JPH08509079A - 位相調整アレイを有する光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 第１の結合器（２）と、チャネルのアレイ（Ｗ_q）によって接続された第２の結合器（３）とを備える光学装置を説明する。この装置はアレイマルチプレクサまたはアレイデマルチプレクサとして使用できる。結合器はマルチモード画像形成（ＭＭＩ）部品である。ＭＭＩの入力端子と出力端子の間の位相差がアレイチャネルの間の長さの差によって補償される。

Description

【発明の詳細な説明】 位相調整アレイを有する光学装置 本発明は、第１の結合器と、第２の結合器と、第１の結合器の出力端子を第２ の結合器の入力端子に接続して分散アレイを形成する複数の、少なくとも３つの 光チャネルとを備える光学装置に関するものである。 そのような装置は、分散アレイのために波長に依存するそれの挙動によってア レイマルチプレクサまたはデマルチプレクサとしてとくに有用である。分散は０ ．１ｎｍから約２００ｎｍまでの範囲の波長選択性を装置に与える。波長分割マ ルチプレクサ（ＷＤＭ）を光通信の分野に用いて、光増幅装置で搬送波長の光ビ ームと信号波長の光ビームとを組合わせることができる。ＷＤＭは近接した波長 帯を付加することによって光ファイバの伝送容量を増加することにも使用できる 。１本のファイバで双方向通信を行うために種々の波長帯を使用できる。マルチ プレクサの動作とは反対の動作、すなわち、入来信号をそれの構成波長帯に分解 すること、を行わせるためにデマルチプレクサを使用できる。 初めの文節で述べた種類の光学装置がヨーロッパ特許出願第０５６５３０８号 明細書に記載されている。既知の装置は一対の光結合器と、結合器の間を延長す るチャネルのアレイとを有する。結合器はいわゆる放射線結合器である。そのよ うな結合器は典型的には、入力チャネルと複数の結合器出力チャネルとの間にほ ぼ同一の光路を設けるように構成された平板状導波器である。既知の装置の欠点 はチャネル応答が一様でないこと、すなわち、装置の入力チャネルから出力チャ ネルへのパワー伝送が入力チャネルの序数と出力チャネルの序数に依存すること である。 本発明の目的は、ほぼ一様なチャネル応答を有する光学装置を得ることである 。 本発明の目的は、上記光学装置が、少なくとも１つの結合器がマルチモード画 像形成部品である、ことを特徴とする場合に達成される。既知の装置の一様でな いチャネル応答は、放射性結合器が機能する態様の結果である。すなわち、その ような結合器の入力チャネルからのパワーはそれの出力チャネル全体に鐘形で分 布される。したがって最も外側の出力チャネルは、中央の出力チャネルが受ける パワーのほんの数パーセントを受けるだけである。他方、マルチモード画像形成 （ＭＭＩ）結合器は入力チャネルからのパワーをそれの出力チャネル全体にわた って等しく分配できる。分配が一様になると本発明の装置のチャネル応答が一様 になる。 ＭＭＩ結合器を使用すると、ＭＭＩの入力が照射される時にＭＭＩの出力端子 における信号の間に生ずる位相差を補償するように注意を払わなければならない 。更に、照射が別の入力端子に変更されると、位相差も変化する。それらの差の 補償は原則として装置のどこにおいても行うことができる。しかし、本発明の装 置の好適な実施例は、マルチモード画像形成部品中の光路の間の位相差が、チャ ネルの光路長さの差によって補償されることを更に特徴とする。位相差の補償の ために追加の部品を要求されないこと、およびアレイの導波器の固定されている 長さで十分なことが、本発明の装置の予測されなかった特徴である。光路長のそ れらの違いは一般にチャネルの屈折率に対する基準波長よりも小さい。 本発明の光学装置の好適な実施例は、隣接するチャネルの間の光路長の差が基 本長さの整数関数倍にほぼ等しく、関数の値はアレイ中の隣接するチャネルの序 数に依存することを特徴とする。したがって、アレイ中の隣接する導波器の間の 長さの差は、既知の装置における場合のように、一定値を持たない。「ほぼ等し い」ということは、チャネルの屈折率で除した基準波長内で等しいことを意味す る。 好適な実施例は、第１の結合器がＮ個の出力端子を有し、第２の結合器がＮ個 の入力端子とＮ個の出力端子を有する。Ｎは２より大きい整数である。 結合器の間に「Ｕ」形チャネルを有する装置の実施例においては、チャネルの 交差を避けるためにチャネルの長さを単調に増加しなければならない。増加は整 数個の基本長さを各チャネルの長さに付加することによって実現される。その結 果、漏れが少ない波長窓の幅が狭くされる。十分に広い窓を持つ光学装置の実施 例は「Ｓ」形の光チャネルを有する。長さの差を最小に保つこともできる。そう すると製作の許容誤差を大きくできるという利点が得られる。ある光チャネルと 、より大きい序数の隣接する光チャネルの間の光路長さの差の絶対値が序数の単 調増加関数で、２つの連続する差の符号が異なる場合に、装置の出力チャネルの 間の漏れが減少する。 製作の許容誤差が大きい別の実施例は、受動アレイの種々の光チャネルがほぼ 同一の形の異なる数の曲りを持つことを特徴とするものである。異なる数の曲り は種々の光路長のチャネルを提供する。曲げるやり方および曲げを組合わせるや り方によって装置の光路長を極めて多様にできる。この実施例は小型のユニット に容易にまとめることができ、２つの結合器を一線上に置くことができる。伝送 機能の電子的制御を行えるようにする光学装置の実施例は、少なくとも１つのチ ャネルの光路長を変化させるために、電極を少なくとも１つのチャネルの上に載 置することを特徴とするものである。チャネル上での電極の特殊な配列によって 電極に加えられる単一の電圧によって伝送機能を制御できる。 電極の存在がチャネルの光学的な挙動に影響を及ぼすことがあり、種々の電極 長さがチャネルに種々の挙動をひき起こさせることがあるから、光学装置の諸特 性が影響を受ける。したがって、本発明の光学装置には各チャネルで同じ長さだ け載置する電極構造を設けることが好ましい。 以下、添付図面を参照して例により本発明を詳しく説明する。 第１図は本発明のＷＤＭを示す。 第２Ａ図は１×ＮのＭＭＩ結合器を示す。 第２Ｂ図は２×ＮのＭＭＩ結合器を示す。 第２Ｃ図はＮ×ＮのＭＭＩ結合器を示す。 第３図は装置の導波器の横断面を示す。 第４図はＳ形アレイを有するＷＤＭを示す。 第５図はＵ形アレイを有するＷＤＭおよびＳ形アレイを有するデマルチプレク サの伝送特性を示す。 第６図は正弦波状アレイを有するＷＤＭを示す。 第７図は電極を設けられている導波器の横断面を示す。 第８図はＵ形アレイを有するＷＤＭを示す。 第９図はアクティブ正弦波状アレイを有するＷＤＭを示す。 第１０図もアクティブ正弦波状アレイを有するＷＤＭを示す。 第１図は、Ｎ個のチャネルのアレイＷ_qを介して第２の結合器３に結合されて いる第１の結合器２を備える本発明のチャネルアレイデマルチプレクサ１を示す 。ｑは序数で、ｑ＝１，…，Ｎである。結合器２と３の間のＮ個のチャネルは「 Ｕ」形のアレイ状に配列される。連続する各チャネルは先行するものより長い光 路となる。各アレイチャネルＷ_qは第１の結合器の出力端子Ｏ_qを第２の結合器の 入力端子Ｉ′_qに結合する。装置の入力端子は入力チャネルＵ_jで構成される。ｊ ＝１，２である。各入力チャネルは第１の結合器の入力端子Ｉ_jに接続される。 装置の出力端子は出力チャネルＶ_kで構成される。ｋ＝１，…，Ｎである。各出 力チャネルは第２の結合器の対応する出力端子Ｏ′_kに接続される。 本発明に従って、結合器はマルチモード画像形成部品（ＭＭＩｓ）である。Ｍ ＭＩは「マルチモード干渉装置」としても知られており、ドイツ特許第２５０６ ２７２号明細書に開示されている。ＭＭＩはそれの入力端子の１つにおける放射 線の分配がそれの各出力端子上に画像形成されるようなものである。特定の波長 λ₀に対して、特定の入力端子Ｉ_jからアレイチャネルＷ_qに沿って第１の結合器 を通り、かつ第２の結合器を通って出力端子Ｏ′_kに達する光路と、同じ入力端 子から別のチャネルＷ_q+1に沿って同じ出力端子に達する光路との間の位相差が ２πの倍数であるように、装置のアレイは設計される。そうするとアレイ中の種 々の経路に沿って進む光波は構造的に干渉し、装置の入力端子Ｉ_jに入る波長λ₀ のエネルギーを出力端子Ｏ′_kに向かって送らせる。異なる波長では光波は出力 端子Ｏ′_kで干渉しないが、別の出力端子では干渉する。したがって・多数の波 長の入力を受け、波長が分離された出力を供給するためにこの装置を使用できる 。この装置は回折格子およびデマルチプレクサとして機能する。逆向きではそれ はマルチプレクサとして機能する。 本発明の装置はＭＭＩの諸特性を最適に使用する。部品の寸法誤差が大きいた めに、ＭＭＩの性能が、集積化した光学装置の製造工程のプロセスパラメータに 依存する程度が小さくされる。とくに、ＭＭＩ結合器の使用によって、狭い間隔 を置いて隔てられている導波器チャネルの間の頂部に穴を開ける際のリソグラフ ィック上の問題が避けられる。したがって、ＭＭＩの製造技術に対する要求は比 較的緩やかである。これはＩｎＰで製造されたＭＭＩにとくに適用される。Ｉｎ Ｐは集積化した深くエッチングされた光学部品のためにしばしば使用する材料で ある。したがって、僅かに最適でない寸法のＭＭＩに対してさえも、ＭＭＩの低 損失特性が維持される。 第２図はＭ×ＮのＭＭＩ結合器のいくつかの例を示す。ここに、Ｍは結合器の 入力端子の数、Ｎは結合器の出力端子の数である。第２Ａ図に示す１×Ｎの結合 器１０の長さはＬ₁＝３Ｌ_c／（４Ｎ）で、Ｌ_c＝４ｎＷ²／（３λ₀）である。こ こに、ｎは導波器の屈折率、ＷはＭＭＩの幅、λ₀は放射線の自由空間波長であ る。第２Ａ図に示すように、入力Ｉ₁がＭＭＩの幅の半分であるから、入力のＮ 個の画像がＭＭＩの入力側の反対側に、Ｗ／Ｎの相互間隔で見出だされる。入 力Ｉ₁と出力Ｏ_qの間の位相差は （１） φ_1,q＝φ₀＋π（ｑ−１）（Ｎ−ｑ）／Ｎ ｑ＝１，…，Ｎ によって与えられる。ここのφ₀は一定位相係数である。 第２Ｂ図は２×ＮのＭＭＩ結合器２０を示す。それの長さはＬ₂＝Ｌ_c／Ｎであ る。２つの入力端子が幅Ｗの１／３と２／３の所に配置され、出力端子は図示の ように配置される。Ｎが偶数の時の入力端子Ｉ₁と出力端子Ｏ_qの間の位相差は （２） φ_1,q＝φ₀＋π（−３ｑ²＋２ｑ）／４Ｎ ｑが奇数の時 （３） φ_1,q＝φ₀＋π＋π（−３ｑ²＋４ｑ−１）／４Ｎ ｑが偶数の時 で与えられる。 第２Ｃ図に示すように、Ｎ×ＮのＭＭＩ結合器３０が対で順序をつけられてい る入力ポートと出力ポートを有する。各対内ではポートの距離は２ｄである。ｄ は自由パラメータである。各対でのポートの距離は２ｄである。ここにｄは自由 パラメータである。長さＬ_Nは３Ｌ_c／Ｎに等しい。入力端子と出力端子の番号付 けの異なる順序に注目されたい。Ｎが偶数の時の入力端子Ｉ_jと出力端子Ｏ_qの間 の位相差は （４） φ_j,q＝φ₀＋π［（２Ｎ＋１−ｑ−ｊ）（ｑ＋ｊ−１）］／４Ｎ ｊ＋ｑが奇数の時 （５） φ_j,q＝φ₀＋π＋π［（２Ｎ−ｑ＋ｊ）（ｑ−ｊ）］／４Ｎ ｊ＋ｑが偶数の時 である。全ての種類のＭＭＩに対して、入力端子から出力端子への位相差は同じ 出力端子から同じ入力端子への位相差に等しい、いいかえると、φ_j,qがφ_q,jに 等しい。位相はｅｘｐ（ｉωｔ−ｋｘ）に従って時間ｔと位置ｘに依存すること を述べておく。 ＭＭＩの上記位相挙動はＭＭＩ結合器を有するマルチプレクサまたはデマルチ プレクサの設計に困難をもたらす。ＭＭＩの１つの入力端子における信号はそれ の各出力端子における信号になり、出力信号の間の位相差は零ではない。信号が 別の入力に変えられると、出力の間の位相差も変化する。本発明のデマルチプレ クサの設計においてはそれらの位相差は補償される。デマルチプレクサは一般化 したマッハ−ツェンダー干渉計として設計される。マッハ−ツェンダー干渉計に おいては干渉計内部の経路の長さの差によって希望の位相が実現される。設計は 、アレイチャネルＷ_qの数が出力チャネルＶ_kの数に等しい場合、すなわち、第２ の結合器がＮ×ＮのＭＭＩである場合に対してのものである。出力チャネルがＮ より少ないことを希望する場合には、Ｎ×ＮのＭＭＩである場合に対して設計を いぜんとして行うことができるが、出力の数は用いられない。 波長デマルチプレクサの設計の第１の段階として、選択した基準波長λ₀の最 少量の放射線が選択した入力端子から選択した出力端子までデマルチプレクサを 通るように、Ｎ個のアレイチャネルの長さが決定される。この特定の設計に対し ては入力端子は第１の結合器２の入力端子Ｉ_jであり、例として、出力端子は第 ２の結合器３の出力端子Ｏ′₃である。前記入力端子から、前記出力端子へ放射 線を最適に伝送させるために、入力端子Ｉ_jから第１の結合器と、アレイチャネ ルと、第２の結合器とを通って出力端子Ｏ′３までのＮ個の光路の長さが、種々 のチャネルに沿って進んだビームの間の出力端子において構造的干渉を持つため にλ₀の倍数だけ相互に異ならなければならない。位相に関しては、これは （６） （φ_j,q−φ_j,1）＋Δψ_q＋（φ′_q,3−φ′₁，₃）＝２πｍ_q ｑ＝１，…，Ｎに対して 位相φとφ′は第１の結合器と第２の結合器にそれぞれ導入された位相差である 。Δψ_qは （７） Δψ_q＝−２πｎ₀ΔＬ_q／λ₀ に等しい。ｎ₀はチャネルの実効屈折率、ΔＬ_qはアレイチャネルＷ_qとＷ₁の間の 長さの増分である。ΔＬ_q≡δ１_q＋δＬ_q、δ１_qはλ₀／ｎ₀より小さい長さ増分 、ΔＬ_qはλ₀／ｎ₀の倍数に等しい長さ増分、と書く場合には、 （８） ｇ（ｑ）≡−（φ_j,q−φ_j,1）−（φ′_q,3−φ′_1,3） で、式（７）を （９） −２πｎ₀（δｌｑ＋δＬｑ）／λ₀＝ｇ（ｑ）＋２πｍｑ と書くことができる。等しい符号の両辺の対応する項を等しいと置くと、下記の ２つの表現になる。 （１０） ｎ₀δｌ_q＝−ｇ（ｑ）λ₀／２π （１１） ｎ₀δＬ_q＝−ｍ_q／λ₀ 式（１１）は、整数を指定することなしに、チャネル_qの長さをλ₀／ｎ₀の整数 倍だけ変化できることを単に述べているだけである。整数の値はデマルチプレク サの設計の第２の段階では固定される。式（１０）におけるパラメータδｌ_qは ｑ番目の光路における長さ増分であって、基準波長λ₀の放射線を入力端子Ｉ_jか ら出力端子Ｏ′３へ伝送するために導入しなければならない増分である。長さ増 分はＭＭＩ結合器に起因する位相差を補償するもので、アレイチャネルに異なる 長さを与えることによってデマルチプレクサ中に含ませることが好ましい。デマ ルチプレクサにおける２つの結合器を特別に選択するために、式（１）〜（５） を式（８）に代入することによって分かるように、ｑの全ての値に対してｇ（ｑ ）の値は零である。１つのそのような選択が２×ＮのＭＭＩとＮ×ＮのＭＭＩで ある。その場合には、アレイチャネルの長さを式（１１）に従ってλ₀／ｎ₀の倍 数だけ異ならせることを必要とするだけである。 デマルチプレクサの設計の第２の段階はλ₀に近い波長λ_kの放射線を入力端子 Ｉ_jから出力端子Ｏ′_kへ送るべきである時に、アレイチャネルの長さに課す要求 の実現である。基準波長の放射線をデマルチプレクサを通じて送るために第 １の段階は小さい増分δｌ_qの値を決定したのに対して、第２の段階は、他の波 長で送るために希望の分散挙動を与えるために大きな増分δＬ_qを決定する。波 長λkの放射線を最適に伝送するためには、Ｎ個の光路のおのおのに対して次の 位相関係を満たす必要がある。 （１２） （φ_j,q−φ_j,1）＋Δψ_q＋（φ′_q,k−φ′_1,k） ＝２πｍ_q ｑ＝１，…，Ｎに対して 全ての位相はλ_kで評価しなければならない。この波長は （１３） λ_k＝λ₀＋ｐ（ｋ）Δλ と書くことができる。ｐ（ｋ）はｋの整数関数、Δλは波長増分である。実効指 数ｎ_kは今は （１４） ｎ_k＝ｎ₀＋ｐ（ｋ）Δλδｎ／δλ に等しいΔλの第次である。添字０をｋで置換した式（７）と、式（３），（１ ４）を用いると式（１２）を （１５） −２π｛ｎ₀＋ｐ（ｋ）Δλδｎ／δλ｝（δｌ_q＋δＬ_q））／ （λ₀＋ｐ（ｋ）Δλ） ＝−（φ_j,q−φ_j,1）−（φ′_q,k−φ′_l,k）＋２πｍ_q と書くことができる。位相差φはΔλに１次に依存しない。したがって、Δλ中 の１次より高い項を無視すると、式（１５）を （１６） −２πｎ₀｛（δｌ_q＋δＬ_q）−ｐ（ｋ）ΔλＢ（δｌ_q＋δＬ_q）｝／λ₀ ＝ｇ（ｑ）＋２πｍ_q−（φ′_q,k−φ′_1,k） ＋（φ′_q,3−φ′_1,3） と書くことができる。ここに （１７） Ｂ＝１／λ₀−（１／ｎ₀）（δｎ／δλ） である。式（１０）と式（１１）からｇ（ｑ）の値をとり、Δλδｌ_qを含む項 を無視すると、式（１６）は （１８） −２πｎ₀｛ｐ（ｋ）ΔλＢδＬ_q｝）／λ₀ ＝（φ′_q,k−φ′_1,k）−（φ′_q,3−φ′_1,3） になる。この式の右辺における位相は第２の結合器に全て適用され、式（１）〜 （５）などの表現で計算できる。右辺はｋの関数ｆとｑの関数Ａの積として書く ことができる。 （１９） （φ′_q,k−φ′_1,k）−（φ′_q,3−φ′_1,3） ＝ｆ（ｋ）Ａ_q 式（１１）を用いると、式（１８）を （２０） ｍ_q＝ｍ′Ａ_q と書くことができる。ここに （２１） ｍ′＝ｆ（ｋ）／２πｐ（ｋ）ΔλＢ である。パラメータｍ′は実数である。ｆ（ｋ）＝−ｐ（ｋ）であるとすると、 ｍ_qはｋとは独立で、ｍ_qはアレイチャネルＷ_qの長さ増分を決定するから、長さ 増分はｋとは独立である。したがって、アレイチャネルの長さの１つの選択によ って波長がλ_kの放射線を、ｋの全ての値に対して出力端子Ｏ′_kまで最適に伝送 する。装置の出力端子における、式（１３）によって定められる、波長のオーダ ーは第２のＭＭＩ結合器の位相差のｋに依存する部分ｆによって決定される。同 様に、式（１１）によって定められる、アレイチャネルの長さ増分δＬ_kはｑに 依存する部分Ａによって決定される。 例として、長さ増分はＮ×ＮのＭＭＩに対しては第２の結合器として計算され る。ＭＭＩに対する関数ｆ（ｋ）とＡ_qは式（４）と（５）から得ることができ る。 （２２） ｆ（ｋ）＝（３−ｋ）／２＋ａＮ 奇数のｋに対して （２３） ｆ（ｋ）＝（２＋ｋ）／２＋ａＮ 偶数のｋに対して （２４） Ａ_q＝２π｛（１−ｑ）／２＋ｒ_qＮ｝／Ｎ 奇数のｋに対して （２５） Ａ_q＝２π｛ｑ／２＋ｒ_qＮ｝／Ｎ 偶数のｋに対して パラメータａとｒ_qは自由に選択可能な整数である。それらの整数は２πの関連 しない係数をＭＭＩの位相差に加えるだけである。 Ａ_qに対する表現形式が式（２０）を次のように書くことを可能にする。 （２６） ｍｑ＝−ｍＮＡ_q／２π またはｍ′＝−ｍＮ／（２π）。ｍ_qとＮ／（２π）Ａ_qは整数であるから、ｍも 整数のはずである。ｍ′のこの特定の選択に対して式（２１）を次のように書く ことができる。 （２７） λ₀／Δλ＝Ｎｍλ₀Ｂ＝Ｎ｛ｎ₀／λ₀−δｎ／δλ｝ｍλ₀／ｎ₀ この式はデマルチプレクサの分解能λ／Δλを階層の形式に類似する階層で与え る。たとえば、ボーン（M.Born）およびウルフ（E.Wolf）著「光学の原理（Prin ciples of Optics）」第６版、１９８０年、４１０ページ、パーガモン・プレス （Pergamon Press）を参照されたい。Ｎは等しい階層の段階の数、ｍλ₀／ｎ₀は 段階の経路長の差、ｍは階層を用いる次数である。したがって、装置の分解能は Ｎとｍの特定の値を選択することによって選択できる。 アレイチャネルの長さ増分は今は式（１１）と（２６）から、式（２４）と（ ２５）を用いて （２８） ｎ₀δＬ_q＝ｓ_qｍλ₀ になる。 （２９） ｓ_q＝（１−ｑ）／２＋ｒ_qＮ 奇数のｑに対して （３０） ｓ_q＝ｑ／２＋ｒ_qＮ 偶数のｑに対して ｒ_qの特定の選択に対してアレイチャネルの求められている長さ増分δＬ_qが得 られる。隣接するアレイチャネルの長さの差（δＬ_q−δＬ_q-1）は整数関数（ｓ_q −ｓ_q-1）に基本長さｍλ₀／ｎ₀を乗じたものである。ｒ_qが整数でなければな らないという要求に組合わせた、式（２９）と（３０）から、（ｓ_q−ｓ_q-1）は 常にｑに依存すると結論できる。したがって、長さの差はｑに依存する。したが って、前記ヨーロッパ特許第０５６５３０８号明細書から知られているように、 一定の長さの差を持つチャネルアレイは本発明の光学装置の位相関係を満たすこ とはできない。長さの差のｑ依存性はＮ×ＮのＭＭＩ出力結合器を用いるデマル チプレクサに対して得られたものであって、あらゆる種類のＭＭＩ入力結合器に 対しても基本的には妥当である。 第１図の装置におけるアレイチャネルの構成は、チャネルの数ｑが増加するに つれてチャネルの長さを長くしなければならないという要求を課す。そうすると ｒ_qは次の条件を満たさなければならない。 （３１） ｒ_q−ｒ_q-1＞（ｑ−１）／Ｎ 奇数のｑに対して （３２） ｒ_q−ｒ_q-1＞（１−ｑ）／Ｎ 偶数のｑに対して パラメータｒ_qの下記の選択はこの条件を満たす。 （３３） ｒ_q＝（ｑ−１）／２ 奇数のｑに対して （３４） ｒ_qｑ／２−₁ 偶数のｑに対して そうすると （３５） ｎ₀δＬ_q＝ｓ_qｍλ₀ ここに （３６） ｓ_q＝（１−ｑ）／２＋（ｑ−１）Ｎ／２ 奇数のｑに対して （３７） ｓ_q＝ｑ／２＋（ｑ／２−１）Ｎ 偶数のｑに対して 上記の設計に従って２×４のＭＭＩと４×４のＭＭＩを有する光学装置は、δ Ｌ_q＝δｌ_q＋δＬ_qによって与えられる長さのチャネルを有する位相を調整され たアレイを有する。ここに、ｑ＝１，２，３，４に対してそれぞれδｌ_q＝０お よびδＬ_q＝１，３，６である。式（１３）および ｐ（ｋ）＝−ｆ（ｋ）によって定められる出力波長のオーダーは出力端子Ｏ′１ 〜Ｏ′４：λ₀−Δλ，λ₀−２Δλ，λ₀およびλ₀−３Δλに対するものである 。 第１図に示す４チャネル集積ＷＤＭ装置を、第３図に示すリブ−導波器構造４ ０を用いてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰで実現した。導波器の層を金属−酸化物気相 エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）によってｎ⁺−ＩｎＰ基板４１の上で成長させた。バ ンドギャップが１．３μｍである４元ＩｎＧａＡｓＰ誘導層４３が、低濃度にド ープされた０．８μｍのｎ^-−ＩｎＰ層で基板から分離される。リブ４４の外側 の誘導層部分の厚さは０．５μｍ、リブの高さは０．１μｍである。誘導層４３ のより厚い部分４４は導波器を形成する。誘導層のリブはＩｎＰ層のスタックに よって被覆される。このＩｎＰ層のスタックはリブの上の０．３μｍ厚さのＩｎ Ｐ層４５と、その上の低濃度にドープした厚さが０．９μｍのｐ⁺−ＩｎＰ層４ ６と、最も外側の低濃度にドープした厚さが０．３μｍのｐ⁺−ＩｎP層４７とを 含む。低濃度のドープが導波器の吸収損失を低く保つ。導波器はマグネトロン− エンハンスドＣＨ₄／Ｈ₂反応イオンエッチングでパターン化した。 この装置のチャネルは幅が３μｍの導波器である。第２Ｂ図に示す２×４のＭ ＭＩである、第１の結合器の幾何学的な幅および長さはそれぞれ２９．２μｍお よび６３８μｍである。入力導波器と内側出力導波器が実効結合器幅Ｗ＝３０μ ｍの１／３と２／３の所に置かれる。外側出力導波器の中心−中心間隔は２０μ ｍである。第２Ｃ図に示す４×４のＭＭＩである、外側結合器の幾何学的な幅は 実効幅２０μｍに対応して１９．２μｍであり、長さは８５０μｍである。ポー トの間の距離２ｄはＷ／Ｎに等しく選択して、４つのポートを等しい距離にする 。入力導波器と出力導波器の中心−中心間隔は５μｍである。導波器Ｗ_qとＷ_lの 間の長さ増分ΔＬ_q＝δｌ_q＋δＬ_qが上記の設計規則を満たすようにアレイ導波 器は設計される。式（１０）で定められるδｌ_qの値は、第１の結合器と第２ の結合器の特定の選択によって、全てのｑに対して零である。δＬ_qの値は式（ ３５），（３６），（３７）の助けによって決定される。ｍ＝９８およびλ₀＝ ５４４ｎｍの選択に対して、基本長さｍλ₀／ｎ₀は１５１／ｎ₀μｍに等しい。 ｓ_qの値はｑ＝１，２，３，４に対してそれぞれ０，１，３，６である。波長間 隔Δλは、８×１０^-5の波長分散（Ｉ／ｎ₀）δｎ／δλを用いて式（２７）か ら決定できるように約３．５ｎｍである。アレイ波長の長さに対する結果として の値は、直線導波器および曲りにおける指数の計算のための実効指数法を用いて 幾何学的長さに変換される。実効指数法はベル・システム・テクニカル・ジャー ナル（Bell System Technical Journal）48（7）1969、2103〜2132ページ所載の 、マーカティリ（E.A.J.Marcatili）による「集積光学用誘電体長方形導波器お よび方向性結合器（Dielectric redtangular waveguide and directional coupl er or integrated optics）」に記載されている。装置の全体の寸法は２．１× ２．１ｍｍ²である。湾曲したアクセス導波器を半径１ｍｍおよび間隔２５０μ ｍで設計した。導波器内部で強く横に閉じ込めたことによって、偏光とはほとん ど独立している特性のＭＭＩが得られた。しかし、導波器構造自体は複屈折のま まである。装置の伝送関数の半最大における全幅（ＦＷＨＭ）は約１．５ｎｍで ある。 本発明の光学装置の別の実施例においては、位相を調整したアレイがＳ形をし ている。第４図はこの装置の特定の実施例を示す。この実施例は２つの入力チャ ネルＵ_jと、４つのアレイチャネルＷ_qと、４つの出力チャネルＶ_kとを有するデ マルチプレクサの形をとっている。Ｓ形のアレイは、ｑの数が大きくなるにつれ てチャネルの長さを長くしなければならないという要求を課すものではない。し たがって、パラメータｒ_qの選択にはより大きな自由度が存在する。その自由度 を用いて装置の波長伝送特性を修正できる。第４図に示すアレイの設計は、全て のｑに対してｒ_q＝０を選択することを基にしている。各アレイチャネルの長 さ増分、すなわち、アレイチャネルＷ_qとチャネルＷ₁との間の長さの差は、 （３８） ｎ₀δＬ_q＝ｓ_qｍλ₀ （３９） ｓ_q＝（１−ｑ）／２ 奇数のｑに対して （４０） ｓ_q＝ｑ／２ 偶数のｑに対して である。Ｎ＝４に対するアレイチャネルの長さ増分はδＬ_q＝０，１，−１，２ にｑ＝１，２，３，４に対するｍλ₀／ｎ₀をそれぞれ乗じたものである。増加す る長さの順におけるチャネルの序数はｑ＝３，１，２，４である。式（３９）と （４０）から、隣接するチャネルの間の長さの差の絶対値｜ｓ_q−ｓ_q-1｜ｍλ₀ ／ｎ₀（ｑ≧２）はｑの関数としての単調に増加する値の列である。この列の隣 接する項の符号は異なる。最初に奇数番のチャネルを減少する順序で取り、次に 偶数番のチャネルを増加する順序で取ると、チャネルの長さは単調に増加する。 式（３８），（３９），（４０）は、チャネルの長さをそれの序数の関数とし て指定することによってチャネルの構成を定める。ある整数を選択し、これを式 （３９）と（４０）によって与えられるｓ_qの値に加え、ｓ_qモジュロＮの新しい 値を取ることによって他の等しい構成を見出だすことができる。第４図に示すチ ャネルの構成は式（３９）と（４０）に従うものであって、種々の長さのチャネ ルが各チャネルの直線中間部分の種々の勾配によって実現される。長さの違いの 選択は、より多くの曲りとより多くの湾曲部分をアレイチャネルで用いることに よって増大できる。チャネルは湾曲した部分のみで構成することもできる。それ によって曲りの曲率半径をより大きくすることが可能である。そうすると曲り部 における放射線損失が減少する。 第５図は第１図と第４図のデマルチプレクサの伝送特性を示す。横軸は入力端 子Ｕ₁に入る放射線の波長を示し、縦軸は基準出力チャネルＶ₃で測定した伝送度 Ｔを示す。実線はＳ形アレイのデマルチプレクサの伝送度を示し、破線はＵ形 アレイのデマルチプレクサの伝送度を示す。基準波長λ₀は１．５５０μｍで、 その波長では出力チャネルＶ₃は最大を示し、出力チャネルＶ₁，Ｖ₂，Ｖ₄は最低 伝送度を持たなければならない。両方の装置でチャネル間隔Δλは約４ｍｍであ るから、出力チャネルＶ₁，Ｖ₂，Ｖ₄は波長１．５４６μｍ、１．５４２μｍ、 １．５３８μｍに対して最大伝送度を示さなければならず、それらの波長に対し て出力チャネルＶ₃は第５図に示すように最低伝送度を有する。後者は装置の設 計の結果である。理論的には、ある出力チャネルから別の出力チャネルへの漏れ は零である。しかし、製造許容誤差のために、伝送度の最低値は零ではなく、そ の結果として有限の漏れが生ずる。製造許容誤差の影響は前記波長１．５４６μ ｍ、１．５４２μｍ、１．５３８μｍの周囲の伝送度が最低の幅によって決定さ れる。幅が広くなると、許容誤差の影響は小さくなる。図から、波長１．５４６ μｍの周囲に描いたカーブの最低値の幅は破線のそれの２倍広い。したがって、 Ｓ形アレイを持つ装置は製造の不正確さによって受ける影響は小さく、したがっ て、それの漏れはＵ形アレイを持つ装置の漏れより少ない。 第６図は本発明の光学装置の、光チャネルの経路長を大きく変化させることが できるようにする実施例を示す。２つの８×８のＭＭＩ６１，６２が８つのチャ ネルによって接続される。チャネルの１つ、６３が真っ直ぐであることが好まし い。他のチャネルの各１つはほぼ同一の形の１つまたは複数の曲りを持つことが でき、チャネルの曲りの数が増加するとチャネルの経路長さが長くなる。曲りの 形は、第６図に示すように、ほぼ閉じた輪、正弦の周期の半分、または鐘の形と することができる。曲りは直線部分と、恐らく曲率半径が異なる円形部分との少 なくとも１つを含むことができる。第６図に示すように、経路長さは、チャネル の序数の増大とともに増大する必要はない。たとえば、チャネル６４，６５，６ ６はそれぞれ６つ、２つおよび４つの曲りを有する。したがって、経路長さが増 加するチャネルの序数は６５，６６，６４である。 上の節で説明した本発明の光学装置の実施例は受動アレイ、すなわち、制御可 能ではないアレイ、を備える。しかし、アレイのチャネルの上に電極を配置する ことによってアレイを能動的にできる。このようにして、注入電流の電界をチャ ネルに加えることができる。電極を設けたチャネルの漏れを第７図に示す。リブ −導波器構造７０は、第３図に示すリブ−導波器構造４０と同じ層４１，４６を 有する。層４６は、高濃度にドープされたｐ⁺−ＩｎＰ層７１と高濃度にドープ されたｐ⁺−ＩｎＧａＡｓ層７２によって被覆される。たとえば、層７２の上に ＴｉＰｔＡｕ合金によって被服された金属層７３が第１の電極を形成する。基板 ４１が第２の電極を形成する。この装置は、調整可能な電圧を２つの電極に加え 、または２つの電極に電流を流すことによって、制御できる。 一実施例においては、アレイの各チャネルの上に別々の電極を配置できる。各 電極に個々の電圧を加えることによって、装置の伝送関数の希望の調整を行うこ とができる。電圧を適切に選択することによってＭＭＩ中の光路の間の位相差を 補償でき、それによってチャネルの小さい長さ増分δｌ_qを不要にする。大きい 増分δＬ_qが装置の伝送関数の形を決定する。 別の実施例においては、チャネルの上に配置されている電極の長さが、全ての 電極に同じ電圧を加えることができるようにして、チャネルの序数に適合させら れる。そうすると、チャネルの上の電極の長さを、そのチャネルと基準チャネル の間の長さの差に比例しなければならない。第８図は第１図のＷＤＭに電極を設 けた実施例を示す。チャネル１を基準チャネルとして選択したから電極を持たな い。チャネルｑ＝２，３，４上の３つの電極７４，７５，７６の長さは、式（３ ７）で与えられるこの実施例は長さ増分δＬ_qによって規定されているように、 それぞれ１対３対６の比にある。 第９図は第６図に示すような種類の正弦アレイのＷＤＭを示す。ただしチャネ ルの上に電極が配置される。２つの結合器が素子７７，７８によって示されてい る。１つの長方形電極がチャネルの内部の各正弦曲りの部分の上に配置できる。 チャネルの電極が上に配置される部分の全長が、そのチャネルと真っ直ぐなチャ ネルの間の長さの差に比例するように、この電極の幅を選択しなければならない 。電極の容量を減少するため、または製造上の理由から、各導波器の上の１つま たは複数の小さい電極で置き換えることができる。等しい電圧をそれらの電極に 加えるためにそれらの電極は電気的に接続される。第９図のチャネル７９ａ，７ ９ｂ，７９ｃの上に、太い線で示すように、そのような小さい電極が配置される 。チャネルの１つにおける電極の長さは、チャネルとチャネル８０の間の長さの 差に比例する。 第１０図は電極が異なって配置された第９図のＷＤＭの実施例を示す。アレイ の電極を含む部分の拡大部８１は、チャネル８５，８６，８７の上に配置されて いる３個の電極８２，８３，８４を示す。電極の長さは対応するチャネルと真っ 直ぐなチャネル８０の間の長さの差に比例する。チャネル８０，８５，８７の上 のそれぞれの３個の電極８８，８９，９０が、電極が上に配置されている各チャ ネルの全長がすべてのチャネルで等しいような長さを有する。こうすることによ って、電極によるチャネルの損失が全てのチャネルで等しく、それによって装置 の漏れの劣化を避ける。 以上、波長デマルチプレクサについて本発明を説明したが、範囲は波長マルチ プレクサと波長送り器（ｒｏｕｔｅｒｓ）も含むことが明らかであろう。それら のマルチプレクサはデマルチプレクサの動作とは逆の動作を行う。本発明の装置 の伝送の固有の周期性によって、それを光通信装置に使用するのに非常に適当に する。たとえば、単一の入力チャネルと単一の出力チャネルを有する位相調整ア レイ装置が光くし形フィルタとして動作する。Ｓ形構成のアレイチャネルの長さ 増分δＬ_qが零に等しくされると、装置は分散パワーを持たず、平レンズとして 動作する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９５２００１８２．４ (32)優先日 1995年１月26日 (33)優先権主張国 欧州特許機構（ＥＰ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ (72)発明者 メルヒオー，ハンス スイス国チューリッヒ、フロイデンベルク シュトラーセ、101／エフ１ (72)発明者 シュミット，マイント ケルト オランダ国デルフト、グルートホーフ、10 (72)発明者 バン、ダム，コルネリス オランダ国ゼーターメール、リッセンバー ルト、98

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第１の結合器と、第２の結合器と、第１の結合器の出力端子を第２の結 合器の入力端子に接続して分散アレイを形成する複数の少なくとも３つの光チャ ネルとを備え、少なくとも１つの結合器がマルチモード画像形成部品であること を特徴とする光学装置。 ２． 請求の範囲１記載の光学装置であって、マルチモード画像形成部品中の 光路の間の位相差が、チャネルの光路長さの差によって補償されることを特徴と する光学装置。 ３． 請求の範囲２記載の光学装置であって、隣接するチャネルの間の光路長 の差が基本長さの整数関数倍にほぼ等しく、関数の値はアレイ中の隣接するチャ ネルの序数に依存することを特徴とする光学装置。 ４． 請求の範囲１記載の光学装置であって、第１の結合器がＮ個の出力端子 を有し、第２の結合器がＮ個の入力端子とＮ個の出力端子を有し、Ｎは２より大 きい整数であることを特徴とする光学装置。 ５． 請求の範囲１記載の光学装置であって、少なくとも３つの光チャネルが Ｓ形に構成されることを特徴とする光学装置。 ６． 請求の範囲５記載の光学装置であって、光チャネルと、より高い序数の 隣接する光チャネルの間の光路長の差の絶対値が序数の単調に増加する関数であ り、２つの連続する差が異なる符号を持つことを特徴とする光学装置。 ７． 請求の範囲１記載の光学装置であって、アレイの種々の光チャネルが異 なる数のほぼ同一の曲りをを持つことを特徴とする光学装置。 ８． 請求の範囲１記載の光学装置であって、少なくとも１つのチャネルに位 相変化を導入するために少なくとも１つのチャネルの上に電極を配置することを 特徴とする光学装置。 ９． 請求の範囲８記載の光学装置であって、少なくとも２つのチャネルの上 に１つの電極が配置されることを特徴とする光学装置。 １０． 請求の範囲８または９記載の光学装置であって、電極が上に配置され ているチャネルの長さは、そのチャネルと基準チャネルの間の光路長さの差に比 例することを特徴とする光学装置。 １１． 請求の範囲８記載の光学装置であって、各チャネルの上に少なくとも １つの電極とダミー電極が配置され、電極が上に配置されているチャネルの全長 は等しいことを特徴とする光学装置。