ＰＬＣ）型のスイッチを使用することができる。

あるいは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いた２次元又は３次元型の光スイッチを用いても良いし、熱毛管現象を利用した光導波路スイッチ、機械式のスイッチを使用してもよく、その実現方法は問わない。

実施形態４の光波長合分波装置全体の波長入出力特性は、実施形態３に示されたものと同一である。

従って、以上のように光波長合分波装置を構成することで、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、特定のポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現することができる。さらにこれらの特徴に加え、需要に応じて入出力特性を変更する柔軟性を備えることができる。

実施形態４では、実施形態３と同様に、入力導波路４０１の導波路番号１〜４の導波路を入力ポートとし、出力導波路４０５の導波路番号１〜４の導波路を出力ポートとしたが、入力ポート、出力ポートとして使用する導波路は任意に選択可能である。

（実施形態５）
実施形態５は、Ｎ入力Ｍ出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｍ出力のアレイ導波路回折格子と、接続用の光導波路又はＭ入力Ｍ出力の光スイッチとを内部に備えた光波長合分波装置である。これらの構成及びその動作原理は、実施形態１又は２に関して説明したものと同一であるため、説明を省略する。

実施形態５の特徴は、Ｎ入力Ｍ出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｍ出力のアレイ導波路回折格子と、接続用の光導波路又はＭ入力Ｍ出力の光スイッチとを、全て同一平面状の光回路として基板の単一面上に構成することにあり、集積化することによってデバイス数を削減し、製造コストを抑えることが可能である。

実施形態５の光波長合分波装置を用いても、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現できるという特徴は変わらず、光スイッチを適用した場合には、需要に応じて入出力特性を変更する柔軟性を備えることがきる。

（実施形態６）
実施形態６は、（Ｎ＋Ｍ）入力（Ｎ＋Ｍ）出力のアレイ導波路回折格子と、接続用の光導波路又はＭ入力Ｍ出力の光スイッチとを内部に備える光波長合分波装置である。これらの構成及びその動作原理は、実施形態３又は４に関して説明したものと同一であるため、説明を省略する。

実施形態６の特徴は、（Ｎ＋Ｍ）入力（Ｎ＋Ｍ）出力のアレイ導波路回折格子と、接続用の光導波路又はＭ入力Ｍ出力の光スイッチとを、全て同一平面状の光回路として基板の単一面上に構成することにあり、集積化することによってデバイス数を削減し、製造コストを抑えることが可能である。

実施形態６の光波長合分波装置を用いても、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現できるという特徴は変わらず、光スイッチを適用した場合には、需要に応じて入出力特性を変更する柔軟性を備えることができる。

（実施形態７）
実施形態７は、Ｎ入力Ｍ出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｎ出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチとを内部に備える光波長合分波装置である。これらの構成及びその動作原理は、実施形態２又は５に関して説明したものと同一であるため、説明を省略する。

実施形態７の特徴は、アレイ導波路回折格子間を接続するＭ入力Ｍ出力の光スイッチにおいて、初期設定として接続関係を規定した後は、設定の変更を行わず、設定を維持するための電力を供給する必要もなく、全て受動的に動作することにある。

例えば、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチとして、マッハツェンダ干渉計を組み合わせ、導波路材料の熱光学効果によって経路を切り替える、平面光導波回路（ＰＬＣ）型のスイッチを使用する場合、導波路材料であるガラスに局所的に紫外線を照射するか、局所的に高温に加熱することで、該当部分の屈折率が恒久的に変化するため、その機能を用いてスイッチの初期設定を行うことができる。

又は、機械式スイッチのように、自己保持型のスイッチを使用し、初期設定を行った後は、スイッチを受動回路として使用しても同一の機能を実現できる。

実施形態７の構成を用いることにより、様々な入出力特性の光波長合分波装置を、同一の製造ラインを用いて製造することができ、必要とする入出力特性は初期設定を変更することによって得られる。さらに、運用中には、設定保持のために電力を消費することがないため、運用時にかかる費用の低コスト化が可能となる。

すなわち、これらの光スイッチは、運用時には電力の供給を必要としない受動的な回路であり、その設定は、紫外線の照射、局所的な加熱及び電圧・電流の印加のいずれかにより１度だけ変更可能であるものとする。

実施形態７の光波長合分波装置を用いても、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現することができる。これに加えて、全回路を同一平面状の光回路として構成する場合には、デバイス数を削減し、製造コストを抑えることも可能である。

（実施形態８）
実施形態８は、（Ｎ＋Ｍ）入力（Ｎ＋Ｍ）出力のアレイ導波路回折格子と、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチとを内部に備える光波長合分波装置である。これらの構成及びその動作原理は、実施形態４又は６に関して説明したものと同一であるため、説明を省略する。

実施形態８の特徴は、アレイ導波路回折格子間を接続するＭ入力Ｍ出力の光スイッチにおいて、初期設定として接続関係を規定した後は、設定の変更を行わず、設定を維持するための電力を供給する必要もなく、全て受動的に動作することにある。

例えば、Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチとして、マッハツェンダ干渉計を組み合わせ、導波路材料の熱光学効果によって経路を切り替える、平面光導波回路（ＰＬＣ）型のスイッチを使用する場合、導波路材料であるガラスに局所的に紫外線を照射するか、局所的に高温に加熱することで、該当部分の屈折率が恒久的に変化するため、その機能を用いてスイッチの初期設定を行うことができる。

又は、機械式スイッチのように、自己保持型のスイッチを使用し、初期設定を行った後は、スイッチを受動回路として使用しても、同一の機能を実現できる。

すなわち、これらの光スイッチは、運用時には電力の供給を必要としない受動的な回路であり、その設定は、紫外線の照射、局所的な加熱及び電圧・電流の印加のいずれかにより１度だけ変更可能であるものとする。

実施形態８の構成を用いることにより、様々な入出力特性の光波長合分波装置を、同一の製造ラインを用いて製造することができ、必要とする入出力特性は初期設定を変更することによって得られる。さらに、運用中には、設定保持のために電力を消費することがないため、運用時にかかる費用の低コスト化が可能となる。

実施形態８の光波長合分波装置を用いても、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置のポート間で通信に用いることのできる光信号の波長数を自在に拡張し、ポート間に任意の数だけ光信号の波長を割り当てることができるＮ×Ｎ光波長合分波装置を実現することができるという特徴は変わらず、全回路を同一平面状の光回路として構成する場合には、デバイス数を削減し、製造コストを抑えることも可能である。

以上、本発明について、具体的に説明してきたが、本発明の原理を適用することのできる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、上記のアレイ導波路回折格子、光スイッチのポート数や、アレイ導波路回折格子の波長入出力特性、光スイッチの実現方法は、本発明の趣旨から逸脱することなく、その構成と詳細を変更することができる。また、説明のための構成要素は、本発明の趣旨を逸脱することなく変更、補足、又はその順序を替えてもよい。

本発明の実施形態１に係る光波長合分波装置の構成図を示す図である。 本発明の実施形態１に係る光波長合分波装置の波長入出力特性を示す図である。 本発明の実施形態２に係る光波長合分波装置の構成図を示す図である。 本発明の実施形態３に係る光波長合分波装置の構成図を示す図である。 本発明の実施形態４に係る光波長合分波装置の構成図を示す図である。 従来のフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムの概略構成を示すブロック図である。 従来のフルメッシュＷＤＭ光信号伝送システムに用いられる、光波長合分波装置の波長入出力特性を説明する図である。 従来のアレイ導波路回折格子型合分波回路の構成図を示す図である。 従来の入出力導波路の本数が４であるアレイ導波路回折格子型合分波回路の波長入出力特性を示す図である。

符号の説明

１０１ Ｎ本の第１入力導波路
１０２ 第１スラブ導波路
１０３ 所定の光路長差を有する第１アレイ導波路
１０４ 第２スラブ導波路
１０５ Ｍ本の第１出力導波路
１０６ Ｍ本の接続導波路
１０７ Ｍ本の第２入力導波路
１０８ 第３スラブ導波路
１０９ 所定の光路長差を有する第２アレイ導波路
１１０ 第４スラブ導波路
１１１ Ｎ本の第２出力導波路
３０１ Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチ
４０１ （Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路
４０２ 第１スラブ導波路
４０３ 所定の光路長差を有するアレイ導波路
４０４ 第２スラブ導波路
４０５ （Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路
４０６ Ｍ本の接続導波路
５０１ Ｍ入力Ｍ出力の光スイッチ
６０１ Ｎ×Ｎ光波長合分波装置
６０２−１〜６０２−Ｎ 通信ノード
６０３−１〜６０３−Ｎ ＷＤＭ信号送受信装置
６０４ 光ファイバ
８０１ 所定の光路長差を有するアレイ導波路
８０２ スラブ導波路
８０３ Ｎ本の入力導波路
８０４ Ｎ本の出力導波路

Claims (6)

1. Ｎ個の入力ポートとＮ個の出力ポート（Ｎは２以上の整数）を有し、波長分割多重された光信号を合分波する光波長合分波装置であって、
   Ｎ本の第１の入力導波路と、
   前記Ｎ本の第１の入力導波路から受光する第１のスラブ導波路と、
   前記第１のスラブ導波路から受光する第１の導波路アレイであって、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなる第１の導波路アレイと、
   前記第１の導波路アレイから受光する第２のスラブ導波路と、
   前記第２のスラブ導波路から受光するＭ本の第１の出力導波路（Ｍは２以上の整数）と
   を含み、前記第１の入力導波路のα番目の導波路から前記第１の出力導波路のβ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ _{α＋β−１} となる第１のアレイ導波路回折格子と、
   Ｍ本の第２の入力導波路と、
   前記Ｍ本の第２の入力導波路から受光する第３のスラブ導波路と、
   前記第３のスラブ導波路から受光する第２の導波路アレイであって、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなる第２の導波路アレイと、
   前記第２の導波路アレイから受光する第４のスラブ導波路と、
   前記第４のスラブ導波路から受光するＮ本の第２の出力導波路と
   を含み、前記第２の入力導波路のα番目の導波路から前記第２の出力導波路のβ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ _{α＋β−１} となる第２のアレイ導波路回折格子と、
   前記Ｍ本の第１の出力導波路と前記Ｍ本の第２の入力導波路との間をそれぞれ接続する接続手段と
   を備え、前記接続手段は、Ｚ＝Ａ−Ｄ（Ｚは１−Ｎ以上Ｎ−１以下の整数、Ａ、Ｄは１以上Ｎ以下の整数）なる関係を満たす、前記Ｎ本の第１の入力導波路のＡ番目の導波路から入力され、前記Ｎ本の第２の出力導波路のＤ番目の導波路から出力される信号波長数が、Ｙ波長（Ｙは正の整数）となるように、
   Ｚ＝ｃ _ｉ −ｂ_ｉ（ｉは１以上Ｍ以下の整数で、ｂ _１ からｂ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数、ｃ _１ からｃ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数）なる関係を満たす、前記第１の出力導波路のｂ_ｉ番目の導波路と、前記第２の入力導波路のｃ _ｉ 番目の導波路を、Ｙ組接続することを特徴とする光波長合分波装置。
2. Ｎ個の入力ポートとＮ個の出力ポートを有し（Ｎは２以上の整数）、波長分割多重された光信号を合分波する光波長合分波装置であって、
   （Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路（Ｍは２以上の整数）と、
   前記入力導波路から受光する第１のスラブ導波路と、
   第１のスラブ導波路から受光する導波路アレイであって、所定の導波路長差で順次長くなる複数本の導波路からなる導波路アレイと、
   前記導波路アレイから受光する第２のスラブ導波路と、
   前記第２のスラブ導波路から受光する（Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路と
   を含み、前記入力導波路のα番目の導波路から前記出力導波路のβ番目の導波路に出力される光信号の波長がλ _{α＋β−１−Ｎ} となるアレイ導波路回折格子と、
   前記（Ｎ＋Ｍ）本の出力導波路の一部と前記（Ｎ＋Ｍ）本の入力導波路の一部との間を接続する接続手段と
   を備え、前記接続手段は、Ｚ＝Ａ−Ｂ（Ｚは１−Ｎ以上Ｎ−１以下の整数、Ａ、Ｂは１以上Ｎ以下の整数）なる関係を満たす、前記入力導波路のＡ番目の導波路から入力され、前記出力導波路のＢ番目の導波路から出力される信号波長数が、Ｙ波長（Ｙは正の整数）となるように、
   Ｚ＝ａ_ｉ−ｂ _ｉ （ｉは１以上Ｍ以下の整数で、ａ _１ からａ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数、ｂ _１ からｂ _Ｍ は全て異なる１以上Ｍ以下の整数）なる関係を満たす、前記出力導波路のｂ _ｉ 番目の導波路と、前記入力導波路のａ_ｉ番目の導波路を、Ｙ組接続することを特徴とする光波長合分波装置。
3. 請求項１又は２に記載の光波長合分波装置であって、前記接続手段は、複数本の光導波路であることを特徴とする光波長合分波装置。
4. 請求項１又は２に記載の光波長合分波装置であって、前記接続手段は、接続関係が変更可能である光スイッチであることを特徴とする光波長合分波装置。
5. 請求項４に記載の光波長合分波装置であって、前記光スイッチは、運用時には電力の供給を必要としない受動的な回路であり、前記光スイッチの設定は、紫外線の照射、局所的な加熱及び電圧・電流の印加のいずれかにより１度だけ変更可能であることを特徴とする光波長合分波装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の光波長合分波装置であって、前記光波長合分波装置は、基板の単一面上に形成されたことを特徴とする光波長合分波装置。

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