JP4691666B2

JP4691666B2 - 光波長合分波装置

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Publication number: JP4691666B2
Application number: JP2008250971A
Authority: JP
Inventors: 摂森脇; 一人野口; 新亀井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: JP2010085424A

Description

本発明は、光波長多重された複数の信号を波長に応じて分波または合波する光波長合分波装置に関するものである。

複数の光信号を異なる波長の光に乗せ、１本の光ファイバで伝送する波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）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利用するだけでなく、ネットワークの経路設定に使用する手法の検討も進んでおり、その一例として波長多重信号を送受信する通信ノードと、アレイ導波路回折格子とを利用することにより、通信ノード間にフルメッシュの接続性を獲得できる光通信システムがある。

図９に、波長可変光源とアレイ導波路回折格子とを利用した光通信システムの構成を示す。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２０１が設置され、複数の通信ノード２０２との間が、送受２心の光ファイバ２０３で接続される。通信ノード２０２の内部には、光信号の送信に関わる装置として、それぞれ所定の波長の信号を出力する送信器２０４−１〜２０４−Ｎと、該送信器２０４−１〜２０４−Ｎの出力を入力とする波長合波器２０５とを備える。該波長合波器２０５の出力は、前記光ファイバ２０３のうちの１本を介して、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置２０１の入力ポートに接続される。

同じく、通信ノード２０２の内部には、光信号の受信に関わる装置として、入力されたＷＤＭ信号を波長に応じて定義されるポートから出力する波長分波器２０６と、該波長分波器２０６の出力を入力とする受光素子２０７−１〜２０７−Ｎとを備える。前記波長分波器の入力は、前記光ファイバ２０３のうちの残りの１本を介して、Ｎ×Ｎ光波長合分波装置２０１の出力ポートに接続される。なお、本例では、Ｎ＝４の場合を示す。具体的には、光波長合分波装置２０１の入出力ポート数を４×４とし、送信器と受光素子の数を４とする場合を示す。

４×４光波長合分波装置２０１として、アレイ導波路回折格子を使用することができる。アレイ導波路回折格子は、別に設計により定義される基本周期（ＦＳＲ：ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）を有しており、これをλ_FSRとする。この時に獲得される入出力ポート間の特性を図１０に示す。一般に、「入力ポートＸから入力され、出力ポートＹから出力される信号の波長は、その波長がλ_(X+Y-1)＋Ｚ・λ_FSRである。ここで、Ｘ，Ｙは１以上Ｎ以下の整数であり、Ｚは負の数を含む任意の整数であり、λは等波長間隔あるいは等周波数間隔など所定の間隔で定義された波長である。」と定義できる。以降では、特にλを等波長間隔Δλで定義し、λ_FSR＝４・Δλである場合を例に考える。すなわち、「入力ポートＸから入力され、出力ポートＹから出力される信号の波長は、その波長がλ_(X+Y-1+4Z)である。」と表せる場合である。

各通信ノード２０２では、送信器２０４−１から２０４−１６と、波長合波器２０５を使用して、λ₁からλ₁₆までの１６波長が波長分割多重化された信号を出力するものとする。同様に各通信ノード２０２では、波長合波器２０６、送信器２０７−１から２０７−１６を使用して、λ₁からλ₁₆までの１６波長が波長分割多重化された信号を受信するものとする。

この時、いずれかの通信ノード２０２から出力された１６波長の波長分割多重化された信号は、当該通信ノードが接続されている４×４光波長合分波装置２０１の入力ポートに入力されると、前記入出力特性に従って波長毎に定義される出力ポートに出力され、当該出力ポートに接続されている通信ノード２０２において、波長分波器２０６で分波され、信号波長に応じて定義される受光素子２０７−１から２０７−１６のいずれかで受光される。

同様に、全ての通信ノード２０２から出力された１６波長の波長分割多重化された信号の経路を辿ることができる。その結果、アレイ導波路回折格子を適用して４×４光波長合分波装置２０１を使用することにより、通信ノード間にフルメッシュの光ファイバを敷設し、各光ファイバで４波長の波長分割多重化された信号を送受信可能な場合と同じ接続性が獲得されることが分かる。

Ｋ．Ｋａｔｏｅｔａｌ．，"３２×３２ｆｕｌｌ−ｍｅｓｈ（１０２４ｐａｔｈ）ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｒｏｕｔｉｎｇＷＤＭｎｅｔｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎｕｎｉｆｏｒｍ−ｌｏｓｓｃｙｃｌｉｃ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅｇｒａｔｉｎｇ"，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，３６，ｐｐ．１２９４−１２９６，２０００．）Ｈ．Ｔａｋａｈａｓｈｉｅｔａｌ．，"ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｒｒａｙｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅＮ×Ｎｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ"，Ｊ．ＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌ．，１３，ｐｐ．４４７−４５５，１９９５．）

しかしながら、アレイ導波路回折格子を適用した光波長合分波装置を使用して実現される光通信システムでは、各通信ノード間で通信に使用することのできる光信号の波長数が等しいという制限があった。一般に、各通信ノードから送出可能な波長分割多重信号の波長数にも制限があるため、通信ノード間の通信容量を拡張するために、各通信ノード間で通信に使用される光信号の波長数を増加するには、光通信システム内の通信ノードを減少させる必要があった。また、光通信システム内の通信ノードを増加させるには、各通信ノード間で通信に使用することのできる光信号の波長数を減少させる必要があった。つまり、光通信システム内の通信ノードと、各通信ノード間で通信に使用することのできる光信号の波長数を同時に増加させることができなかった。

本発明は、かかる問題を鑑みてなされたものであり、光波長合分波装置を使用して実現される光通信システムにおいて、光通信システム内の通信ノード数と、各通信ノード間で通信に使用することのできる光信号の波長数を同時に拡張可能な光波長合分波装置を実現することにある。

上記の課題を解決するための本発明の光波長合分波装置は、内部に第１及び第２の２つの多入力多出力のアレイ導波路回折格子を備える光波長合分波装置であって、上記２つの多入力多出力のアレイ導波路回折格子は、隣接する２つの導波路の１つの入力ポートから入力され、隣接する出力ポートから出力される２つの信号の波長が互いにΔλ異なり、上記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子は、λ_K（Ｋは整数）なる波長の信号が、ある入出力ポート間を透過するならば、当該入出力ポート間をλ_KとはＡ×Δλ（Ａは整数）の整数倍異なる波長の信号も透過する特性を有し、上記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子は、λ_H（Ｈは整数）なる波長の信号が、ある入出力ポート間を透過するならば、当該入出力ポート間をλ_HとはＢ×Δλ（ＢはＡと異なる整数）の整数倍異なる波長の信号も透過する特性を有し、上記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の出力ポートと入力ポートのうち、各々少なくとも１つが、それぞれ上記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入力ポートと出力ポートに光導波路を介して接続されることを特徴とする。

ここで、上記整数ＡおよびＢが互いに素（最大公約数が１）であると、接続用の導波路の本数および使用する入出力ポートに関わりなくフルメッシュの接続性を得ることができる。

また、上記整数ＡおよびＢの最大公約数がＤであるときに、上記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の出力ポートと上記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入力ポート及び、上記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の出力ポートと上記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入力ポートを接続する上記光導波路の数を、それぞれＤ本以上とし、アレイ導波路回折格子の適切な入出力ポートを使用して接続することにより、フルメッシュの接続性を得ることができる。

また、上記第１及び第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入出力ポートのうち、上記光導波路により互いの接続に使用される入出力ポートは、挿入損失の大きい多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入出力ポートの両端およびその近傍でないようにすることにより、損失の均一化を図ることができる。

さらに、上記多入力多出力のアレイ導波路回折格子と、接続に使用される上記光導波路の全てを同一基板上に形成する構成とすることにより、製造コストを低減できる。

本発明によれば、光波長合分波装置を使用して実現される光通信システムにおいて、各通信ノード間で通信に使用することのできる光信号の波長数が均一でなくなるため、光通信システム内の通信ノード数と、各通信ノード間で通信に使用することのできる光信号の波長数を、同時に拡張することの可能な光波長合分波装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

図１乃至図３を参照して、本発明に係る光波長合分波装置の第１の実施の形態を説明する。
本発明は、
Ａ×Δλの基本周期を有するＮ×Ｎアレイ導波路回折格子（ＮはＡ以下の整数）と、
Ｂ×Δλの基本周期を有するＭ×Ｍアレイ導波路回折格子（ＭはＢ以下の整数）を内蔵し、特にＡとＢが互いに素（最大公約数が１）の関係である場合の光波長合分波装置であるが、図１に示す本実施形態は、Ａ＝３、Ｂ＝５、Ｎ＝３、Ｍ＝５の場合を例にとって示す。

なお、本発明で使用する信号の波長数は、少なくとも２つの整数Ａ、Ｂの最小公倍数以上であり、図１に示す本実施形態では、波長λ₁からλ₁₅が所定の間隔Δλで定義されているものとする。

以下に、本発明の原理を説明する。
図１に示す光波長合分波装置１００は、３×３アレイ導波路回折格子１０１と、５×５アレイ導波路回折格子１０２と、光導波路１０３と、光導波路１０４とを備え、３×３アレイ導波路回折格子１０１は、入力ポート１０５と、出力ポート１０６とを備え、５×５アレイ導波路回折格子１０２は、入力ポート１０７と、出力ポート１０８とを備える。
３×３アレイ導波路回折格子１０１の第３出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子１０２の第５入力ポートが光導波路１０４を介して接続され、５×５アレイ導波路回折格子１０２の第５出力ポートと３×３アレイ導波路回折格子１０１の第３入力ポートが光導波路１０３を介して接続される。
３×３アレイ導波路回折格子１０１の第３入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子１０２の第５入出力ポート以外の入主力ポートは、本発明の光波長合分波装置の入出力ポートとして使用される。

アレイ導波路回折格子は設計により定義される基本周期（ＦＳＲ：ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）を有している。本実施の形態においては、（基本周期／Δλ）の値が互いに素（最大公約数が１）である２つのアレイ導波路回折格子を使用する。具体的には、基本周期が３×Δλである３×３アレイ導波路回折格子１０１と、基本周期が５×Δλである５×５アレイ導波路回折格子１０２を使用する場合を示す。図２に、当該３×３アレイ導波路回折格子１０１および５×５アレイ導波路回折格子１０２において、λ₁からλ₁₅までの波長について、入出力ポート間を透過する信号の波長を示す。一般には「入力ポートＸから入力され、出力ポートＹから出力される信号の波長は、λ_(x+y-1)と、λ_(X+Y-1)と基本周期単位で異なる波長（Ｘ、Ｙは１以上入出力ポート数以下の整数）である。」と定義できる。

図２に示される入出力ポート間の透過特性を元に、３×３アレイ導波路回折格子１０１の第３入出力ポートと、５×５アレイ導波路回折格子１０２の第５出入力ポートが、光導波路１０３および１０４に接続される場合に獲得される、入出力ポート間の透過特性を図３に示す。なお、図３に示す透過特性において、３回以上アレイ導波路回折格子を通過して出力される波長の記載は省略した。

図３に示される透過特性では、全ての行列成分が存在することから、従来技術として示した光通信システムに本光波長合分波装置を適用すると、フルメッシュの接続性を得ることができる。また、どちらも３×３アレイ導波路回折格子１０１に接続されている通信ノード間では、５波長の信号を通信に使用することができる。どちらも５×５アレイ導波路回折格子１０２に接続されている通信ノード間では、３波長の信号を通信に使用することができる。一方が３×３アレイ導波路回折格子１０１に接続され、他方が５×５アレイ導波路回折格子１０２に接続されている通信ノード間では、１波長の信号を通信に使用することができる。以上のように、通信ノードの組み合わせに応じて、通信に使用することができる信号の波長数を異ならせることが実現できており、光波長合分波装置として３×３アレイ導波路回折格子を適用する場合と比較して、通信ノード間で通信に使用できる最大の信号数を減らすことなく、通信ノード数を拡張できる。

なお、一般には、互いに素（最大公約数が１）である２整数Ａ、Ｂに対して、Ａ×Δλの基本周期を有するＮ×Ｎアレイ導波路回折格子（ＮはＡ以下の整数）と、Ｂ×Δλの基本周期を有するＭ×Ｍアレイ導波路回折格子（ＭはＢ以下の整数）をＣ対の光導波路（Ｃは整数）で接続する構造で、Ａ×Ｂ（ＡとＢの最小公倍数）種類の波長を使用する場合として考えることができる。

このとき、どちらもＮ×Ｎアレイ導波路回折格子に接続されている通信ノード間では、Ｂ波長の信号を通信に使用することができる。どちらもＭ×Ｍアレイ導波路回折格子に接続されている通信ノード間では、Ａ波長の信号を通信に使用することができる。一方がＮ×Ｎアレイ導波路回折格子に接続され、他方がＭ×Ｍアレイ導波路回折格子に接続されている通信ノード間では、Ｃ波長の信号を通信に使用することができる。

本発明の特徴は、Ｎ×Ｎアレイ導波路回折格子の入力ポートから入力され、光導波路を経由してＭ×Ｍアレイ導波路回折格子に入力される波長の信号は、波長に応じてＭ×Ｍアレイ導波路回折格子の異なるポートから出力されること、およびＭ×Ｍアレイ導波路回折格子の入力ポートから入力され、光導波路を経由してＮ×Ｎアレイ導波路回折格子に入力される波長の信号は、波長に応じてＮ×Ｎアレイ導波路回折格子の異なるポートから出力される点にある。この特徴は、２つのアレイ導波路回析格子の基本周期を所定の間隔Δλで割った値Ａ、Ｂが互いに素（最大公約数が１）であること自体に起因しており、Ａ、Ｂの最小公倍数に相当する数の波長を使用すれば、一般的に成立するものである。

なお、ＮはＡ以下の値であれば、必ずしもＡと同じ値である必要はなく、ＭもＢ以下の値であれば、必ずしもＢと同じ値である必要はない。いずれの場合も同様の透過特性を得ることができる。

例えば、本実施の形態では、Ａ＝３、Ｂ＝５、Ｎ＝３、Ｍ＝５で、３×３アレイ導波路回折格子の第３入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子の第５出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₁₅を使用する構成を示したが、他にも、Ａ＝５、Ｂ＝６、Ｎ＝５、Ｍ＝６で、５×５アレイ導波路回折格子の第５入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第６出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₃₀を使用する構成や、Ａ＝５、Ｂ＝６、Ｎ＝４、Ｍ＝５で、４×４アレイ導波路回折格子の第１入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子の第１出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₃₀を使用する構成であっても、同様の機能を実現できる。

図４および図５を参照して、本発明に係る光波長合分波装置の第２の実施の形態を説明する。
本発明は、
Ａ×Δλの基本周期を有するＮ×Ｎアレイ導波路回折格子（ＮはＡ以下の整数）と、
Ｂ×Δλの基本周期を有するＭ×Ｍアレイ導波路回折格子（ＭはＢ以下の整数）を内蔵し、特にＡとＢが互いに素（最大公約数が１）の関係である場合の光波長合分波装置であるが、図４に示す本実施形態は、Ａ＝３、Ｂ＝５、Ｎ＝３、Ｍ＝５の場合を例にとって示す。

なお、本発明で使用する信号の波長数は、少なくとも２つの整数Ａ、Ｂの最小公倍数以上であり、図４に示す本実施形態では、波長λ₁からλ₁₅が所定の間隔Δλで定義されているものとする。

以下に、本発明の原理を説明する。
図４に示す光波長合分波装置４００は、３×３アレイ導波路回折格子４０１と、５×５アレイ導波路回折格子４０２と、光導波路４０３と、光導波路４０４とを備え、３×３アレイ導波路回折格子４０１は、入力ポート４０５と、出力ポート４０６とを備え、５×５アレイ導波路回折格子４０２は、入力ポート４０７と、出力ポート４０８とを備える。
３×３アレイ導波路回折格子４０１の第３出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子４０２の第５入力ポートが光導波路４０４を介して接続され、５×５アレイ導波路回折格子４０２の第５出力ポートと３×３アレイ導波路回折格子４０１の第３入力ポートが光導波路４０３を介して接続される。

さらに、３×３アレイ導波路回折格子４０１の第２出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子４０２の第４入力ポートが光導波路４０４を介して接続され、５×５アレイ導波路回折格子４０２の第４出力ポートと３×３アレイ導波路回折格子４０１の第２入力ポートが光導波路４０３を介して接続される。３×３アレイ導波路回折格子４０１の第２および第３入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子４０２の第４および第５入出力ポート以外の入出力ポートは、本発明の光波長合分波装置の入出力ポートとして使用される。

アレイ導波路回折格子の透過特性は、第１の実施の形態で示したものと変わらない。従って、図２に示される入出力ポート間の透過特性を元に、３×３アレイ導波路回折格子４０１の第３入出力ポートと、５×５アレイ導波路回折格子４０２の第５出入力ポートが、光導波路４０３および４０４で接続されるとともに、３×３アレイ導波路回折格子４０１の第２入出力ポートと、５×５アレイ導波路回折格子４０２の第４出入力ポートが、光導波路４０３および４０４で接続されている場合に獲得される入出力ポート間の透過特性を図５に示す。なお、図５に示す透過特性において、３回以上アレイ導波路回折格子を通過して出力される波長の記載は省略した。

図５に示される透過特性では、全ての行列成分が存在することから、従来技術として示した光通信システムに本光波長合分波装置を適用すると、フルメッシュの接続性を得ることができる。また、どちらも３×３アレイ導波路回折格子４０１に接続されている通信ノード間では、５波長の信号を通信に使用することができる。どちらも５×５アレイ導波路回折格子４０２に接続されている通信ノード間では、３波長の信号を通信に使用することができる。一方が３×３アレイ導波路回折格子４０１に接続され、他方が５×５アレイ導波路回折格子４０２に接続されている通信ノード間では、２波長の信号を通信に使用することができる。本実施の形態では、２つのアレイ導波路回折格子を接続する導波路を、１対から２対に増やした点が第１の実施の形態とは異なる。接続用の導波路の機能は、それぞれ独立に扱うことができるので、異なるアレイ導波路回折格子に接続されたポート間を透過する信号の波長数が１から２に増えている。

以上のように、通信ノードの組み合わせに応じて、通信に使用することができる信号の波長数を異ならせることが実現でき、光波長合分波装置として３×３アレイ導波路回折格子を適用する場合と比較して、通信ノード間で通信に使用できる最大の信号数を減らすことなく、通信ノード数を拡張できる。

例えば、本発明の実施形態では、Ａ＝３、Ｂ＝５、Ｎ＝３、Ｍ＝５で、３×３アレイ導波路回折格子の第３入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子の第５出入力ポートとを接続するとともに、３×３アレイ導波路回折格子の第２入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子の第４出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₁₅を使用する構成を示したが、他にも、Ａ＝５、Ｂ＝６、Ｎ＝５、Ｍ＝６で、５×５アレイ導波路回折格子の第５入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第６出入力ポートとを接続するとともに、５×５アレイ導波路回折格子の第１入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第１出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₃₀を使用する構成や、Ａ＝５、Ｂ＝６、Ｎ＝４、Ｍ＝５で、４×４アレイ導波路回折格子の第１入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子の第１出入力ポートとを接続するとともに、４×４アレイ導波路回折格子の第２入出力ポートと５×５アレイ導波路回折格子の第２出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₃₀を使用する構成であっても、同様の機能を実現できる。

図６乃至図８を参照して、本発明に係る光波長合分波装置の第３の実施の形態を説明する。
本発明は、
Ａ×Δλの基本周期を有するＮ×Ｎアレイ導波路回折格子（ＮはＡ以下の整数）と、
Ｂ×Δλの基本周期を有するＭ×Ｍアレイ導波路回折格子（ＭはＢ以下の整数）を内蔵し、特にＡとＢが互いに素（最大公約数が１）の関係でない場合の光波長合分波装置であるが、図６に示す本実施形態は、Ａ＝４、Ｂ＝６、Ｎ＝４、Ｍ＝６の場合を例にとって示す。

なお、本発明で使用する信号の波長数は、少なくとも２つの整数Ａ、Ｂの最小公倍数以上であり、図６に示す本実施形態では、波長λ₁からλ₁₂が所定の間隔Δλで定義されているものとする。

以下に、本発明の原理を説明する。
図６に示す光波長合分波装置は、４×４アレイ導波路回折格子６０１、６×６アレイ導波路回折格子６０２、光導波路６０３、光導波路６０４を備え、４×４アレイ導波路回折格子６０１は、入力ポート６０５と、出力ポート６０６とを備え、６×６アレイ導波路回折格子６０２は、入力ポート６０７と、出力ポート６０８とを備える。
４×４アレイ導波路回折格子６０１の第４出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子６０２の第６入力ポートが光導波路６０４を介して接続され、６×６アレイ導波路回折格子６０２の第６出力ポートと４×４アレイ導波路回折格子６０１の第４入力ポートが光導波路６０３を介して接続される。

さらに、４×４アレイ導波路回折格子６０１の第３出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子６０２の第４入力ポートが光導波路６０４を介して接続され、６×６アレイ導波路回折格子６０２の第４出力ポートと４×４アレイ導波路回折格子６０１の第３入力ポートが光導波路６０４を介して接続される。４×４アレイ導波路回折格子６０１の第３および第４入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子６０２の第４および第６入出力ポート以外の入出力ポートは、本発明の光波長合分波装置の入出力ポートとして使用される。

アレイ導波路回折格子は設計により定義される基本周期（ＦＳＲ：ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）を有している。本実施の形態においては、（基本周期／Δλ）の値が互いに素（最大公約数が１）でない２つのアレイ導波路回折格子を使用する。具体的には、基本周期が４×Δλである４×４アレイ導波路回折格子６０１と、基本周期が６×Δλである６×６アレイ導波路回折格子６０２を使用する場合を示す。図７に、当該４×４アレイ導波路回折格子６０１および６×６アレイ導波路回折格子６０２において、λ₁からλ₁₂までの波長について、入出力ポート間を透過する信号の波長を示す。一般には「入力ポートＸから入力され、出力ポートＹから出力される信号の波長は、λ_(X+Y-1)と、λ_(X+Y-1)と基本周期単位で異なる波長（Ｘ、Ｙは１以上入出力ポート数以下の整数）である。」と定義できる。

図７に示される入出力ポート間の透過特性を元に、４×４アレイ導波路回折格子６０１の第４入出力ポートと、６×６アレイ導波路回折格子６０２の第６出入力ポートが、光導波路６０３および６０４で接続されるとともに、４×４アレイ導波路回折格子６０１の第３入出力ポートと、６×６アレイ導波路回折格子６０２の第４出入力ポートが、光導波路６０３および６０４で接続されている場合に得られる、入出力ポート間の透過特性を図８に示す。なお、図８に示す透過特性において、３回以上アレイ導波路回折格子を通過して出力される波長の記載は省略した。

図８に示される透過特性では、全ての行列成分が存在することから、従来技術として示した光通信システムに本光波長合分波装置を適用すると、フルメッシュの接続性を得ることができる。また、どちらも４×４アレイ導波路回折格子６０１に接続されている通信ノード間では、３波長の信号を通信に使用することができる。どちらも６×６アレイ導波路回折格子６０２に接続されている通信ノード間では、２波長の信号を通信に使用することができる。一方が４×４アレイ導波路回折格子６０１に接続され、他方が６×６アレイ導波路回折格子６０２に接続されている通信ノード間では、１波長の信号を通信に使用することができる。

以上のように、通信ノードの組み合わせに応じて、通信に使用することができる信号の波長数を異ならせることが実現できており、光波長合分波装置として４×４アレイ導波路回折格子を適用する場合と比較して、通信ノード間で通信に使用できる最大の信号数を減らすことなく、通信ノード数を拡張できる。

なお、一般には、最大公約数がＤ（Ｄは整数）である２整数Ａ、Ｂに対して、Ａ×Δλの基本周期を有するＮ×Ｎアレイ導波路回折格子（ＮはＡ以下の整数）と、Ｂ×Δλの基本周期を有するＭ×Ｍアレイ導波路回折格子（ＭはＢ以下の整数）をＤ対の光導波路で接続する構造で、ＡとＢの最小公倍数に相当する種類の波長を使用する場合として考えることができる。

このとき、どちらもＮ×Ｎアレイ導波路回折格子に接続されている通信ノード間では、Ｂ／Ｄ波長の信号を通信に使用することができる。どちらもＭ×Ｍアレイ導波路回折格子に接続されている通信ノード間では、Ａ／Ｄ波長の信号を通信に使用することができる。一方がＮ×Ｎアレイ導波路回折格子に接続され、他方がＭ×Ｍアレイ導波路回折格子に接続されている通信ノード間では、１波長の信号を通信に使用することができるものである。

本発明の特徴は、Ｎ×Ｎアレイ導波路回折格子の入力ポートから入力され、光導波路を経由してＭ×Ｍアレイ導波路回折格子に入力される波長の信号は、波長に応じてＭ×Ｍアレイ導波路回折格子の異なるポートから出力されるが、信号が出力されるポートは、最大でＢ／Ｄ種類であるため、Ｄ本の光導波路を適切に接続することで、全ての出力ポートから信号が出力されるようにしている点にある。同様に、Ｍ×Ｍアレイ導波路回折格子の入力ポートから入力され、光導波路を経由してＮ×Ｎアレイ導波路回折格子に入力される波長の信号は、波長に応じてＮ×Ｎアレイ導波路回折格子の異なるポートから出力されるが、信号が出力されるポートは最大でＡ／Ｄ種類であるため、Ｄ本の光導波路を適切に接続することにより、全ての出力ポートから信号が出力されるようにしている点も特長である。なお、第１および第２の実施の形態のように、ＡとＢが互いに素な整数であれば、導波路の接続方法は任意であるが、本実施の形態では、フルメッシュの接続性が得られるように適切な入出力ポート間を接続する必要がある。例えば、４×４アレイ導波路回析格子６０１の第４入出力ポートと６×６アレイ導波路回析格子６０２の第６出入力ポートが光導波路で接続されるとともに、４×４アレイ導波路回析格子６０１の第３入出力ポートと６×６アレイ導波路回析格子６０２の第５出入力ポートが光導波路で接続されている場合には、フルメッシュの接続性は得られない。

この特徴は、２つのアレイ導波路回析格子の基本周期を所定の間隔Δλで割った値Ａ、Ｂの最大公約数がＤであること自体に起因しており、Ａ、Ｂの最小公倍数に相当する数の波長を使用すれば、一般的に成立するものである。

なお、ＮはＡ以下の値であれば、必ずしもＡと同じ値である必要はなく、ＭもＢ以下の値であれば、必ずしもＢと同じ値である必要はない。いずれの場合も同様の透過特性を得られる。

例えば、本実施の形態では、Ａ＝４、Ｂ＝６、Ｎ＝４、Ｍ＝６で、４×４アレイ導波路回折格子の第４入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第６出入力ポートとを接続するとともに、４×４アレイ導波路回折格子の第３入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第４出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₁₂を使用する構成を示したが、他にも、Ａ＝６、Ｂ＝９、Ｎ＝６、Ｍ＝９で、６×６アレイ導波路回折格子の第６入出力ポートと９×９アレイ導波路回折格子の第１出入力ポートとを接続するとともに、６×６アレイ導波路回折格子の第５入出力ポートと９×９アレイ導波路回折格子の第２出入力ポートとを接続し、６×６アレイ導波路回折格子の第４入出力ポートと９×９アレイ導波路回折格子の第３出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₁₈を使用する構成や、Ａ＝６、Ｂ＝９、Ｎ＝６、Ｍ＝８で、６×６アレイ導波路回折格子の第６入出力ポートと８×８アレイ導波路回折格子の第１出入力ポートとを接続するとともに、６×６アレイ導波路回折格子の第５入出力ポートと８×８アレイ導波路回折格子の第２出入力ポートとを接続し、６×６アレイ導波路回折格子の第４入出力ポートと８×８アレイ導波路回折格子の第３出入力ポートとを接続し、波長λ₁からλ₁₈を使用する構成であっても、同様の機能を実現できる。

本発明は、第１から第３のいずれかの実施の形態における光導波路の配線を変更した光波長合分波装置である。
一般に、Ａ×Δλの基本周期を有するＮ×Ｎアレイ導波路回折格子（ＮはＡ以下の整数）において、Ａ≒Ｎであるならば、入出力ポートのうちで両端の約１０％にあたるポート、すなわち第１及び第Ｎ付近の入出力ポートを通る信号は、他の入出力ポートを使用する場合に比較して、回折効率の低下により３ｄＢ程度挿入損失が大きくなる。
本発明の光波長合分波装置において、光導波路１０３あるいは１０４を通過し、アレイ導波路回折格子を２回通る信号は、１回しか通らない信号に比較して挿入損失が大きくなる傾向を有する。

従って、光導波路１０３あるいは１０４は、アレイ導波路回折格子の両端１０％の入出力ポート間を接続するのではなく、中心付近の入出力ポート間を接続する方が、挿入損失を均一化できるため望ましい。

例えば、第１の実施の形態では、３×３アレイ導波路回折格子１０１の第３入出力ポートと、５×５アレイ導波路回折格子１０２の第５出入力ポートが、光導波路１０３および１０４で接続される場合を示したが、これに代えて、３×３アレイ導波路回折格子１０１の第２入出力ポートと、５×５アレイ導波路回折格子１０２の第３出入力ポートを、光導波路１０３および１０４で接続することで、挿入損失の均一化が図れる。

他にも、第２の実施の形態を元に、Ａ＝５、Ｂ＝６、Ｎ＝５、Ｍ＝６で、５×５アレイ導波路回折格子の第３入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第３出入力ポートとを接続するとともに、５×５アレイ導波路回折格子の第４入出力ポートと６×６アレイ導波路回折格子の第４出入力ポートとを接続する構成も、挿入損失の均一化を図る上で望ましい。

また、第３の実施の形態を元に、Ａ＝６、Ｂ＝９、Ｎ＝６、Ｍ＝９で、６×６アレイ導波路回折格子の第５入出力ポートと９×９アレイ導波路回折格子の第４出入力ポートとを接続するとともに、６×６アレイ導波路回折格子の第４入出力ポートと９×９アレイ導波路回折格子の第５出入力ポートとを接続し、６×６アレイ導波路回折格子の第３入出力ポートと９×９アレイ導波路回折格子の第６出入力ポートとを接続する構成でも、挿入損失の均一化を図る上で望ましい。

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の基本周期とポート数と透過特性、光導波路で接続する入出力ポートの組み合わせ、アレイ導波路回折格子の配置方法などは、本発明の趣旨から逸脱することなく、その数、構成、詳細な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、またはその順序を変えてもよい。

本発明の第１の実施形態である光波長合分波装置を説明する図である。本発明の第１の実施形態で内蔵するアレイ導波路回折格子の波長入出力特性を説明する図である。本発明の第１の実施形態である光波長合分波装置の透過特性を説明する図である。本発明の第２の実施形態である光波長合分波装置を説明する図である。本発明の第２の実施形態である光波長合分波装置の透過特性を説明する図である。本発明の第３の実施形態である光波長合分波装置を説明する図である。本発明の第３の実施形態で内蔵するアレイ導波路回折格子の波長入出力特性を説明する図である。本発明の第３の実施形態である光波長合分波装置の透過特性を説明する図である。従来の光通信システムを説明する図である。従来の光通信システムに使用さ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。

符号の説明

１０１，１０２，４０１，４０２，６０１，６０２アレイ導波路回折格子
１０３，１０４，４０３，４０４，６０３，６０４光導波路
１０５，１０７，４０５，４０７，６０５，６０７入力ポート
１０６，１０８，４０６，４０８，６０６，６０８出力ポート
２０１−１，２０１−２光波長合分波装置
２０２通信ノード
２０３光ファイバ
２０４−１〜２０４−１６所定の波長の信号を送出する送信器
２０５波長合波器
２０６波長分波器
２０７−１〜２０７−１６受光素子

Claims

内部に第１及び第２の２つの多入力多出力のアレイ導波路回折格子を備える光波長合分波装置であって、
前記２つの多入力多出力のアレイ導波路回折格子は、隣接する２つの導波路の１つの入力ポートから入力され、隣接する出力ポートから出力される２つの信号の波長が互いにΔλ異なり、
前記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子は、λ_K（Ｋは整数）なる波長の信号が、ある入出力ポート間を透過するならば、当該入出力ポート間をλ_KとはＡ×Δλ（Ａは整数）の整数倍異なる波長の信号も透過する特性を有し、
前記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子は、λ_H（Ｈは整数）なる波長の信号が、ある入出力ポート間を透過するならば、当該入出力ポート間をλ_HとはＢ×Δλ（ＢはＡと異なる整数）の整数倍異なる波長の信号も透過する特性を有し、
前記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の出力ポートと入力ポートのうち、各々少なくとも１つが、それぞれ前記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入力ポートと出力ポートに光導波路を介して接続されることを特徴とする光波長合分波装置。
前記整数ＡおよびＢが互いに素（最大公約数が１）であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波装置。
前記整数ＡおよびＢが最大公約数がＤであるときに、
前記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の出力ポートと前記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入力ポート及び、
前記第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の出力ポートと前記第１の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入力ポートを接続する光導波路の数は、それぞれＤ本以上であることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波装置。
前記第１及び第２の多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入出力ポートのうち、
前記光導波路により互いの接続に使用される入出力ポートは、前記多入力多出力のアレイ導波路回折格子の入出力ポートの両端およびその近傍でないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光波長合分波装置。
前記多入力多出力のアレイ導波路回折格子と、接続に使用される前記光導波路との全てが、同一基板上に形成される構成であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光波長合分波装置。