JP5135234B2 - ブロードバンド２×２光スプリッタ - Google Patents

Description

本発明は、光パワーを１つ又は２つの入力から２つの出力に分配し、そのパワーバランス比が波長の広い部分帯域幅にわたって概ね一定である、マルチポート光導波路素子を提供する。

［関連出願の相互参照］
本願は２００６年２月２４日に出願された同時係属の米国仮特許出願第６０／７７６，４０６号からの優先権の利益を主張し、当該仮特許出願は参照により本明細書に援用される。

最近では、益々多くの人々にインターネット及び他の電子情報源へのブロードバンドアクセスを提供する取り組みが、世界全体へ急激な広がりを見せている。既存の電話及びケーブルテレビネットワークは、少数の恵まれた人々に、毎秒数百キロビット又は数メガビットでデジタル情報を検索する能力を提供するように「改造」されてきた。しかしながら、真に興味深く、今日的な意義があり、且つ最も重要なこととして、商業的に実現可能なサービスを配信することができる情報ネットワークを形成するためには、さらに帯域幅を広げて、さらに多くの消費者を獲得する必要があることが広く認識されている。ケーブルテレビ及び有線電話サービス又は無線電話サービス用に設計された既存のアクセスネットワークは、実際には、これらのレベルに達するのに適していない。予期される需要に対応するために、アクセスプロバイダ（典型的には電話会社又はケーブル会社）は、中央局から消費者の敷地まで、又はその極めて近くまで達するファイバによる新たな光ファイバアクセスネットワークの計画及び敷設を開始している。

これらの新興の光ファイバネットワークのアーキテクチャとして圧倒的に用いられるものは、パッシブ・オプティカル・ネットワーク、すなわちＰＯＮである。本明細書において用語「パッシブ」は、アクセスプロバイダの中央局（ＣＯ：Central Office）にある光加入者線端局装置（ＯＬＴ：Optical Line Termination）と、たとえば消費者宅側にある光加入者線終端装置（ＯＮＵ：Optical Network Unit）との間の光ファイバネットワーク内に、電源で駆動されるコンポーネント、すなわち動的なコンポーネントがないという事実を指している。

現時点での典型的な使用法では、ＰＯＮが、ＣＯと消費者との間で２つ又は３つのデータストリームを移送する。ＣＯから消費者に進むデジタルデータストリーム（「ダウンストリーム」データ）、消費者からＣＯに戻るデジタルデータストリーム（「アップストリーム」）、及び場合によっては、マルチチャネルビデオ（すなわち、ケーブルＴＶ信号）を搬送するハイブリッドアナログ／デジタルダウンストリームがある。一般的に、これらのストリームのそれぞれは異なる波長で移送されるため、それらのストリームはＯＬＴ及びＯＮＵによってより容易に区別することができる。典型的には、ダウンストリーム（ＯＬＴからＯＮＵの）データは約１４９０ｎｍ（Ｓバンド）において送信され、アップストリーム（ＯＮＵからＯＬＴ）データは約１３１０ｎｍ（Ｏバンド）において送信され、ビデオダウンストリームは約１５５０ｎｍ（Ｃバンド）において送信される。デジタルストリームを移送するためのネットワーク容量をさらに高めるために、約１２５０ｎｍから約１６２５ｎｍの領域内にさらなる波長を含むことについても検討が進められている。

各ＯＬＴがいくつかのＯＮＵにサービスを提供するように、常にＰＯＮの複数のセグメントが共有される。ＯＬＴは、デジタルストリーム毎に一度に１つのＯＮＵのみにサービスを提供することができる（ダウンストリームデジタルブロードキャストは可能であるが、一般的な運用ではない）。ビデオストリームは典型的には、ＯＬＴから全てのＯＮＵへの自由継続のブロードキャストである。ＯＮＵはネットワーク内の信号に同期し、任意の所与の瞬間において、多くても１つのＯＮＵだけがＯＬＴと通信しているようにする。ダウンストリームデータは、意図されるＯＮＵだけがその顧客の構内ネットワークにデータを転送することになるようにタグ付けされる。共有は、光スプリッタを用いて、ＰＯＮ内のファイバネットワークをいくつかのブランチに分割することによって達成され、光スプリッタは受動的に、光パワーを、そのセグメントの全てのダウンストリームブランチの中で均等に分割する。スプリッタを通過するアップストリーム信号は、バランス比によってパワーが低減されるが、ＯＬＴへのアップストリームにおいてのみ搬送され、他のＯＮＵへのダウンストリームには戻らない。

ＰＯＮ用の光スプリッタは典型的には、適度な数（Ｎ）のブランチ（すなわち３２）にサービスし、１つの入力（１×Ｎスプリッタ）又は２つの入力（２×Ｎスプリッタ）を有することができる。２×Ｎタイプのスプリッタは、スプリッタの機能と波長にとらわれずにサービスするマルチプレクサの機能とを組み合わせること（すなわち、それらの個々の波長を気にすることなく、デジタルダウンストリームとビデオとを組み合わせること）が望ましいときに、又は単に、将来に別のサービスを追加するという可能性に対応することが望ましいときに用いられる。

新たな光ファイバアクセスネットワークを敷設する際に最も費用がかかるのは、「トレンチング」コストであり、すなわち、点Ａ（すなわち、ＯＬＴ）から全ての点Ｂ（すなわち、多くのＯＮＵ）まで移送コンポーネント（主にファイバ及びスプリッタ）を設置することである。それゆえ、敷設される移送ネットワークが可能な限り適応性があること、及びまだ規定されていない将来のネットワーク要件のために用いることができることを確実にしておきたいという強い動機がある。光ファイバネットワークの容量自体は、現在の方式によって用いられる容量よりもはるかに大きいため、十分に汎用性が確保される限り、新たなネットワークの埋設を必要とすることなく、将来のさらに広い帯域幅の方式のために用いることができる。ここで、条件「十分に汎用性がある（adequately generic）」は主に、伝送挙動が、１．２５μｍ（１２５０ｎｍ）〜１．６５μｍ（１６５０ｎｍ）の範囲にわたって波長に依存しないことを意味する。これは、ＯＬＴとＯＮＵとの間のファイバ及び他の光学部品が、約３０％の部分帯域幅にわたって波長の影響を受けないことが非常に望ましいことを意味する。本明細書では、便宜的に、しかし定着しているいかなる取り決めにも基づくことなくこれは、「ウルトラ−ブロード（ultra-broad）即ち極めて広い」波長範囲と称される。

１×Ｎスプリッタ及び２×Ｎスプリッタ（ただし、Ｎは８、１６、３２、６４又は１２８である）の場合、好ましいスプリッタ技術は平面光波回路である。Ｎが２又は４に等しい場合、コスト／性能要件に応じて、融着バイコニックファイバ（fused biconic fiber）スプリッタが競合することもある。Ｎが２の累乗でないか、又は１２８よりも大きい場合、スプリッタ技術は十分に調査されていないため、そのようなＮの値は必要とされない。

平面光波回路、又は換言すればプリント光波回路（ＰＬＣ）は、一般的に、集積電子回路を製造する際に用いられる複製工程と厳密に比較することができる手段によって、基板の表面上に形成される光導波路システムである。ＰＬＣが益々複雑に且つ高度になる場合であっても、それらは依然として、電子集積回路の場合と同様に、主に少数の基本回路素子から構成される。基本的な導波路回路素子のうちの１つは、４ポートミキサである。そのようなデバイスのポートのそれぞれは基本的には、結果として得られる種々の挙動によるが、ミキサに入力されるか、若しくはミキサから出力される光信号のために用いることができるか、又は同時に入出力両方のポートとして用いることができる。しかしながら、４ポート光ミキサはほとんどの場合に、２つの「入力」ポートと２つの「出力」ポートとを有するデバイスとして特徴付けられ、他の挙動がこの仕様から導出することができることが暗に知られている。４ポートミキサの挙動は、このようにして規定されるとき、一般的には、２×２カプラ、又は２×２スプリッタと称される。結合器（カプラ）の「出力（アウトプット）」のそれぞれが、１×（Ｎ／２）スプリッタ回路素子の入力ポートに接続されると、その複合回路は、２×Ｎスプリッタの機能を提供する。

１×Ｎスプリッタ（ただし、Ｎは２の累乗である）は、１×２スプリッタ又は２×２スプリッタをカスケード接続することによって形成することができる。極めて広い（ウルトラ−ブロードな）波長範囲にわたってパワーを十分均一に分配する３ポートの１×２スプリッタが当該技術分野において既知であり、簡単ではないが、十分に実証されている種々の方法において製造することができる。２×Ｎスプリッタの第１のステージは４ポートの２×２デバイスでなければならない。それゆえ、波長の影響を受けない２×２スプリッタを形成することができるようにするためには、波長の影響を受けない２×Ｎスプリッタを形成することができるようにすることが必要且つ概ね十分な条件である。

２×２光スプリッタでは、２つの入力ポートのうちのいずれかに入る光が、２つの出力ポートから現れる。本明細書において、入力及び出力は、特定のポートを識別するために用いられる用語であり、光が伝搬する特定の方向を意味することは意図していない。たとえば、２×２光スプリッタでは、光は出力ポートへ入り、入力ポートから現れてもよい。代替的に、光は２つの入力ポートに同時に入ってもよい。

最も一般的な２×２導波路スプリッタ回路素子は、共振方向性結合器である。この簡単な方向性結合器だけでは、その波長依存性に起因して、２×Ｎスプリッタのための入力ステージには適していない。共振方向性結合器は典型的には、約３％の部分帯域幅にわたってのみ、±１／２ｄＢの適切なバランス比を示す。

断熱（adiabatic）２×２スプリッタとして既知である、別のタイプの２×２スプリッタは、十分に長いものであるとすると、はるかに広い波長範囲にわたって波長の影響を受けないことが既知である。このタイプのスプリッタは一般的には、ＰＯＮ用の２×Ｎスプリッタには適していない。なぜなら、必要とされる極端に浅い収束テーパは一貫して製造するのが難しく、３０％部分帯域幅を得るために必要とされる十分なデバイス長は、共振方向性結合器よりも何倍も長くなり、また、２×Ｎスプリッタ全体のサイズが、所望のパッケージサイズに合わせるにはあまりにも大きくなりすぎると共に、製造するのにあまりにもコストがかかるようになるためである。さらに、標準的な光導波路回路素子のサイズを縮小する既知の方法は、断熱デバイスのサイズを縮小するのではなく、実際には、多くの場合に、断熱デバイスのサイズを拡大する必要がある。市販の規模のＰＯＮネットワークを展開するための商品として、実際の断熱２×２スプリッタを容易に利用することができるという見込みは全くないように思われる。

以下は、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、本発明の簡単な概要を提示する。この概要は本発明の包括的な概説ではない。この概要は、本発明の鍵となる、又は重要なコンポーネントを特定することを意図するものでもなければ、本発明の範囲を画定することも意図していない。そうではなく、この概要の唯一の目的は、それ以降に提示されるさらに詳細な説明への前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化された形で提示することである。

従来の２×２スプリッタでは、典型的には所与の波長の場合には問題ではないが、広帯域（ブロードバンド）の波長にわたって均等な分割を達成することは困難／不可能である。本発明は、１つ又は２つの入力から２つの出力に光パワーを分配し、パワーバランス比が波長の広い部分帯域幅にわたって概ね一定である、４ポート光導波路素子を提供する。すなわち、本明細書において記述されるデバイス及び方法は、分割比が均等であるか、又は概ね均等である波長の範囲を広げる能力を有する。本明細書において記述されるデバイスは概ね非直交デバイス（non-quadrature device）である。広い波長範囲、及び極めて広い波長範囲にわたって所望の分割比を達成する方法も記述される。

上記の目的及び関連する目的を達成するために、本発明は、以下に十分に説明されると共に、特許請求の範囲において特に指摘される特徴を含む。以下の説明及び添付の図面は、本発明の或る特定の例示的な態様及び実施態様を詳細に示す。しかしながら、これらは、本発明の原理が用いられることができる種々の方法のうちのいくつかを示すにすぎない。本発明の他の目的、利点及び新規の特徴は、図面と合わせて考慮すると、本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本明細書において提供される光デバイスを図１によって概略的に示すことができる。図１では、光デバイス１００は、４つのポート、すなわち２つの入力ポート１０１及び１０２と、２つの出力ポート１０３及び１０４とを有する。光デバイス１００は、２つの入力ポート１０１、１０２のうちの一方又は両方において与えられる光パワーを、指定された比で出力ポート１０３及び１０４に分配することができる、一次４ポート光ミキサとすることができる。光デバイス１００は、特定の波長λ_０又は概ねλ_０において、或るパワー分配比を有する４ポートミキサである第１のコンポーネントＡ_１と、波長λ_０付近において、たとえばｄＢ単位で約１６ｄＢよりも大きなパワー分配比を有する４ポートミキサである第２のコンポーネントＡ_２とを有する。いくつかの事例では、第１のコンポーネントＡ_１は、方向性結合器（対称結合器（symmetric coupler）を含む）、マッハ−ツェンダー干渉計、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ等のようなクロスオーバーコンポーネント（crossover component）と称されることがある。いくつかの事例では、第２のコンポーネントＡ_２は、非対称（方向性）結合器（asymmetric coupler）、マッハ−ツェンダー干渉計、ＭＭＩカプラ、スター・カプラ（star coupler）等のような、混合コンポーネントと称されることがある。

第１の相互接続導波路は、第１のコンポーネントＡ_１上の第１のポートを第２のコンポーネントＡ_２上の第１のポートに接続し、第１の相互接続導波路とは異なる長さを有する第２の相互接続導波路は、第１のコンポーネントＡ_１上の相補的な第２のポートを第２のコンポーネントＡ_２上の相補的な第２のポートに接続する。典型的には、第２の相互接続導波路の光路差は、第１の相互接続導波路の光路差に比べて、波長範囲内の概ね最も短い波長よりも大きい。一次ミキサのパワー分割比は、λ_０を含む光波長の約２０％以上の部分範囲にわたって、±１ｄＢ以下の変動を示すことができる。

一実施形態では、本明細書において提供される光デバイスは、２つのコンポーネント（すなわち、３つ未満のコンポーネント）を用いて、光パワーを１つ又は２つの入力から２つの出力に分配することができ、そのパワーバランス比は、波長の広い部分帯域幅にわたって概ね一定である。別の実施形態では、本明細書において提供される光デバイスは、４つ未満の結合器（カプラ）を用いて、光パワーを１つ又は２つの入力から２つの出力に分配することができ、そのパワーバランス比は、波長の広い部分帯域幅にわたって概ね一定である。

本明細書において提供される光デバイスの別の一般的な例を、図２によって概略的に示すことができる。図２では、光デバイス２００は４つのポート、すなわち２つの入力ポート２０１及び２０２と、２つの出力ポート２０３及び２０４とを有する。光デバイス２００は、２つの入力ポート２０１、２０２の一方又は両方において与えられる光パワーを、指定された比で出力ポート２０３、２０４に分配することができる。光デバイス２００は、特定の波長λ_０又は概ねλ_０において、或るパワー分配比を有する４ポート対称方向性結合器である第１のコンポーネントＡ_１と、非直交コンポーネント（non-quadrature component）である第２のコンポーネントＡ_２とを有する。非直交コンポーネントの例は、非対称結合器、マッハ−ツェンダー干渉計、ＭＭＩカプラ、２×２スター・カプラ等を含む。第１の相互接続導波路は、第１のコンポーネントＡ_１上の第１のポートを第２のコンポーネントＡ_２上の第１のポートに接続し、第１の相互接続導波路とは異なる長さを有する第２の相互接続導波路は、第１のコンポーネントＡ_１上の相補的な第２のポートを第２のコンポーネントＡ_２上の相補的な第２のポートに接続する。光デバイス２００は、光パワーを１つ又は２つの入力２０１、２０２から２つの出力２０３、２０４に分配し、そのパワーバランス比は、波長の広い部分帯域幅にわたって概ね一定である。

方向性結合器（カプラ）は、光ファイバを融着することによって構成することができる。代替的に、方向性結合器はＰＬＣ上に形成することができる。ＰＬＣ上に形成される従来技術の典型的な方向性結合器は、２つの真直ぐで平行な光導波路を備え、それらの光導波路は、導波路間に光学的な結合が生じるようにするために、互いに十分に近接して配置される。典型的には、真直ぐな各導波路の各端部は、曲線を成す導波路の一端に接続される。曲線を成す導波路は、真直ぐな導波路との間で光を結合する。真直ぐな導波路の長さは、結合器（カプラ）の長さとして参照される。方向性結合器では、少なくとも１つの偏光及び１つの特定の波長の光の場合に、０ｄＢの分割比を達成することができ、その方向性結合器は、相対的に狭い範囲の波長にわたって平衡である。この狭い波長範囲を超える波長の範囲は、本明細書において、広い波長範囲と称される。方向性結合器の波長依存性は、
Ｐ１＝（ｓｉｎ（θ））^２
に従って説明することができる。ただし、θは、結合パラメータであり、方向性結合器の構成、光の波長に依存し、また程度は低いが、光の偏光にも依存する。本明細書において、結合パラメータが少なくとも２倍だけ変化する波長範囲は、極めて広い波長範囲と称される。

マッハ−ツェンダー干渉計は、第１の結合器と第２の結合器とを備え、２つの結合器は第１のマッハ−ツェンダーアームと第２のマッハ−ツェンダーアームとで接続される。第１の結合器は、方向性結合器、マルチモード干渉カプラ、又はスター・カプラとすることができる。同様に、第２の結合器は、方向性結合器、マルチモード干渉カプラ、又はスター・カプラとすることができる。方向性結合器は、光ファイバを融着することによって構成することができる。代替的に、方向性結合器はＰＬＣ上に形成することができる。マッハ−ツェンダーアームは光ファイバを含むことができる。代替的に、マッハ−ツェンダーアームは、ＰＬＣ上に形成される光導波路を含んでもよい。

マッハ−ツェンダー干渉計は、典型的には第１の方向性結合器と第２の方向性結合器とを備え、これらの方向性結合器は第１のマッハ−ツェンダーアーム及び第２のマッハ−ツェンダーアームを介して光学的に接続される。一実施形態では、マッハ−ツェンダー干渉計の構成は、波長ｈｏの光の場合に平衡である各方向性結合器を配設することを含む。具体的には、各方向性結合器は、波長λ_０の光の場合に、１ｄＢ未満の分割比を有することができ、さらには約０．５ｄＢ未満の分割比を有することができる。平衡方向性結合器を含むマッハ−ツェンダーは、λ_ｘに等しい光の波長の場合に、分割比のための極大値を有し、マッハ−ツェンダーアーム間の光路長差が約λ_ｘ＊（２ｍ−１）／２に概ね等しいとき、主に、波長λ_ｘの光をクロス経路に結合する。ただし、ｍは正の整数である。こうして、マッハ−ツェンダーは、λ_０＊（２ｍ−１）／２に概ね等しいようにマッハ−ツェンダーアーム間の光路長差を構成することによって、λ_０に近いλ_ｘの値を与えるように構成することができる。ただし、ｍは正の整数である。それゆえ、一実施形態では、マッハ−ツェンダーのマッハ−ツェンダーアーム間の光路長差はλ_０＊（２ｍ−１）／２に概ね等しい。ただし、ｍは正の整数である。これに関連して、λ_０＊（（２ｍ−１）／２＋０．０３）とλ_０＊（（２ｍ−１）／２−０．０３）との間の光路長差がλ_０＊（２ｍ−１）／２に概ね等しい。この光路長差を達成するためには、第１のマッハ−ツェンダーアームが第２のマッハ−ツェンダーアームよりも長いことがあるか、又は第２のマッハ−ツェンダーアームが第１のマッハ−ツェンダーアームよりも長いことがあるかのいずれかである。代替的に、光路長差は、第２のマッハ−ツェンダーアームの光伝搬定数とは異なる光伝搬定数を有する第１のマッハ−ツェンダーアームを構成することによって達成してもよい。

別の実施形態では、マッハ−ツェンダーの構成は、波長λ_０の光の場合に平衡である各方向性結合器を配設することを含む。具体的には、各方向性結合器は１ｄＢ未満の分割比を有し、波長ｈｏの光の場合に、さらには約０．５ｄＢ未満の分割比を有することができる。平衡方向性結合器を含むマッハ−ツェンダーは、λ_ｘに等しい光の波長の場合に分割比のための極大値を有し、マッハ−ツェンダーアーム間の光路長差がλ_ｘ＊ｍに概ね等しいとき、主に、波長λ_ｘの光をバー経路に結合する。ただし、ｍは負でない整数である。こうして、マッハ−ツェンダーは、λ_０＊ｍに概ね等しいようにアーム間の光路長差を構成することによって、λ_０に近いλ_ｘの値を与えるように構成することができる。ただし、ｍは正の整数である。それゆえ、マッハ−ツェンダーのアーム間の光路長差はλ_０＊ｍに概ね等しくすることができる。ただし、ｍは負でない整数である。これに関連して、λ_０＊（ｍ＋０．０３）とλ_０＊（ｍ−０．０３）との間の光路長差がλ_０＊ｍに概ね等しい。この光路長差を達成するためには、第１のアームが第２のアームよりも長いことがあるか、又は第２のアームが第１のアームよりも長いことがあるかのいずれかである。代替的に、光路長差は、第２のアームの光伝搬定数とは異なる光伝搬定数を有する第１のアームを構成することによって達成してもよい。

光２×２カプラ素子は種々の機能を実行するが、それらの素子は主に、各出力ポートが各入力ポートから約半分の光を合成する機能を提供する（各入力ポートにおける光が、異なる元の光源から到来するものと仮定する）。この場合、それらの素子は２×２パワー（電力）スプリッタとも称される。入力ポートのうちの一方が無視される場合には、２×２カプラは、その平衡波長範囲内で、１×２スプリッタ／コンバイナと同じ順方向損失特性及び逆方向損失特性を有する。２×２デバイスは単に、１×２デバイスにおいて通常は導波されずに損失になる光を取り込み、それを第４のポートに結合する。しかしながら、実際には、この第４のポートは入力ステージの軸対称を破壊し、特定の入力と特定の出力との間の部分結合は周波数（ν）、ひいては光信号の自由空間波長（λ）の関数である。２×２カプラの光学設計の主な課題のうちの１つは、所望の波長範囲にわたって、デバイスの波長依存性を抑圧することである。２×２カプラ構造の基本的な波長依存性を調べるために、複数のカスケード接続された結合器（カプラ）から構成される高次の結合器を含む、２×２光カプラの挙動のための基本的な数学的取り扱いが確立される。いずれの場合においても、効率的なデバイスが想定される。デバイス内に大きな損失がある場合には、それらの損失は、デバイス記述において、付加的なポートとして含まれる必要があるであろう。これは、同じようにして取り扱うことができるが、損失は望ましくなく、２×２デバイスでは、損失は十分に小さな量に抑えることができるため、以下の記述において損失は考慮されていない。

本明細書において提示される解析フレームワークは一般的ではなく、特有であるかもしれないが、さらに標準的な動作を記述することができるほど十分に包括的である。当該フレームワークは、本明細書において記述される光デバイスの利点への明確な洞察を与えるために選択されており、当該フレームワークを利用する方法は、本発明を生み出す手掛かりになった技術的知見につながるコンポーネントのうちの１つである。

２×２カプラ光デバイスの基本的な光学的挙動は、内部構造に関係なく、図３のように示すことができる。第１の入力３０１において提供される光信号の電界は複素数値Ｅ_０によって表され、第２の入力３０２において提示される電界は複素数値Ｅ_１によって表される。第１の出力３０３における合成出力電界Ｅ’_０及び第２の出力３０４における合成出力電界Ｅ’_１は、複素「クロス」伝送係数Ｘ及び複素「バー」伝送係数Ｂからそれぞれ求めることができる。

これは、２×２カプラ光デバイスの挙動が、伝送係数Ｘ及び伝送係数Ｂ（λの関数）によって求められることを示す。概ね損失のないデバイスの場合、｜Ｘ｜^２＋｜Ｂ｜^２＝１であるが、Ｂに対するＸの位相はカプラの内部設計によることに留意されたい。第１の入力ポートにおいて単位入力が仮定され、すなわちＥ_０＝１であり、第２の入力ポートにおいては入力がなく、何の影響もなく、任意の位相調整を両方の出力ポートに対して同じく適用することができるものと見なす場合には、複素数値Ｂを実数値Ａに等しいものとし、複素数値Ｘを実数値

に複素位相ｅ^ｉφを乗算したものに等しいものとする。これらの簡略化された記号表示が図４に示される。

例示するために、入力パワーの半分が第１の出力ポートに向けられ、入力パワーの半分が第２の出力ポートに向けられることが望ましいという状況が説明される。これはスプリッタにとって一般的な目的であるが、他の比も可能であり、本明細書において記述される本発明の光デバイスによって同じく取り扱われる。等分割は以下のことを意味する。

バランス比を±１．０ｄＢ内に安定させることが望ましい場合には、Ａは約０．６６５と約０．７４７との間になければならない。±０．５ｄＢが要求される場合には、Ａは、波長にわたって約０．６８６と約０．７２７との間になければならない。

最も一般的な２×２導波路ミキサは、簡単で対称な方向性結合器である。方向性結合器は、光ファイバを融着することによって構成することができる。代替的に、方向性結合器は、平面光波回路上に形成してもよい。平面光波回路上に形成することができる典型的な方向性結合器は、２つの真直ぐで平行な光導波路を備え、それらの光導波路は、導波路間に光学的な結合が生じるようにするために、互いに十分に近接して配置される。典型的には、真直ぐな各導波路の各端部は、曲線を成す導波路の一端に接続される。曲線を成す導波路は、真直ぐな導波路との間で光を結合する。真直ぐな導波路の長さは、結合器（カプラ）の長さとして参照される。１つの例示的な方向性結合器が図５に概略的に示されており、第１の入力ポート５０１及び第２入力ポート５０２と、第１の出力ポート５０３及び第２出力ポート５０４とを有する。基本的な方向性結合器の場合、波長とは関係なく、φ＝π／２であることにも留意されたい。そのようなデバイスは、直交デバイス又は直交コンポーネントと称されることがある。

第２の出力ポートから現れる光パワーに対する第１の出力ポートから現れる光パワーの比が、バランス比である。デシベル単位では、バランス比は｜１０＊ｌｏｇ（Ｐ１／Ｐ２）｜に等しい。ただし、Ｐ１は第１の出力から現れる光パワーであり、Ｐ２は第２の出力から現れる光パワーである。パワーの等分割は０ｄＢのバランス比によって示される。本明細書において記述されるような２×２光スプリッタのバランス比は、或る波長範囲にわたって、０ｄＢに概ね等しいことが望ましい。本明細書では、或る波長範囲内でバランス比が０ｄＢに近い（すなわち、指定された許容範囲内で０ｄＢに等しい）ときに、２×２スプリッタは、その波長範囲にわたって、「平衡である」と言われる。たとえば、指定された許容範囲が０．５ｄＢである場合、バランス比の大きさが約０．５ｄＢ以下であるときに、２×２スプリッタは「平衡である」と言われる。

既知の方向性結合器を用いて、１つの偏光及び１つの特定の波長の光の場合に０ｄＢのバランス比を達成することができ、その方向性結合器は、狭い波長範囲（たとえば、３０ｎｍ未満）にわたって平衡である。ＣＷＤＭ及びＰＯＮのような用途において典型的に望ましい広い波長範囲は、この狭い波長範囲を大きく超える。方向性結合器の波長依存性は、測定から容易に予測又は導出することができる。１．４５μｍの波長において平衡であるデバイスの場合に、既知の方向性結合器の典型的な波長特性が図６に示される。ここでは、平衡である波長の約２％以内にない波長の場合に、バランス比が１ｄＢを超えることが分かる。

当該技術分野において、米国特許第５，０４４，７１５号に記述されるような、静的なマッハ−ツェンダー干渉計を含むパワー分割器が記述されており、当該特許文献は参照により本明細書に援用される。図７に示されるように、この直交デバイスは、伝達振幅Ａ_１（λ）を有する第１の方向性結合器７１０と、伝達振幅Ａ_２（λ）を有する第２の方向性結合器７１１とをカスケード接続することによって構成される高次の４ポートデバイスである。さらに、第１の方向性結合器の一方の出力は、第１のマッハ−ツェンダーアーム７１２によって、第２の方向性結合器の一方の入力に接続され、第１の方向性結合器の他方の出力は、第２のマッハ−ツェンダーアーム７１３によって、第２の方向性結合器の他方の入力に接続される。２つのマッハ−ツェンダーアーム間の経路長に故意に差を付けることによって、２つの相互接続する光路間に、波長に応じた位相シフトφ（λ）が課せられる。

その後、内部ミキサの伝達関数Ａ_ｎ及び

と区別するのを容易にするために、複合デバイスのバー複素振幅伝達関数及びクロス複素振幅伝達関数がそれぞれＢ及び

として特定される。ただし、その大きさはＢ及び

である。その際、図７のマッハ−ツェンダーデバイスのバー及びクロス伝達関数は以下のようになる。

そのようなデバイスにおいて安定した分割を達成する目的で、２つのマッハ−ツェンダーアーム間の光路差が、指定された範囲内の最も長い波長の約半分以上であるが、指定された範囲内の最も短い波長未満であるように、最適に選択される。結合器は一般的には、異なる平衡波長を有するように設計されるが、各結合器のクロスオーバー波長（Ａの大きさが０に移行する波長）は、指定された範囲内の最も長い波長よりも大きくなるように設計される。

この構成及びコンポーネントの最適な解の特性が図８のグラフに示される。ここでは、コンポーネントである各結合器（Ａ_１及びＡ_２）の振幅結合係数の大きさ、及び合成係数Ｂの結果として生じる大きさが、波長の関数として示される。また、２つの水平方向の破線も示されており、合成解がこれらの２つの線間に入るときに、バランス比の大きさが０．５ｄＢ未満である。また、この図には、式（３）の加法成分の複素和が、合成伝達関数の大きさＢをいかに生成するかを示す一連のベクトルも示される。このグラフから、この設計の平衡光スプリッタは理論的には、極めて広い波長範囲にわたって±１ｄＢを超える値まで変動を低減することができることが分かるが、実際には、その理論値は達成するのが困難であるか、又は不可能である。

このタイプの直交デバイスの挙動及び制約を明らかにする別のグラフが図９に示される。式（３）を調べることにより、位相偏角φが概ねπの奇数倍であるときに、合成伝達関数は概ね

であり、位相偏角が概ねｐの偶数倍であるときに、合成伝達関数は概ね

であることが明らかとなる。図９では、ｄＢ単位の振幅伝達関数Ａ_１及びＡ_２の大きさ対波長が、薄く示される線としてプロットされる。数学的な項

は濃く示される線としてプロットされる。ここでは、項

の挙動は、Ａ_１又はＡ_２のうちの最も長い方よりも少し長い平衡波長を有することになる簡単な結合器に類似であり、それゆえ、上側の結合器曲線のやや上に存在する。同様に、項

はＡ_１又はＡ_２のうちの最も短い方よりも少し短い平衡波長を有することになる簡単な結合器に類似であり、それゆえ、下側の結合器曲線のやや下に存在する。最も長い波長の約半分と最も短い波長との間に入るように光路差を選択することによって、位相偏角φは、その範囲内の最も短い波長において２πに接近していき、合成伝達関数の大きさは、項

に近いが、それよりも大きい。波長が長くなるとき、位相偏角φは、その範囲内で波長が長くなるほどπに向かって連続して小さくなり、伝達曲線は、上側項

に向かって滑らかに移行する。結合器（カプラ）長及び光路差を最適にすることによって（通常は実験的な測定値の補間に基づく）、図９において太線としてプロットされる伝達曲線のような最適な解を予想することができる。図９のグラフの中央付近にある灰色がかった長方形領域９０２は、バランス比の大きさが、所望の波長範囲にわたって１ｄＢ未満である領域を示す。このグラフにおいて、このタイプのデバイスのための最適な理論的な解の場合に太線９０１として示される複合伝達関数Ｂ（λ）は、極めて広い波長範囲にわたって、１ｄＢを少しだけ上回る程度にバランス比変動を抑えることができることが分かる。

ここで述べられたのと同じようにして付加的なステージを連結することによって、波長応答をさらに平坦化することができる可能性がある。しかしながら、そのようなデバイスが極めて広い波長範囲にわたって、改善された平坦性を与えることは実証されていない。本明細書において利用される解析フレームワークを適用しても、同じ原理に従ってさらなるステージを追加することによって、極めて広い波長範囲にわたって平坦化が改善されるはっきりとした見込みがあることは明らかにはならない。その波長範囲内の合成波長応答には付加的な変曲点はなく、依然として図８に示されたような概ね３次曲線で波長範囲に広がり、ステージを追加しても、デバイスが物理的に大きくなるという望ましくない副作用を課すだけで、波長平坦性を大きく改善することはできない。

２×２光パワースプリッタ用の従来のデバイスは、相対的に安定しているが、広い波長範囲にわたって±１ｄＢを超えるバランス比を辛うじて与えることができるにすぎない。製造中に生じることが避けられない材料屈折率及び導波路寸法の通常の変動、それに、温度変化と共に生じる偏光感度の変動が加わると、システム設計は、その２×２スプリッタコンポーネントにおいて、±１．５ｄＢ、又はさらには±２ｄＢのバランス比範囲を予想する。これらの望ましくないほど高い変動に対応する必要があることは、ネットワークが低下したデータ速度／帯域幅で動作すること、並びに／又はＯＬＴ及びＯＮＵ内の他の部分において、より高性能で、より高額な部品を使用することを意味する。これらのオプションがいずれも望ましくないのは明らかである。本明細書において記述される光デバイスは、適度なサイズのパッケージ内に実用的、且つ経済的に製造することができ、約１．２５μｍ〜約１．６５μｍの極めて広い波長範囲にわたって、パワー分割許容範囲が±１ｄＢ以下である２×２光パワースプリッタキテクチャを提供する。

別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、適度なサイズのパッケージ内に実用的、且つ経済的に製造することができ、約１．２５μｍ〜約１．６５μｍの極めて広い波長範囲にわたって、パワー分割許容範囲が±０．７５ｄＢ以下である２×２光パワースプリッタキテクチャを提供する。さらに別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、適度なサイズのパッケージ内に実用的、且つ経済的に製造することができ、約１．２５μｍ〜約１．６５μｍの極めて広い波長範囲にわたって、パワー分割許容範囲が±０．５ｄＢ以下である２×２光パワースプリッタキテクチャを提供する。さらに別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、適度なサイズのパッケージ内に実用的、且つ経済的に製造することができ、約１．２５μｍ〜約１．６５μｍの極めて広い波長範囲にわたって、パワー分割許容範囲が±０．２５ｄＢ以下である２×２光パワースプリッタキテクチャを提供する。本明細書において、波長の目標とする範囲は、光デバイスが最小の分割比を有することが望ましい波長の範囲を指している。

本明細書において記述される光デバイスは、広範囲の波長にわたって光を均等に分割することができる。一実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、約１００ｎｍ又はそれ以上の波長範囲にわたって均等な分割比を有する（いずれの１００ｎｍ範囲を選択することもできるが、たとえば、約１５００ｎｍ〜約１６００ｎｍの波長範囲にわたって光を均等に分割する）。別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、約２５０ｎｍ以上の波長範囲にわたって均等な分割比を有する（いずれの２５０ｎｍ範囲を選択することもできるが、たとえば、約１３７５ｎｍ〜約１６２５ｎｍの波長範囲にわたって光を均等に分割する）。さらに別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、約４００ｎｍ以上の波長範囲にわたって均等な分割比を有する（いずれの４００ｎｍ範囲を選択することもできるが、たとえば、約１２５０ｎｍ〜約１６５０ｎｍの波長範囲にわたって光を均等に分割する）。さらに別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、約５００ｎｍ以上の波長範囲にわたって均等な分割比を有する（いずれの５００ｎｍ範囲を選択することもできるが、たとえば、約１２００ｎｍ〜約１７００ｎｍの波長範囲にわたって光を均等に分割する）。別の実施形態では、本明細書において記述される光デバイスは、約６００ｎｍ以上の波長範囲にわたって均等な分割比を有する（いずれの６００ｎｍ範囲を選択することもできるが、たとえば、約１１５０ｎｍ〜約１７５０ｎｍの波長範囲にわたって光を均等に分割する）。

本発明は、極めて広い波長の範囲にわたって波長感度が抑圧されている、導波路を基にする２×２光パワースプリッタコンポーネントを提供する。詳細には、本明細書において記述される光デバイスは約０ｄＢのバランス比を有することができ、そのバランス比の大きさは、約１．２５μｍ〜約１．６５μｍの波長範囲にわたって、約０．５ｄＢを超えない。同じように安定している他のバランス比も同じく実現可能である。

本明細書において記述されるような均等分割は望ましい分割を意味する。大部分の用途では、所望の分割比は５０−５０であるため、用語「均等分割」が用いられる。しかしながら、他の分割比が望ましい場合もあり、本明細書に記述される光デバイスは、６０−４０、４０−６０、７０−３０、３０−７０、７５−２５、２５−７５等のような任意の所望の分割比を有するように調整することができる。

第２の出力ポートから現れる光パワーに対する第１の出力ポートから現れる光パワーの比が分割比である。デシベル単位において、分割比は｜１０＊ｌｏｇ（Ｐ１／Ｐ２）｜に等しい。ただし、Ｐ１は第１の出力から現れる光パワーであり、Ｐ２は第２の出力から現れる光パワーである。光が第１の入力ポートに入るとき、クロス結合比は１０＊ｌｏｇ（（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ２）と定義される。光が第２の入力ポートに入るとき、クロス結合比は１０＊ｌｏｇ（（Ｐ１＋Ｐ２）／Ｐ１）と定義される。多くの場合に、２×２光スプリッタの分割比は、或る波長範囲にわたって、０ｄＢに概ね等しくなる必要がある。本明細書では、或る波長範囲内でバランス比が０ｄＢに近い（すなわち、指定された許容範囲内で０ｄＢに等しい）ときに、２×２スプリッタは、その波長範囲にわたって、「平衡である（balanced）」と言われる。たとえば、指定された許容範囲が０．５ｄＢである場合、分割比の大きさが０．５ｄＢ以下であるときに、２×２スプリッタは「平衡である」と言われる。本明細書において、分割比が０ｄＢに等しく、クロス結合比が３ｄＢに等しい場合には、２×２は「完全に平衡である（perfectly balanced）」と言われる。

本明細書において記述される光デバイスは、少なくとも１つには、所望の波長範囲内の選択された波長λ_０において名目的に０ｄＢバランス比を有する標準的な方向性結合器として挙動するか、又はそれを近似するように動作する第１の２×２コンポーネントと、同じ選択された波長において大きなバランス比を有する第２の２×２コンポーネントとを適切に連結することによって（物理的な連結順序は暗示されない）、波長依存性が低減された２×２パワー分割デバイスを実現することができるという技術的知見に基づく。第２のコンポーネントは典型的には、非直交コンポーネントである。

すなわち、本明細書において記述される光デバイスの２つのコンポーネントのうちの少なくとも１つは非直交コンポーネントである。本明細書において記述される光デバイスは、２つの非直交コンポーネントを備えることもある。直交コンポーネントは、光を互いに９０度だけ位相がずれた２つの出力に分離することによって、任意の所与の入力における光を処理する。たとえば、対称方向性結合器は直交コンポーネントである。非直交コンポーネントは、直交デバイスの要件を満たさない種類のデバイスである。非直交コンポーネントの例は、非対称結合器、マッハ−ツェンダー干渉計、マルチモード干渉カプラ、２×２スター・カプラ等を含む。

大きなバランス比を有することは、第２のコンポーネントの振幅伝達関数の大きさがλ_０において概ね１．０又は概ね０．０であること、及び部分コンポーネントが、その波長において概ねパワーを分割しないことを意味する。λ_０における複合デバイスのバランス比は、第１のコンポーネントのバランス比に一致する。波長がλ_０と異なるとき、第２のコンポーネントの伝達関数と、２つのコンポーネントを接続する導波路の光路長差との組み合わせが、第１のコンポーネントのバランス比の変化の補償を提供する。

本明細書において記述される光デバイスは、少なくとも１つには、光デバイスの広帯域の安定性にとって典型的には有害である２つの現象を組み込むことができるようにするアーキテクチャ、すなわち、１）第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとを接続する２つのアームの光路差を、その波長範囲の最も短い波長よりも著しく長くすること、及び、２）第２のコンポーネントの振幅結合係数の大きさを、その波長範囲にわたって非単調にすることができるアーキテクチャに基づく。これらの現象を用いて、変曲点間の勾配、それゆえ振幅変動を著しく大きくすることなく、極めて広い波長範囲にわたって、合成伝達関数の中に付加的な変曲を与えることができる。これらの付加的な変曲点及び振幅変動の減少によって、極めて広い波長の範囲にわたって、合成伝達関数の大きさを非常に狭い範囲内に制限することができるようになる。第２のコンポーネントにおいて非単調伝達関数が好まれることは、一般的には、このコンポーネントのために簡単な対称方向性結合器を用いるのを不可能にする。言い換えると、第２のコンポーネントは非直交コンポーネントである。

一実施形態が図１０に示される。これは、対称方向性結合器である第１のコンポーネントと、マッハ−ツェンダー干渉計である第２のコンポーネントとの連結を示す。第１のコンポーネント及び第２のコンポーネントは、２つの接続導波路によって光学的に連結され、２つの接続導波路間の光路差が、相互接続するリンク間に波長依存性の位相シフトを与える。この実施形態を利用する最適な解を実証するために（通常、基本的なパラメータを繰返し操作することによって最適化される）、約１．６μｍの波長において０ｄＢのバランス比になるように、対称方向性結合器が設計される。マッハ−ツェンダーコンポーネント内の２つの結合器は、この実施例でも約１．６μｍにおいて、いずれも同じ０ｄＢバランス点を有するように設計される。マッハ−ツェンダーでの光路長差は約２．４μｍであり、１．６μｍの波長では、式（３）の位相偏角は約３πになる。これは、マッハ−ツェンダーコンポーネントの場合に、以下の式が成り立つことを意味する。

この例において第１のコンポーネントと第２のコンポーネントとを接続する光路長差は約１．４５μｍである。

これらのパラメータを用いて、ちょうどそのマッハ−ツェンダーコンポーネントの振幅伝達関数の大きさが図１１にプロットされる。ここで、マッハ−ツェンダーコンポーネントの結合係数が極めて広い波長範囲にわたって大きく変化すること、及びそれがλ_０において基本的にはバー状態（｜Ｂ｜＝１）にあることが分かる。また、その図には、極めて広い波長範囲にわたるマッハ−ツェンダーコンポーネントの位相変動もプロットされる。このコンポーネントのための伝達関数の位相は、その波長範囲にわたってπよりも大きく変化し、対称方向性結合器の一定のπ／２位相とは著しく異なることが分かる。

このマッハ−ツェンダーと標準的な方向性結合器とを組み合わせて、この２つのコンポーネントの波長挙動を図１０に示す。マッハ−ツェンダー伝達関数は再びＡ_１（λ）を付されて示されており、対称結合器伝達関数はＡ_２（λ）を付されて示されており、複合光デバイスの全伝達関数は、Ｂ（λ）を付される太線によって示される。水平方向の破線は０．５ｄＢの安定性限界を示しており、図８と同様に、式（３）の加法成分がいくつかの波長において示される。図１０のグラフは、新規のアーキテクチャによって導入される合成伝達関数内の付加的な変曲を明らかに示すと共に、従来のデバイスよりも広い波長範囲にわたって、より小さな波長変動を与えるためにどのように利用することができるかを示す。

別の実施形態が図１１に示される。これは、第１のコンポーネントとしてλ_０の波長において平衡である対称方向性結合器、及び第２のコンポーネントとして非対称結合器を利用する。図１２に示されるような非対称結合器は、結合される導波路のうちの一方の光伝搬定数（実効屈折率）が他方とはわずかに異なる方向性結合器である。これは、導波路のうちの一方を他方とわずかに異なる幅にすることによって達成することができ、そのように図面にも示されているが、結合される導波路又はその環境のうちのいずれか一方の種々の寸法又は材料特性を変更することによって差を導入する数多くの他の既知の方法がある。

非対称結合器は本質的には、対称結合器よりも正確にモデル化及び製造するのが難しい。以下の例では、用いられる非対称結合器モデルは、適切な製造手順を用いて、多数の種々のシリカ・オン・シリコンの非対称結合器構造の実験的な研究から導出される。他の材料系において、又は異なる手段によって形成される非対称結合器は、同等の挙動を生み出すために数値的に異なるパラメータを必要とすることがあるが、おそらく、類似の研究によって、それらのパラメータも明らかにすることができるものと思われる。

非対称結合器の非対称性は波長の関数である。波長が短くなると非対称性がさらに顕著になり、カプラ長に関係なく、ほとんどの光を結合してクロス状態

にすることができない。波長が長くなると、カプラ長が正確である場合には、ほとんど全ての光を結合してクロス状態にすることができる。非対称結合器は商用ではめったに用いられないため、今までのところ、非対称結合器の波長依存性を表現する従来からの標準的な方法はない。本明細書の目的を達成する非対称結合器は、２つの波長、すなわち、クロス状態に結合することができる光パワーの最大部分が５０％である波長を示す５０％波長、及び当然、クロス状態に結合することができる入力パワーの最大部分が９０％になる波長である９０％波長によって特徴付けることができる。これらの波長のうちの一方又は両方が、デバイスの通常の動作範囲の外側にある場合があり、それらは単に、動作波長範囲にわたる非対称曲線の形状を表すために用いられるパラメータであることに留意されたい。５０％波長において５０％結合を得るために必要とされるカプラ長は一般的には、９０％波長において９０％結合を得るために必要とされるカプラ長とは同じにすることができないことにも留意されたい。また、５０％波長において５０％に、又は９０％波長において９０％に等価であるような特定の長さを有する結合器の伝達関数を期待すべきでない。

これまでに述べられたことに留意して、一例として、この実施形態の例のために選択された非対称結合器は、１．１９μｍの５０％波長と、２．６μｍの９０％波長と、２９２μｍのカプラ長とを有し、このカプラ長は５０％波長において５０％結合を得るために必要とされるカプラ長よりもわずかに短い。これは、約１．６μｍの波長においてバー状態

を与える。この結合器コンポーネントの動作特性が図１３にグラフで示される。ここで、極めて広い波長範囲にわたる非対称結合器の特徴的な挙動は、上記の実施形態のマッハ−ツェンダーコンポーネントの挙動に酷似するように設計することができることが分かる。しかしながら、マッハ−ツェンダーコンポーネントは必然的に数ｍｍ長であるのに対して、非対称結合器コンポーネントは１ｍｍ長未満で十分であるため、デバイス全体をさらに小さくすることができるようになり、それゆえ、１枚のウェーハ上に収められる全デバイスの数を増やして、より経済的に製造することができる。

図１３において、波長範囲にわたる非対称結合器の位相変動は、図１１に示されるマッハ−ツェンダーの変動よりもわずかに小さいことに留意されたい。この差は、上記で説明されたマッハ−ツェンダー実施形態に比べて、コンポーネントを相互接続する光路差を小さくすることによって、最も容易に補償することができる。たとえば、コンポーネントを相互接続する光路差は０．５４μｍまで小さくされ、複合デバイスの予想される挙動が図１４にプロットされる。安定性範囲をさらに良好に示すために、図１４の縦軸の目盛りは、図８及び図１０の２倍に拡大されていることに留意されたい。この例から、非対称結合器を利用するデバイスは製造するのがより難しくなるが、上記で説明されたマッハ−ツェンダー実施形態よりも小さくすることができ、且つ広い波長範囲にわたって変動を小さくすることができることが分かる。

本明細書において記述される光デバイスを形成するために利用することができる他の２×２コンポーネントは、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ及び２×２スター・カプラを含む。非平衡２×２コンポーネント（すなわち、非直交コンポーネント）は、１ｄＢ未満の変動を与えるために、λ_０付近のバランス比の大きさが少なくとも約１６ｄＢよりも大きくなるように構成することができる。別の実施形態では、非平衡２×２コンポーネント（すなわち、非直交コンポーネント）は、約０．５ｄＢ未満の変動を与えるために、λ_０付近のバランス比の大きさが少なくとも約１９ｄＢよりも大きくなるように構成することができる。非平衡コンポーネントの最適なピーク波長は平衡コンポーネントの平衡波長と必ずしも厳密に同じではなく、実際には、波長範囲全体にわたる全変動を最小限に抑えるために、約１〜２％だけ異なることがある。また、相互接続間の光路長差を選択する際に、選択判定基準のうちの１つは、デバイスが製造工程の変動に影響を受けないという判定基準を含むことができる。

概ね（２ｍ＋１）／２＊λ_０の光路差を有することによって、約λ_０においてバー状態

にあるマッハ−ツェンダー干渉計コンポーネントの他の実施形態を利用することができる。ただし、ｍは整数である。概ねｍ＊λ_０の光路差を有することによって、約λ_０においてクロス状態

にあるマッハ−ツェンダー干渉計コンポーネントの他の実施形態を利用することができる。ただし、ｍは整数である。利用することができるマッハ−ツェンダー干渉計コンポーネントの他の実施形態によれば、偏光に依存する変動をさらに良好に補償するために、光路差が最大で約３％まで意図的にオフセットされることがある。利用することができるマッハ−ツェンダー干渉計コンポーネントの他の実施形態によれば、一方又は両方の方向性結合器がマルチモード干渉カプラによって置き換えられる。利用することができるマッハ−ツェンダー干渉計コンポーネントの他の実施形態によれば、一方又は両方の方向性結合器がスター・カプラによって置き換えられる。

本明細書において記述される複数の実施形態は平面光波回路（ＰＬＣｓ）に基づくが、本発明を、マルチポート混合素子をコヒーレントに連結することができる任意の光技術に同じく通用することができることは、当業者には容易に明らかになるはずである。広帯域パワー分割の他の手段を利用することができるため、取り扱われる需要はそれほど広くはないが、本明細書において記述される光デバイスは、マイクロ波ミキサ及び無線周波数ミキサにも適用することができる。

要求されるバランス比を与える設計上の細かい事柄は、コンポーネントを含むために用いられる材料系による。適切な導波路形状及び材料系の第１の例では、ＰＬＣ材料系は、基板上にシリカ層を含む。この例では、下側クラッディング層と上側クラッディング層との間にコア層が配置され、約４μｍ〜約１０μｍ厚のコア層の屈折率は、約０．０７μｍだけ下側クラッディングの屈折率よりも高く、上側クラッディング層及び下側クラッディング層の屈折率は概ね等しい（概ね０．０１μｍ内）。上側クラッディング材料によって覆われる長方形断面で領域をエッチングすることによって、導波路が形成される。約４μｍ〜約１０μｍ幅を有することができ、その間に約４μｍ〜約１０μｍ幅である上側クラッディング材料の領域を有する２つの隣接する導波路から、方向性結合器を形成することができる。各直線導波路の各端部は、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍの曲率半径を有する曲線導波路に接続することができる。記述される実施形態のうちのいくつかの詳細な例が、この導波路形状及び材料系に関して以下に説明される。しかしながら、本明細書において記述される光デバイスのために、他の適切な導波路形状及び材料系を用いてもよい。

さらに、以下に示される数多くの例において、本明細書において記述される光デバイスの１つの利点は、約１２６０ｎｍ〜約１６２５ｎｍの波長の目標とする範囲にわたって平衡である２×２スプリッタを提供することである。上記の導波路形状及び材料系では、方向性結合器の結合パラメータは、約１２６０ｎｍ〜約１６２５ｎｍの波長範囲にわたって、２倍以上変化する。それゆえ、極めて広い波長範囲にわたって平衡分割を提供するデバイスが必要とされる。さらに、以下の例の場合の平衡分割の定義では、１ｄＢ以下の許容範囲が用いられる。

第１の実施形態の第２の例では、平衡コンポーネントは、長さが８００μｍであり、１５８０ｎｍに概ね等しい波長において完全に平衡状態である、すなわちλ_０＝１５８０ｎｍである方向性結合器を含む。非平衡コンポーネント又は非直交コンポーネントは、マッハ−ツェンダー干渉計を含み、当該干渉計は、長さが７３４μｍである第１の方向性結合器と、長さが７５０μｍである第２の方向性結合器とをさらに備える。マッハ−ツェンダー干渉計のアーム間の光路長差は、第１の実施形態に従って、ｍ＝３で設計される。具体的には、第１のマッハ−ツェンダーアームの光路長は第２のマッハ−ツェンダーアームの光路長よりも約２３７９ｎｍだけ長い。非平衡コンポーネントは、λ_０を含む、１５６０ｎｍ〜１６０５ｎｍの波長の場合に、２０ｄＢよりも大きいバランス比を有する。非平衡コンポーネントは、１５６０ｎｍ〜１６０５ｎｍの波長の場合に、主にバー経路に光を結合する。広帯域２×２スプリッタのアーム間の最適な光路長差を見つけるために、数値探索が用いられる。第１のブリッジアームの光路長が第２のブリッジアームの光路長よりも１４２１ｎｍ短い場合、この実施例では、１２６０ｎｍ〜１６２５ｎｍの目標とする波長範囲にわたって、０．５ｄＢの許容範囲までの平衡分割を（シミュレーションでは）達成することができる。この実施例では、アーム間の光路長差は、目標とする波長範囲内に存在する値を有する。

第３の実施形態の第１の実施例では、非平衡コンポーネントは、長さが２９５１μｍである方向性結合器を含む。この非平衡コンポーネントは、１３６０ｎｍ〜１３８５ｎｍの波長の場合に２０ｄＢよりも大きなバランス比を有し、それによって、この波長範囲において、光は主にクロス経路に結合される。平衡コンポーネント又は非直交コンポーネントは、マッハ−ツェンダー干渉計を含み、当該干渉計は、長さが１０２μｍである第１の方向性結合器と、長さが１０２７μｍである第２の方向性結合器とをさらに備える。第１のマッハ−ツェンダーアームの光路長は第２のマッハ−ツェンダーアームの光路長よりも約２６７０ｎｍだけ長い。平衡コンポーネントは、１３７０ｎｍに概ね等しい波長において平衡であり、すなわちλ_０＝１３７０ｎｍである。非平衡コンポーネントは、λ_０を含む、１３６０ｎｍ〜１３８５ｎｍの波長の場合に２０ｄＢよりも大きいバランス比を有する。数値探索が用いられて、ブロードバンド（広帯域）２×２スプリッタのアーム間の最適な光路長差が求められる。第１のブリッジアームの光路長が第２のブリッジアームの光路長よりも２２４５ｎｍ短い場合、この実施例では、目標とする波長範囲にわたって、１ｄＢの許容範囲までの平衡分割を（シミュレーションでは）達成することができる。

第３の実施形態の第２の実施例では、非平衡コンポーネントは、長さが１８３０μｍである方向性結合器を含む。この非平衡コンポーネントは、１５４５ｎｍ〜１５９５ｎｍの波長の場合２０ｄＢよりも大きなバランス比を有し、それによってこの波長範囲において、光は主にクロス経路に結合される。平衡コンポーネント又は非直交コンポーネントは、マッハ−ツェンダー干渉計を含み、当該干渉計は、長さが９６５μｍである第１の方向性結合器と、長さが１１７μｍである第２の方向性結合器とをさらに備える。第１のマッハ−ツェンダーアームの光路長は第２のマッハ−ツェンダーアームの光路長よりも約２０６６ｎｍだけ長い。平衡コンポーネントは、１５７０ｎｍに概ね等しい波長において平衡であり、すなわちλ_０＝１５７０ｎｍであり、それは、非平衡コンポーネントが２０ｄＢよりも大きいバランス比を与える波長範囲内にある。数値探索が用いられて、広帯域２×２スプリッタのアーム間の最適な光路長差が求められる。第１のブリッジアームの光路長が第２のブリッジアームの光路長よりも２３００ｎｍ長い場合、この実施例では、目標とする波長範囲にわたって、１ｄＢの許容範囲までの平衡分割を（シミュレーションでは）達成することができる。

第４の実施形態の一実施例では、非平衡コンポーネント又は非直交コンポーネントは、マッハ−ツェンダー干渉計を含み、当該干渉計は、長さが７２０μｍである第１の方向性結合器と、長さが７２０μｍである第２の方向性結合器とをさらに備える。第１のマッハ−ツェンダーアームの光路長は第２のマッハ−ツェンダーアームの光路長よりも約２３７０ｎｍ長い。この非平衡コンポーネントは、１５５０ｎｍ〜１６１０ｎｍの波長の場合に２０ｄＢよりも大きなバランス比を有し、それによって、この波長範囲において、光は主にクロス経路に結合される。平衡コンポーネントは、長さが９４５μｍである第１の方向性結合器と、長さが４７μｍである第２の方向性結合器とを備える。第１のマッハ−ツェンダーアームの光路長は第２のマッハ−ツェンダーアームの光路長よりも約２６６６ｎｍ長い。第１のブリッジアームの光路長が第２のブリッジアームの光路長よりも１４４６ｎｍ短い場合、この実施例では、目標とする波長範囲にわたって、１ｄＢの許容範囲までの平衡分割を（シミュレーションでは）達成することができる。

上記のように、ブロードバンド（広帯域）２×２スプリッタは、第１のブリッジアーム及び第２のブリッジアームを介して光学的に接続されるクロスオーバーコンポーネントと非直交コンポーネントとを備える。一実施形態では、非直交コンポーネントは、少なくとも１つの偏光及び少なくとも１つの光の波長λ_０の場合に、概ね０ｄＢに等しい分割比を提供する２×２光スプリッタである。クロスオーバーコンポーネントは、波長と共に変化する分割比を与える２×２光スプリッタであり、それによってその分割比は、波長λ_ｘにおいて少なくとも１つの偏光の場合に極大値を有し、それによって極大値における分割比は少なくとも約１６ｄＢよりも大きく、又はさらに約１９ｄＢよりも大きい。その光デバイスは、λ_０及びλ_ｘが相対的に近い値になるように構成することができる。具体的には、その光デバイスは、クロスオーバーコンポーネントが波長ｈｏの光の場合に約１６ｄＢよりも大きな分割比を与えるように構成することができる。言い換えると、クロスオーバーコンポーネントは主に、波長λ_０の光をクロス経路に結合するか、又は主に、波長ｈｏの光をバー経路に結合するかのいずれかである。この構成によれば、波長ｈｏの光の場合、広帯域２×２スプリッタは、クロスオーバーコンポーネントの分割比によって決定される許容範囲内で平衡である。

クロスオーバーコンポーネントのｈｏにおける分割比が約１６ｄＢよりも大きい場合には、上記ブロードバンド（広帯域）スプリッタの分割比は１ｄＢ未満である。クロスオーバーコンポーネントのｈｏにおける分割比が約１９ｄＢよりも大きい場合には、広帯域スプリッタの分割比は０．５ｄＢ未満である。目標とする波長範囲内の少なくとも１つの波長の場合に平衡分割が生じるのを確実にするために、λ_０は目標とする波長範囲内に存在することがあるが、これは必要ではない。λ_ｘの値がλ_０に近くなるようにデバイスを構成するのを容易にするために、そのデバイスは、λ_ｘが目標とする波長範囲内に存在するように構成することができる。それゆえ、クロスオーバーコンポーネントは、波長への非単調依存性を有する分割比を有することができる。この構成で開始して、第２のブリッジアームの光路長に対して第１のブリッジアームの光路長を最適化することによって、極めて広い波長範囲の場合に平衡分割を達成することができる。ブリッジアーム間の最適な光路長差を選択するときに、選択判定基準は、全ての偏光にわたって分割比の変動が所定の値よりも小さいままであるという判定基準を含む。また、ブリッジアーム間の最適な光路長差を選択するときに、選択判定基準は、そのデバイスが製造工程の変動の影響を受けないという判定基準を含むことがある。

上記ブロードバンド（広帯域）スプリッタは種々の導波路形状及び材料系の場合に適している。たとえば、材料系は基板上にシリカ層を含むことができ、基板はシリコン又は石英のいずれかを含むことができる。他の適切な材料系はポリマー層、シリコン・オン・インシュレータ、及びＩｎＰ系又はＧａＡｓ系に基づく半導体材料の層を包含する。

本発明が特定の実施形態との関連で説明されてきたが、本明細書を読むと、その種々の変更が当業者に明らかになることは理解されたい。それゆえ、本明細書において開示される本発明は、添付の特許請求の範囲に入るような、そのような変更を包含することを意図するものと理解されたい。

本発明の１つの態様の概略的なブロック図である。 本発明の別の態様の概略的な部分ブロック図である。 本発明の１つの態様の概略的なブロック図である。 本発明の１つの態様の概略的なブロック図である。 標準的な方向性結合器の図である。 グラフである。 直交ミキサの図である。 図７の直交ミキサのグラフである。 図７の直交ミキサの別のグラフである。 本発明の一態様のデバイスの部分概略図である。 図１０のデバイスのグラフである。 図１０のデバイスの別のグラフである。 本発明の別の態様のデバイスの部分概略図である。 本発明の別の態様のデバイスの部分概略図である。 図１３のデバイスのグラフである。 図１３のデバイスの別のグラフである。

Claims (19)

1. 光デバイスであって、
   第１の２×２スプリッタを含むクロスオーバーコンポーネントであって、該第１の２×２スプリッタは第１の入力ポート、第２の入力ポート、第１の出力ポート及び第２の出力ポートを備える、該クロスオーバーコンポーネントと、
   第２の２×２スプリッタを含む非直交コンポーネントであって、該第２の２×２スプリッタは第１の入力ポート、第２の入力ポート、第１の出力ポート及び第２の出力ポートを備える、該非直交コンポーネントと、
   第１の光路長と、前記クロスオーバーコンポーネントの前記第１の出力ポート又は前記第１の入力ポートに光学的に接続される第１の端部と、前記非直交コンポーネントの前記第１の入力ポート又は前記第１の出力ポートに光学的に接続される第２の端部とを有する第１の光導波路と、
   前記第１の光路長とは異なる第２の光路長と、前記クロスオーバーコンポーネントの前記第２の出力ポート又は前記第２の入力ポートに光学的に接続される第１の端部と、前記非直交コンポーネントの前記第２の入力ポート又は前記第２の出力ポートに光学的に接続される第２の端部とを有する第２の光導波路と、
   を備えており、
   ここで前記非直交コンポーネントは、少なくとも１つの偏光及び１つの波長λ _０ の光の場合に０ｄＢの分割比を与えるよう構成されると共に、λ _０ を含む第１の連続した波長範囲を通じて１ｄＢ未満である分割比を与えるように構成されており、
   さらに前記クロスオーバーコンポーネントは、波長λ _０ において少なくとも１つの偏光の光の場合に１６ｄＢよりも大きな分割比を与えるように構成される、光デバイス。
2. 前記クロスオーバーコンポーネント及び前記非直交コンポーネントのうちの少なくとも一方はマッハ−ツェンダー干渉計を含む、請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記クロスオーバーコンポーネント及び前記非直交コンポーネントのうちの少なくとも一方は非対称結合器を含む、請求項１に記載の光デバイス。
4. 前記クロスオーバーコンポーネント及び前記非直交コンポーネントのうちの少なくとも一方はスター・カプラを含む、請求項１に記載の光デバイス。
5. 前記クロスオーバーコンポーネント及び前記非直交コンポーネントのうちの少なくとも一方はマルチモード干渉カプラを含む、請求項１に記載の光デバイス。
6. 前記第１の光路長と前記第２の光路長との間の差は、第１の連続した波長範囲にわたって１ｄＢ未満である分割比を与える、請求項１に記載の光デバイス。
7. 前記第１の光路長と前記第２の光路長との間の差は、第２の連続した波長範囲にわたって１ｄＢ未満である分割比を与え、該第２の連続した波長範囲は前記第１の連続した波長範囲よりも広い、請求項６に記載の光デバイス。
8. 前記クロスオーバーコンポーネント及び前記非直交コンポーネントのうちの少なくとも一方は、前記第２の連続した波長範囲にわたって２倍以上だけ変化する結合パラメータを有する対称方向性結合器を含む、請求項１に記載の光デバイス。
9. 前記第２の光路長と前記第１の光路長との間の差は、目標とする波長範囲内にある値に実質的に等しい、請求項１に記載の光デバイス。
10. 約１．２５μｍ〜約１．６５μｍの極めて広い波長範囲にわたって±１ｄＢ以下のパワー分割許容範囲を有する、請求項１に記載の光デバイス。
11. 請求項１に記載の光デバイスを備えるＰＬＣ。
12. ２つの入力ポートのうちのいずれかにおいて与えられる光パワーを、指定された比で２つの出力ポートに分配することができる一次４ポート光ミキサを備える光デバイスであって、
    該４ポートミキサは、特定の波長λ_０において、又はその近くの波長において、或るパワー分配比を有する４ポートミキサである第１のコンポーネントと、波長λ_０の近くで１６ｄＢよりも大きなｄＢ単位の大きさのパワー分配比を有する４ポートミキサである第２のコンポーネントと、前記第１のコンポーネント上の第１のポートを前記第２のコンポーネント上の第１のポートに接続する第１の相互接続導波路と、前記第１の相互接続導波路とは異なる長さを有し、前記第１のコンポーネント上の相補的な第２のポートを前記第２のコンポーネント上の相補的な第２のポートに接続する第２の相互接続導波路とを備え、
    ここで前記一次ミキサのパワー分割比は、λ_０を含む光波長の２０％部分範囲にわたって±１ｄＢ以下の変動を示す、光デバイス。
13. 前記第２のコンポーネントのパワー分割比は、光波長の前記部分範囲にわたって非単調に変化する、請求項１２に記載の光デバイス。
14. 前記第１のコンポーネントは対称方向性結合器である、請求項１２に記載の光デバイス。
15. 前記第２のコンポーネントは、光波長の前記部分範囲内の実質的に最も短い波長よりも大きな光路長差を有するマッハ−ツェンダー干渉計を含む、請求項１２に記載の光デバイス。
16. 前記第１の相互接続導波路の光路差に対する前記第２の相互接続導波路の光路差は、前記波長範囲内の実質的に最も短い波長よりも大きい、請求項１２に記載の光デバイス。
17. 前記第２の部分コンポーネントは非対称結合器を含む、請求項１２に記載の光デバイス。
18. 約１００ｎｍ又はそれ以上の波長範囲にわたって均等な分割比を有する、請求項１２に記載の光デバイス。
19. 請求項１２に記載の光デバイスを備えるＰＬＣ。

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