JPH11160742A - 光フィルタ - Google Patents
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- JPH11160742A JPH11160742A JP10267056A JP26705698A JPH11160742A JP H11160742 A JPH11160742 A JP H11160742A JP 10267056 A JP10267056 A JP 10267056A JP 26705698 A JP26705698 A JP 26705698A JP H11160742 A JPH11160742 A JP H11160742A
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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- G02F2203/055—Function characteristic wavelength dependent wavelength filtering
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- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 コンパクトで、低損失で、クロストークの小
さいスイッチ可能光フィルタを実現する。 【解決手段】 光フィルタは、導波光ビームを複数のほ
ぼ同一の導波ビームに分波する光分波器を有する。光分
波器の例としては、方向性カプラ、マッハ＝ツェンダ干
渉計、マルチモード干渉カプラおよびスターカプラがあ
る。このデバイスは一般に、３つの導波路セットを有す
る。第１のセットは、分波器に接続され、多波長導波光
信号をフィルタリングするための入力導波路からなる。
第２のセットは、分波器に接続され、分波により生成さ
れた複数のビームを受け取る複数の導波路（干渉計導波
路ともいう。）からなる。干渉計導波路は、位相シフタ
と反射フィルタ（例えばブラッググレーティング）の交
互配列を有する。反射フィルタは、特定の干渉計導波路
からの特定の波長を分波器へ反射する。第３のセットは
出力導波路であり、それぞれ反射された波長を受け取る
ために分波器に接続される。
さいスイッチ可能光フィルタを実現する。 【解決手段】 光フィルタは、導波光ビームを複数のほ
ぼ同一の導波ビームに分波する光分波器を有する。光分
波器の例としては、方向性カプラ、マッハ＝ツェンダ干
渉計、マルチモード干渉カプラおよびスターカプラがあ
る。このデバイスは一般に、３つの導波路セットを有す
る。第１のセットは、分波器に接続され、多波長導波光
信号をフィルタリングするための入力導波路からなる。
第２のセットは、分波器に接続され、分波により生成さ
れた複数のビームを受け取る複数の導波路（干渉計導波
路ともいう。）からなる。干渉計導波路は、位相シフタ
と反射フィルタ（例えばブラッググレーティング）の交
互配列を有する。反射フィルタは、特定の干渉計導波路
からの特定の波長を分波器へ反射する。第３のセットは
出力導波路であり、それぞれ反射された波長を受け取る
ために分波器に接続される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路フィルタ
に関し、特に、利得等化、光チャネルの挿入および分
岐、ならびに光相互接続に特に有用なスイッチ可能光フ
ィルタに関する。
に関し、特に、利得等化、光チャネルの挿入および分
岐、ならびに光相互接続に特に有用なスイッチ可能光フ
ィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】光波長分割多重通信システム（ＷＤＭ(w
avelength division multiplexed))システム）におい
て、光ファイバは、相異なる波長で多くの相異なる通信
チャネルを同時に伝送する。ＷＤＭシステムでは、すべ
てのチャネルがほぼ同等の信号対ノイズ比を有すること
を保証することが望ましい。この同等化を達成するた
め、利得等化フィルタをシステムのさまざまな点に配置
して、各チャネルの相対パワーレベルを制御する。
avelength division multiplexed))システム）におい
て、光ファイバは、相異なる波長で多くの相異なる通信
チャネルを同時に伝送する。ＷＤＭシステムでは、すべ
てのチャネルがほぼ同等の信号対ノイズ比を有すること
を保証することが望ましい。この同等化を達成するた
め、利得等化フィルタをシステムのさまざまな点に配置
して、各チャネルの相対パワーレベルを制御する。
【０００３】密ＷＤＭシステムは、特定のチャネル（波
長）の挿入および分岐を行うために、特別の挿入／分岐
（アド／ドロップ）マルチプレクサフィルタ（ＡＤＭ(a
dd/drop multiplexer)フィルタ）を必要とする。システ
ム内の各ノードにおいて、第１のファイバ上のある波長
が第２のファイバ上へと分岐され、第３のファイバから
のチャネルが挿入されなければならない。この作業を実
行するフィルタは、鋭いロールオフ特性を有することに
より、チャネル間のクロストークと、不完全に分岐され
たチャネルと挿入チャネルの間の干渉を最小にする。平
坦なパスバンド特性も望ましい。これにより、ソース波
長における変動に対する耐性が増大し、多くのデバイス
を連結した後にも有限なパスバンド幅を維持するからで
ある。
長）の挿入および分岐を行うために、特別の挿入／分岐
（アド／ドロップ）マルチプレクサフィルタ（ＡＤＭ(a
dd/drop multiplexer)フィルタ）を必要とする。システ
ム内の各ノードにおいて、第１のファイバ上のある波長
が第２のファイバ上へと分岐され、第３のファイバから
のチャネルが挿入されなければならない。この作業を実
行するフィルタは、鋭いロールオフ特性を有することに
より、チャネル間のクロストークと、不完全に分岐され
たチャネルと挿入チャネルの間の干渉を最小にする。平
坦なパスバンド特性も望ましい。これにより、ソース波
長における変動に対する耐性が増大し、多くのデバイス
を連結した後にも有限なパスバンド幅を維持するからで
ある。
【０００４】マッハ＝ツェンダ干渉計（ＭＺＩ(Mach-Ze
hnder interferometer)）内でブラッググレーティング
を用いたＡＤＭフィルタの提案が、T. Erdogan et al.,
"Integrated Optical Mach-Zehnder Add-Drop Filter
Fabricated by a Single UV-Induced Grating Exposur
e", Proceedings of Optical Fiber Conference, SanJo
se, CA（１９９６年２月）、に記載されている。本質的
には、このデバイスは、複数の連結されたＭＺＩからな
り（各アド／ドロップ波長ごとに１段ずつ）、各ＭＺＩ
は各アーム内にブラッググレーティングを有する。
hnder interferometer)）内でブラッググレーティング
を用いたＡＤＭフィルタの提案が、T. Erdogan et al.,
"Integrated Optical Mach-Zehnder Add-Drop Filter
Fabricated by a Single UV-Induced Grating Exposur
e", Proceedings of Optical Fiber Conference, SanJo
se, CA（１９９６年２月）、に記載されている。本質的
には、このデバイスは、複数の連結されたＭＺＩからな
り（各アド／ドロップ波長ごとに１段ずつ）、各ＭＺＩ
は各アーム内にブラッググレーティングを有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】Erdogan et al.により
提案されたフィルタは、パスバンドの平坦性、鋭いロー
ルオフおよびパスバンドにおける高い拒絶という利点を
有するが、短波長での過大な損失がある。この損失は、
放射モードとの結合によるものである。短波長損失は、
システムの適用波長範囲が大きくなると、制約要因とな
る。分岐される波長が、連結されたシステムにおける後
続の挿入チャネルと干渉しないことを保証するために
は、長いグレーティングが必要となる。この長さの増大
は、プレーナ導波路実装においては望ましくない。この
ように、改善されたスイッチ可能フィルタに対する需要
がある。
提案されたフィルタは、パスバンドの平坦性、鋭いロー
ルオフおよびパスバンドにおける高い拒絶という利点を
有するが、短波長での過大な損失がある。この損失は、
放射モードとの結合によるものである。短波長損失は、
システムの適用波長範囲が大きくなると、制約要因とな
る。分岐される波長が、連結されたシステムにおける後
続の挿入チャネルと干渉しないことを保証するために
は、長いグレーティングが必要となる。この長さの増大
は、プレーナ導波路実装においては望ましくない。この
ように、改善されたスイッチ可能フィルタに対する需要
がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、スイッ
チ可能フィルタは、入力導波路に接続された光分波器
と、１個以上の出力導波路と、複数の干渉計導波路とか
らなる。入力導波路からの多波長信号は、複数の同一の
多波長分波信号へと分波され、干渉計導波路へ送られ
る。干渉計導波路では、制御可能位相シフタおよび反射
フィルタの列が、それぞれの干渉計導波路からの特定の
波長の信号を分波器へ反射し、これがそれぞれの出力導
波路に送られる。実施例では、分波デバイスは方向性カ
プラからなり、フィルタはマッハ＝ツェンダ干渉計から
なり、フィルタの中間セクションは、少なくとも１つの
アーム上の位相シフタと、各アーム上の反射フィルタの
交互配列を有する。フィルタは、利得等化フィルタ、Ａ
ＤＭフィルタおよび光クロスコネクトにおいて特に有用
である。代替実施例では、分波デバイスは、マルチモー
ド干渉カプラまたはスターカプラとすることが可能であ
る。
チ可能フィルタは、入力導波路に接続された光分波器
と、１個以上の出力導波路と、複数の干渉計導波路とか
らなる。入力導波路からの多波長信号は、複数の同一の
多波長分波信号へと分波され、干渉計導波路へ送られ
る。干渉計導波路では、制御可能位相シフタおよび反射
フィルタの列が、それぞれの干渉計導波路からの特定の
波長の信号を分波器へ反射し、これがそれぞれの出力導
波路に送られる。実施例では、分波デバイスは方向性カ
プラからなり、フィルタはマッハ＝ツェンダ干渉計から
なり、フィルタの中間セクションは、少なくとも１つの
アーム上の位相シフタと、各アーム上の反射フィルタの
交互配列を有する。フィルタは、利得等化フィルタ、Ａ
ＤＭフィルタおよび光クロスコネクトにおいて特に有用
である。代替実施例では、分波デバイスは、マルチモー
ド干渉カプラまたはスターカプラとすることが可能であ
る。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は、利得等化フィルタとして
使用されるように構成されたスイッチ可能光フィルタ１
０の概略図である。フィルタ１０は、１対のカプラ１
４、１５の間に延びる１対の導波路アーム１２、１３か
らなるマッハ＝ツェンダ干渉計１１を有する。ＭＺＩの
中間セクション（カプラ１４、１５の間のアーム部分）
は、複数の位相シフタφ1，φ2，...，φNと、受動ブラ
ッググレーティングΛ1，Λ2，...，ΛN，ΛN+1を交互
に含む。フィルタは、反射ポートＡ、Ｂおよび透過ポー
トＣ、Ｄを有する。ブラッググレーティングは、ＵＶ誘
導ブラッググレーティングとすることが可能であり、米
国特許第５，６３６，３０７号（発明者：C. H. Henry
et al.、発行日：１９９７年６月３日）に記載されてい
るようにそれぞれ同時に両方のアームに形成される。位
相シフタは、次式のように温度に比例する位相変化を生
じる、加熱される熱−光位相シフタとすることが可能で
ある。
使用されるように構成されたスイッチ可能光フィルタ１
０の概略図である。フィルタ１０は、１対のカプラ１
４、１５の間に延びる１対の導波路アーム１２、１３か
らなるマッハ＝ツェンダ干渉計１１を有する。ＭＺＩの
中間セクション（カプラ１４、１５の間のアーム部分）
は、複数の位相シフタφ1，φ2，...，φNと、受動ブラ
ッググレーティングΛ1，Λ2，...，ΛN，ΛN+1を交互
に含む。フィルタは、反射ポートＡ、Ｂおよび透過ポー
トＣ、Ｄを有する。ブラッググレーティングは、ＵＶ誘
導ブラッググレーティングとすることが可能であり、米
国特許第５，６３６，３０７号（発明者：C. H. Henry
et al.、発行日：１９９７年６月３日）に記載されてい
るようにそれぞれ同時に両方のアームに形成される。位
相シフタは、次式のように温度に比例する位相変化を生
じる、加熱される熱−光位相シフタとすることが可能で
ある。
【数１】 ただし、ＬHtrはヒータの長さであり、ΔＴは温度変化
であり、ｄｎ／ｄＴは、基本モードの有効屈折率の、温
度に対する変化である。他の位相制御機構も使用可能で
あり、例えば、電気光学効果により位相を変化させるた
めに非線形ポリマーの小部分を導入するというものがあ
る（W. Wang et al., "40-GHz polymer electrooptic p
hase modulators", IEEE Photon Technol. Lett., Vol.
7, No.6, pp.638-640 (1995)、参照）。さらに、これら
のアーキテクチャは、ドープシリカ以外の材料系でも実
現可能である。例えば、ＧａＡｓＰの場合、電流注入を
用いて位相を変化させることが可能であり、ＬｉＮｂＯ
3の場合、電気光学効果を用いることが可能である。ま
た、例えばＵＶ光を用いてゲルマニウムおよびリンをド
ープしたシリカ導波路の屈折率の変化を引き起こすこと
により永久的に位相を設定することによって、受動デバ
イスを製造することも可能である。
であり、ｄｎ／ｄＴは、基本モードの有効屈折率の、温
度に対する変化である。他の位相制御機構も使用可能で
あり、例えば、電気光学効果により位相を変化させるた
めに非線形ポリマーの小部分を導入するというものがあ
る（W. Wang et al., "40-GHz polymer electrooptic p
hase modulators", IEEE Photon Technol. Lett., Vol.
7, No.6, pp.638-640 (1995)、参照）。さらに、これら
のアーキテクチャは、ドープシリカ以外の材料系でも実
現可能である。例えば、ＧａＡｓＰの場合、電流注入を
用いて位相を変化させることが可能であり、ＬｉＮｂＯ
3の場合、電気光学効果を用いることが可能である。ま
た、例えばＵＶ光を用いてゲルマニウムおよびリンをド
ープしたシリカ導波路の屈折率の変化を引き起こすこと
により永久的に位相を設定することによって、受動デバ
イスを製造することも可能である。
【０００８】一般に、反射出力（ＡおよびＢ）と透過出
力（ＣおよびＤ）は、パワー結合比（κ1およびκ2）、
アーム間の相対位相差、および、グレーティング特性に
依存する。Ａを入力とする反射パスに対する伝達関数は
次のとおりである。
力（ＣおよびＤ）は、パワー結合比（κ1およびκ2）、
アーム間の相対位相差、および、グレーティング特性に
依存する。Ａを入力とする反射パスに対する伝達関数は
次のとおりである。
【数２】 ただし、Ｒn（λ）は、ブラッグ波長λnのグレーティン
グの振幅反射である。各反射波長に対する全位相は次の
ようになる。
グの振幅反射である。各反射波長に対する全位相は次の
ようになる。
【数３】
【０００９】グレーティングは、そのブラッグ波長に等
しくないすべての波長を完全に透過し、ブラッグ波長を
完全に反射すると仮定する。これは、最初に最小のブラ
ッグ波長の次数でグレーティングを配置することより、
グレーティングの短波長側の透過が回避されることか
ら、実質的に実現される。出力パワーは、上記の伝達関
数の絶対値の２乗に等しい。第１のカプラが正確にκ1
＝５０％である場合、反射出力のスペクトル応答は次の
ようになる。 ｜Ａ（λn）｜2＝ｓｉｎ2（Φn／２） （５） ｜Ｂ（λn）｜2＝ｃｏｓ2（Φn／２） （６）
しくないすべての波長を完全に透過し、ブラッグ波長を
完全に反射すると仮定する。これは、最初に最小のブラ
ッグ波長の次数でグレーティングを配置することより、
グレーティングの短波長側の透過が回避されることか
ら、実質的に実現される。出力パワーは、上記の伝達関
数の絶対値の２乗に等しい。第１のカプラが正確にκ1
＝５０％である場合、反射出力のスペクトル応答は次の
ようになる。 ｜Ａ（λn）｜2＝ｓｉｎ2（Φn／２） （５） ｜Ｂ（λn）｜2＝ｃｏｓ2（Φn／２） （６）
【００１０】その結果、与えられたチャネルの出力は、
Ａ出力で完全反射することも、Ｂ出力で完全反射するこ
とも、あるいは、これらの出力間で分波されることも可
能となる。
Ａ出力で完全反射することも、Ｂ出力で完全反射するこ
とも、あるいは、これらの出力間で分波されることも可
能となる。
【００１１】利得等化について、フィルタは、Ａを入力
としＢを出力とする２ポートデバイスとして機能する。
出力ポートにおけるｎ番目の波長の反射は、位相φnを
変えて所望の値にすることによって制御される。φnお
よびφn+1を同時に変えることにより、残りのチャネル
は影響を受けなくなる。グレーティングをチャープさせ
ることにより反射バンドを広くして、いくつかのチャネ
ルを１つのグレーティングに含めることも可能である。
このようにして、個々のチャネルではなく波長バンドを
等化することが可能となる。
としＢを出力とする２ポートデバイスとして機能する。
出力ポートにおけるｎ番目の波長の反射は、位相φnを
変えて所望の値にすることによって制御される。φnお
よびφn+1を同時に変えることにより、残りのチャネル
は影響を受けなくなる。グレーティングをチャープさせ
ることにより反射バンドを広くして、いくつかのチャネ
ルを１つのグレーティングに含めることも可能である。
このようにして、個々のチャネルではなく波長バンドを
等化することが可能となる。
【００１２】図２に、ＡＤＭ機能用に構成されたスイッ
チ可能フィルタを示す。ＡＤＭフィルタ２０は、光サー
キュレータ２１、２２が一方向カプラに追加されて追加
ポートを設けていることを除いては図１のフィルタと同
様である。アド／ドロップ動作のためには、分岐される
波長に対するΦnをπに設定することにより｜Ａ｜2＝１
００％および｜Ｂ｜2＝０％としてそのチャネルを分岐
する。位相を正しく設定することにより、式（３）に基
づいて、結合比κ1とは独立に、ドロップポートでの１
００％反射およびスルー（透過）ポートでの０％反射を
得ることが可能である。光サーキュレータ２０、２１
は、それぞれ、入力からドロップチャネルを分離し、ア
ドチャネルからスルー出力を分離するために必要であ
る。光サーキュレータは、ディスクリートな部品である
ことも、プレーナ導波路に集積化されることも可能であ
る。
チ可能フィルタを示す。ＡＤＭフィルタ２０は、光サー
キュレータ２１、２２が一方向カプラに追加されて追加
ポートを設けていることを除いては図１のフィルタと同
様である。アド／ドロップ動作のためには、分岐される
波長に対するΦnをπに設定することにより｜Ａ｜2＝１
００％および｜Ｂ｜2＝０％としてそのチャネルを分岐
する。位相を正しく設定することにより、式（３）に基
づいて、結合比κ1とは独立に、ドロップポートでの１
００％反射およびスルー（透過）ポートでの０％反射を
得ることが可能である。光サーキュレータ２０、２１
は、それぞれ、入力からドロップチャネルを分離し、ア
ドチャネルからスルー出力を分離するために必要であ
る。光サーキュレータは、ディスクリートな部品である
ことも、プレーナ導波路に集積化されることも可能であ
る。
【００１３】図２において、対応するグレーティングの
ないチャネルはポートＤから出力される。スルーポート
出力とポートＤの出力を、カプラを用いて結合して、両
方のチャネルのセットを単一のファイバ上に多重化する
ことも可能である。しかし、この場合、スルーポートの
チャネル出力がポートＤ出力と結合するときにマルチパ
ス干渉を受けないように、グレーティングの透過特性は
高度の分離を達成していなければならない。同じ注意
は、ポートＤ出力をドロップ出力と結合する場合にも当
てはまる。
ないチャネルはポートＤから出力される。スルーポート
出力とポートＤの出力を、カプラを用いて結合して、両
方のチャネルのセットを単一のファイバ上に多重化する
ことも可能である。しかし、この場合、スルーポートの
チャネル出力がポートＤ出力と結合するときにマルチパ
ス干渉を受けないように、グレーティングの透過特性は
高度の分離を達成していなければならない。同じ注意
は、ポートＤ出力をドロップ出力と結合する場合にも当
てはまる。
【００１４】従来の単一段ＭＺＩフィルタに比べて、本
発明のアーキテクチャの利点は、スルー出力はグレーテ
ィングの反射特性のみに依存し、透過特性には依存しな
いため、短いグレーティングしか必要としない点であ
る。反射のみで動作することにより、放射モード結合の
問題が回避される。反射パスに位相制御を適用すること
によって、透過型の場合に比べて半分の位相変化しか必
要としないため、従来のＭＺＩにおいて熱−光位相シフ
タを用いたスイッチに比べて、半分のヒータパワーしか
必要としない。例えばチャーピングにより、グレーティ
ングの反射バンドを広げることによって、チャネルごと
にのみ動作する代わりに、波長のバンドを挿入および分
岐することが可能となる。これはさらにデバイス全体を
短くし、システム設計の自由度を追加する。
発明のアーキテクチャの利点は、スルー出力はグレーテ
ィングの反射特性のみに依存し、透過特性には依存しな
いため、短いグレーティングしか必要としない点であ
る。反射のみで動作することにより、放射モード結合の
問題が回避される。反射パスに位相制御を適用すること
によって、透過型の場合に比べて半分の位相変化しか必
要としないため、従来のＭＺＩにおいて熱−光位相シフ
タを用いたスイッチに比べて、半分のヒータパワーしか
必要としない。例えばチャーピングにより、グレーティ
ングの反射バンドを広げることによって、チャネルごと
にのみ動作する代わりに、波長のバンドを挿入および分
岐することが可能となる。これはさらにデバイス全体を
短くし、システム設計の自由度を追加する。
【００１５】図３に示すように、いくつかのスイッチ可
能フィルタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを、サーキュレータ
を介して直列接続して、光クロスコネクト機能を提供す
ることができる。光サーキュレータは、各出力ポートに
必要である。ファイバ＃３から分岐される波長のセット
はファイバ＃２のフィルタに渡される。ファイバ＃２に
挿入される波長はその出力ポートで反射され、他の波長
は通過してそのドロップポートに送られ、ファイバ＃１
のフィルタに進む。このフィルタの連結は、任意個数
（Ｍ個）のファイバに対して行うことが可能である。そ
の場合、ファイバ＃１からの分岐チャネルは、ファイバ
＃Ｍのアド入力に送られる。
能フィルタ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを、サーキュレータ
を介して直列接続して、光クロスコネクト機能を提供す
ることができる。光サーキュレータは、各出力ポートに
必要である。ファイバ＃３から分岐される波長のセット
はファイバ＃２のフィルタに渡される。ファイバ＃２に
挿入される波長はその出力ポートで反射され、他の波長
は通過してそのドロップポートに送られ、ファイバ＃１
のフィルタに進む。このフィルタの連結は、任意個数
（Ｍ個）のファイバに対して行うことが可能である。そ
の場合、ファイバ＃１からの分岐チャネルは、ファイバ
＃Ｍのアド入力に送られる。
【００１６】図４は、スルーポート透過｜Ｂ｜2および
ドロップポート分離｜Ａ｜2の、結合比κ1に対する依存
性を示すグラフである。光クロスコネクトアーキテクチ
ャの場合、ドロップポートにおけるスルーチャネルの高
い分離、および、スルーポートにおけるドロップチャネ
ルの高い分離が所望される。しかし、理解されるよう
に、ドロップポートにおけるスルーチャネルの分離は、
結合比κ1に依存する。結合比が５０％±０．５％の範
囲内にあれば、ドロップポートにおける４０ｄＢの分離
およびスルーポートにおける非常に低い損失が達成され
る。公称の結合比がκ＝５０％の場合、製造変動により
±５％のレベルの不確定さが導入される。これは、達成
可能な分離を２０ｄＢまでに制限する。別の問題とし
て、カプラの波長依存性がある。図５に、１５５０ｎｍ
における５０％分波用に設計された代表的なカプラの場
合を示す。波長依存性は、２０ｎｍにわたり±２％の変
動を追加し、その結果、κ＝５０％のカプラの場合で
も、アド／ドロップフィルタに対して問題となる波長範
囲にわたって３０ｄＢまでに分離が制限される。
ドロップポート分離｜Ａ｜2の、結合比κ1に対する依存
性を示すグラフである。光クロスコネクトアーキテクチ
ャの場合、ドロップポートにおけるスルーチャネルの高
い分離、および、スルーポートにおけるドロップチャネ
ルの高い分離が所望される。しかし、理解されるよう
に、ドロップポートにおけるスルーチャネルの分離は、
結合比κ1に依存する。結合比が５０％±０．５％の範
囲内にあれば、ドロップポートにおける４０ｄＢの分離
およびスルーポートにおける非常に低い損失が達成され
る。公称の結合比がκ＝５０％の場合、製造変動により
±５％のレベルの不確定さが導入される。これは、達成
可能な分離を２０ｄＢまでに制限する。別の問題とし
て、カプラの波長依存性がある。図５に、１５５０ｎｍ
における５０％分波用に設計された代表的なカプラの場
合を示す。波長依存性は、２０ｎｍにわたり±２％の変
動を追加し、その結果、κ＝５０％のカプラの場合で
も、アド／ドロップフィルタに対して問題となる波長範
囲にわたって３０ｄＢまでに分離が制限される。
【００１７】結合比の製造変動および波長依存性の両方
を克服するためには、図６のアーキテクチャが好まし
い。調整可能な位相シフタφ0を有するＭＺＩ５０をフ
ロントエンドに追加することによって、５０％の所望値
からのカプラκ0およびκ1のずれは、位相φ0を変える
ことによって補償することができる。φ0を適当に設定
すると、ＡまたはＢのいずれかの入力ポートからのパワ
ーは、出力ポートＣとＤの間で等しく分波される。その
後の位相は、ＡまたはＢのいずれかの出力ポートへ、対
応する波長を送り、不要な出力ポートの波長を完全に無
効にするように、設定することができる。１５５０ｎｍ
でκ0≠κ1≠５０％のＭＺＩに対する有効結合比を図５
で波線で示す。波長依存性は、単一のカプラよりも大幅
に縮小される。さらに、κ0≠κ1≠５０％の場合でも、
κ0およびκ1が１５％〜８５％の範囲（これは、製造変
動よりもずっと大きい。）にある限り、出力ポートへの
実効的に５０％の分波を行う適当な位相が見つかる。
を克服するためには、図６のアーキテクチャが好まし
い。調整可能な位相シフタφ0を有するＭＺＩ５０をフ
ロントエンドに追加することによって、５０％の所望値
からのカプラκ0およびκ1のずれは、位相φ0を変える
ことによって補償することができる。φ0を適当に設定
すると、ＡまたはＢのいずれかの入力ポートからのパワ
ーは、出力ポートＣとＤの間で等しく分波される。その
後の位相は、ＡまたはＢのいずれかの出力ポートへ、対
応する波長を送り、不要な出力ポートの波長を完全に無
効にするように、設定することができる。１５５０ｎｍ
でκ0≠κ1≠５０％のＭＺＩに対する有効結合比を図５
で波線で示す。波長依存性は、単一のカプラよりも大幅
に縮小される。さらに、κ0≠κ1≠５０％の場合でも、
κ0およびκ1が１５％〜８５％の範囲（これは、製造変
動よりもずっと大きい。）にある限り、出力ポートへの
実効的に５０％の分波を行う適当な位相が見つかる。
【００１８】以上説明した２入力２出力アーキテクチャ
は、Ｎ×Ｎデバイスを作成するように一般化することが
できる。Ｎ×Ｎの場合、方向性カプラは、スターカプラ
またはマルチモード干渉（ＭＭＩ(Multi-Mode Interfer
ence)）カプラのいずれかで置き換えられる。
は、Ｎ×Ｎデバイスを作成するように一般化することが
できる。Ｎ×Ｎの場合、方向性カプラは、スターカプラ
またはマルチモード干渉（ＭＭＩ(Multi-Mode Interfer
ence)）カプラのいずれかで置き換えられる。
【００１９】図７は、４×４ＭＭＩカプラ７０を用いた
スイッチ可能フィルタの代替実施例である。ＭＭＩの構
造および動作は周知である（L. Soldano et al., "Opti
calMulti-Mode Interference Devices Based on Self-I
maging: Principles and Applications", J. of Light.
Technol., vol.13, no.4, pp.615-627, 1995、参
照）。与えられた入力ファイバ７１上のすべてのチャネ
ルが、デバイスの左上から入る。ＭＭＩカプラの長さ
は、Ｎ個の像が右側に形成されるように設計される。こ
の長さは、おおよそは、Ｌ≒４ｎcｗe 2／Ｎλで与えら
れる。ただし、ｎcはコアの屈折率であり、ｗeはカプラ
の実効幅であり、λはチャネルの平均波長であり、Ｎは
出力の数である。右側の各導波路（例えば７２、７３、
７４、７５）は、位相シフタφiとブラッググレーティ
ングΛiを交互に含む。（これらの導波路を干渉計導波
路と呼ぶことがある。）グレーティングΛiから反射し
カプラを透過して戻ってくると、再結合する信号間の位
相差が焦点を決定し、その結果、特定の波長が進むそれ
ぞれの出力導波路７６，７７，７８，...が決定され
る。右側の各導波路における反射光の相対位相差を変え
ることによって、出力ポートを変えることができる。位
相関係は次のとおりである。
スイッチ可能フィルタの代替実施例である。ＭＭＩの構
造および動作は周知である（L. Soldano et al., "Opti
calMulti-Mode Interference Devices Based on Self-I
maging: Principles and Applications", J. of Light.
Technol., vol.13, no.4, pp.615-627, 1995、参
照）。与えられた入力ファイバ７１上のすべてのチャネ
ルが、デバイスの左上から入る。ＭＭＩカプラの長さ
は、Ｎ個の像が右側に形成されるように設計される。こ
の長さは、おおよそは、Ｌ≒４ｎcｗe 2／Ｎλで与えら
れる。ただし、ｎcはコアの屈折率であり、ｗeはカプラ
の実効幅であり、λはチャネルの平均波長であり、Ｎは
出力の数である。右側の各導波路（例えば７２、７３、
７４、７５）は、位相シフタφiとブラッググレーティ
ングΛiを交互に含む。（これらの導波路を干渉計導波
路と呼ぶことがある。）グレーティングΛiから反射し
カプラを透過して戻ってくると、再結合する信号間の位
相差が焦点を決定し、その結果、特定の波長が進むそれ
ぞれの出力導波路７６，７７，７８，...が決定され
る。右側の各導波路における反射光の相対位相差を変え
ることによって、出力ポートを変えることができる。位
相関係は次のとおりである。
【数４】 ただし、ｊは、右側の導波路の下からｊ番目を表す。光
は位相シフタを２度通るため、式（７）および（８）に
おける相対位相は、透過動作のデバイスに要求されるも
のの半分である。デバイスの性能に影響を与えることな
く、すべてのポートに一定の位相因子を加えることが可
能である。各出力の位相を、４×４の場合に表１に示
す。
は位相シフタを２度通るため、式（７）および（８）に
おける相対位相は、透過動作のデバイスに要求されるも
のの半分である。デバイスの性能に影響を与えることな
く、すべてのポートに一定の位相因子を加えることが可
能である。各出力の位相を、４×４の場合に表１に示
す。
【表１】 ポート間の最大相対位相差が、必要な最大位相シフトを
決定する。個々の位相シフタによって生成されなければ
ならない最大位相差、すなわち、ｍａｘ（φj）−ｍｉ
ｎ（φj）は、５π／８である。熱−光ヒータの場合、
２πの位相変化には一般に約１Ｗを必要とする。この例
の場合、ヒータの最大パワーは約０．３Ｗで済む。
決定する。個々の位相シフタによって生成されなければ
ならない最大位相差、すなわち、ｍａｘ（φj）−ｍｉ
ｎ（φj）は、５π／８である。熱−光ヒータの場合、
２πの位相変化には一般に約１Ｗを必要とする。この例
の場合、ヒータの最大パワーは約０．３Ｗで済む。
【００２０】同様に、Ｎ×Ｎアド／ドロップは、図８に
示すようにスターカプラ８０を用いて構成することがで
きる。スターカプラの構造および動作は周知である（C.
Dragone, "Efficient NXN star coupler based on Fou
rier Optics", ElectronicsLett., vol.24, no.15, pp.
942-944 (1988)、参照）。グレーティングΛiから反射
した光は、カプラの回折領域に再入する。アレイにわた
る線形の位相により、光は、出力導波路のうちの１つに
集光する。線形位相シフトを変えることによって、異な
る出力導波路が選択される。一般に、高い次数のアレイ
が使用される。これは、アレイ内の各導波路間に経路長
差が存在することを意味する。経路長差ΔＬは、透過型
合分波デバイスで用いられる波長依存集光を提供する。
しかし、図８のアーキテクチャでは、波長依存性はグレ
ーティングによって提供されるため、各アレイ導波路の
光路長を等しくすることができる。すべてのアレイ導波
路からの光が強め合って干渉する点として焦点が求めら
れ、それは次式で与えられる。 ｍλ＝ｄｎsｓｉｎθj＋ΔｎeＬHtr＋ｎeΔＬ （９） ただし、ｊはｊ番目の出力導波路を表し、ｎsはスラブ
屈折率であり、ΔｎeはＬ Htrの位相シフタ長にわたる有
効屈折率変化であり、ｄはアレイ導波路間の間隔であ
り、θj＝ｊΔｘ／Ｒであり、Δｘは出力導波路間の間
隔であり、Ｒはスターカプラにおける対象と像の間の距
離であり、ΔＬはアレイ導波路間の経路長差であり、ｍ
は整数でアレイの次数ともいう。ｍλ＝ｎeΔＬと仮定
すると、アレイ導波路ごとの次の位相シフトが式（９）
から計算される。
示すようにスターカプラ８０を用いて構成することがで
きる。スターカプラの構造および動作は周知である（C.
Dragone, "Efficient NXN star coupler based on Fou
rier Optics", ElectronicsLett., vol.24, no.15, pp.
942-944 (1988)、参照）。グレーティングΛiから反射
した光は、カプラの回折領域に再入する。アレイにわた
る線形の位相により、光は、出力導波路のうちの１つに
集光する。線形位相シフトを変えることによって、異な
る出力導波路が選択される。一般に、高い次数のアレイ
が使用される。これは、アレイ内の各導波路間に経路長
差が存在することを意味する。経路長差ΔＬは、透過型
合分波デバイスで用いられる波長依存集光を提供する。
しかし、図８のアーキテクチャでは、波長依存性はグレ
ーティングによって提供されるため、各アレイ導波路の
光路長を等しくすることができる。すべてのアレイ導波
路からの光が強め合って干渉する点として焦点が求めら
れ、それは次式で与えられる。 ｍλ＝ｄｎsｓｉｎθj＋ΔｎeＬHtr＋ｎeΔＬ （９） ただし、ｊはｊ番目の出力導波路を表し、ｎsはスラブ
屈折率であり、ΔｎeはＬ Htrの位相シフタ長にわたる有
効屈折率変化であり、ｄはアレイ導波路間の間隔であ
り、θj＝ｊΔｘ／Ｒであり、Δｘは出力導波路間の間
隔であり、Ｒはスターカプラにおける対象と像の間の距
離であり、ΔＬはアレイ導波路間の経路長差であり、ｍ
は整数でアレイの次数ともいう。ｍλ＝ｎeΔＬと仮定
すると、アレイ導波路ごとの次の位相シフトが式（９）
から計算される。
【数５】
【００２１】分母の係数２は、各位相シフタを２回通る
ことから生じる。Ｒ＝６００μｍ、Δｘ＝ｄ＝２０μ
ｍ、ＬHtr＝５ｍｍおよびｎs＝１．４５の場合、ｊ＝１
に対して９６×１０-6の屈折率変化が必要であり、これ
は、０．６２πの位相変化に対応する。
ことから生じる。Ｒ＝６００μｍ、Δｘ＝ｄ＝２０μ
ｍ、ＬHtr＝５ｍｍおよびｎs＝１．４５の場合、ｊ＝１
に対して９６×１０-6の屈折率変化が必要であり、これ
は、０．６２πの位相変化に対応する。
【００２２】以上のアーキテクチャの顕著な利点は、単
一のファイバから１つまたは複数のファイバへ複数の波
長を分岐することができること、および、いくつかのフ
ァイバから１つの共通のファイバへ複数の波長を挿入す
ることができることである。アド／ドロップファイバ間
では波長は重複していないと仮定する。上記のアーキテ
クチャは各ファイバ対が合分波デバイスを有することを
要求する。さらに、トランクファイバは、出力へ波長を
通すため、または、波長をドロップし別の信号を挿入す
るために、合／分波器の間にスイッチを有していなけれ
ばならない。グレーティング／位相シフタによるアーキ
テクチャは、単純化された低損失のアド／ドロップを提
供する。
一のファイバから１つまたは複数のファイバへ複数の波
長を分岐することができること、および、いくつかのフ
ァイバから１つの共通のファイバへ複数の波長を挿入す
ることができることである。アド／ドロップファイバ間
では波長は重複していないと仮定する。上記のアーキテ
クチャは各ファイバ対が合分波デバイスを有することを
要求する。さらに、トランクファイバは、出力へ波長を
通すため、または、波長をドロップし別の信号を挿入す
るために、合／分波器の間にスイッチを有していなけれ
ばならない。グレーティング／位相シフタによるアーキ
テクチャは、単純化された低損失のアド／ドロップを提
供する。
【００２３】このように、本発明によれば、分波デバイ
スを反射型波長選択フィルタおよび広帯域位相シフタと
組み合わせた新しいクラスのフィルタにより、波長選択
性の干渉によるスイッチングを実行することが可能とな
る。この新しいフィルタは、導波光ビームを複数のほぼ
同一の導波ビームに分波する光分波デバイスを有する。
分波デバイスの例としては、方向性カプラ、マッハ＝ツ
ェンダ干渉計、マルチモード干渉カプラおよびスターカ
プラがある。このデバイスは一般に、３つの導波路セッ
トを有する。第１のセットは、分波器に接続され、多波
長導波光信号をフィルタリングするための入力導波路か
らなる。第２のセットは、分波器に接続され、分波によ
り生成された複数のビームを受け取る複数の導波路（干
渉計導波路ともいう。）からなる。干渉計導波路は、位
相シフタと反射フィルタ（例えばブラッググレーティン
グ）の交互配列を有する。反射フィルタは、特定の干渉
計導波路からの特定の波長を分波器へ反射する。第３の
セットは出力導波路であり、それぞれ反射された波長を
受け取るために分波器に接続される。
スを反射型波長選択フィルタおよび広帯域位相シフタと
組み合わせた新しいクラスのフィルタにより、波長選択
性の干渉によるスイッチングを実行することが可能とな
る。この新しいフィルタは、導波光ビームを複数のほぼ
同一の導波ビームに分波する光分波デバイスを有する。
分波デバイスの例としては、方向性カプラ、マッハ＝ツ
ェンダ干渉計、マルチモード干渉カプラおよびスターカ
プラがある。このデバイスは一般に、３つの導波路セッ
トを有する。第１のセットは、分波器に接続され、多波
長導波光信号をフィルタリングするための入力導波路か
らなる。第２のセットは、分波器に接続され、分波によ
り生成された複数のビームを受け取る複数の導波路（干
渉計導波路ともいう。）からなる。干渉計導波路は、位
相シフタと反射フィルタ（例えばブラッググレーティン
グ）の交互配列を有する。反射フィルタは、特定の干渉
計導波路からの特定の波長を分波器へ反射する。第３の
セットは出力導波路であり、それぞれ反射された波長を
受け取るために分波器に接続される。
【００２４】動作時には、まず、光入力は分波デバイス
の複数の出力アームへ、波長とは独立に分波される。位
相シフタと、同一の波長選択性反射フィルタ（例えばブ
ラッググレーティング）が各アームに導入される。各位
相シフタを適当に設定することによって、反射信号は所
望のアームに送られる。他の波長は影響を受けずに最初
のフィルタを通過し、アーム間の相対位相変化を受け
る。次に、別の位相シフタとフィルタの組合せを用い
て、第２の波長範囲の出力を制御する。以下同様であ
る。位相シフタの設定は、分波器に依存するため、アー
キテクチャによって異なる。
の複数の出力アームへ、波長とは独立に分波される。位
相シフタと、同一の波長選択性反射フィルタ（例えばブ
ラッググレーティング）が各アームに導入される。各位
相シフタを適当に設定することによって、反射信号は所
望のアームに送られる。他の波長は影響を受けずに最初
のフィルタを通過し、アーム間の相対位相変化を受け
る。次に、別の位相シフタとフィルタの組合せを用い
て、第２の波長範囲の出力を制御する。以下同様であ
る。位相シフタの設定は、分波器に依存するため、アー
キテクチャによって異なる。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、新
しいスイッチ可能光フィルタは、利得等化器、アド／ド
ロップマルチプレクサあるいはクロスコネクトとして作
用することが可能である。これは、能動的な調整が可能
であり、各チャネルを独立に変えることができる。アー
キテクチャは、グレーティングの反射特性にのみ基づ
き、２、３個の方向性カプラを有するのみであるため、
コンパクトである。これにより、このスイッチは、プレ
ーナ導波路実装に有効である。広いグレーティングを設
けることにより、単一の波長チャネルの代わりに波長バ
ンドを操作することが可能となるため、必要なグレーテ
ィング／位相シフタの対の数が削減される。フィルタは
低損失でもある。ＭＺＩアームにおける完全な５０％分
波は、各カプラの製造変動があっても実現可能である。
これにより、クロストークは許容可能なレベルにまで低
減され、クロストークの波長依存性が減少する。このア
ーキテクチャは、分波デバイスとしてＭＭＩおよびスタ
ーカプラの両方を用いることにより１×Ｎの場合にも拡
張されている。
しいスイッチ可能光フィルタは、利得等化器、アド／ド
ロップマルチプレクサあるいはクロスコネクトとして作
用することが可能である。これは、能動的な調整が可能
であり、各チャネルを独立に変えることができる。アー
キテクチャは、グレーティングの反射特性にのみ基づ
き、２、３個の方向性カプラを有するのみであるため、
コンパクトである。これにより、このスイッチは、プレ
ーナ導波路実装に有効である。広いグレーティングを設
けることにより、単一の波長チャネルの代わりに波長バ
ンドを操作することが可能となるため、必要なグレーテ
ィング／位相シフタの対の数が削減される。フィルタは
低損失でもある。ＭＺＩアームにおける完全な５０％分
波は、各カプラの製造変動があっても実現可能である。
これにより、クロストークは許容可能なレベルにまで低
減され、クロストークの波長依存性が減少する。このア
ーキテクチャは、分波デバイスとしてＭＭＩおよびスタ
ーカプラの両方を用いることにより１×Ｎの場合にも拡
張されている。
【図１】利得等化フィルタとして使用されるように構成
されたスイッチ可能光フィルタの概略図である。
されたスイッチ可能光フィルタの概略図である。
【図２】ＡＤＭフィルタとして使用されるように構成さ
れたスイッチ可能光フィルタの概略図である。
れたスイッチ可能光フィルタの概略図である。
【図３】ＷＤＭシステム用の光クロスコネクト構成にお
けるスイッチ可能光フィルタの使用法の図である。
けるスイッチ可能光フィルタの使用法の図である。
【図４】スイッチ可能光フィルタに関して、結合比に対
するスルーポートの透過およびドロップポートの分離の
依存性を示すグラフ図である。
するスルーポートの透過およびドロップポートの分離の
依存性を示すグラフ図である。
【図５】例示的なスイッチ可能光フィルタの波長依存性
を示すグラフ図である。
を示すグラフ図である。
【図６】図３のクロスコネクトアーキテクチャにおいて
特に有用な、高い分離形式のスイッチ可能光フィルタの
図である。
特に有用な、高い分離形式のスイッチ可能光フィルタの
図である。
【図７】マルチモード干渉カプラを用いたスイッチ可能
光フィルタの代替実施例の概略図である。
光フィルタの代替実施例の概略図である。
【図８】スターカプラを用いたフィルタの代替実施例の
概略図である。
概略図である。
１０ 利得等化フィルタ １１ マッハ＝ツェンダ干渉計 １２ 導波路アーム １３ 導波路アーム １４ カプラ １５ カプラ ２０ ＡＤＭフィルタ ２０Ａ スイッチ可能フィルタ ２０Ｂ スイッチ可能フィルタ ２０Ｃ スイッチ可能フィルタ ２１ 光サーキュレータ ２２ 光サーキュレータ ５０ ＭＺＩ ７０ ４×４ＭＭＩカプラ ７１ 入力ファイバ ７２ 干渉計導波路 ７３ 干渉計導波路 ７４ 干渉計導波路 ７５ 干渉計導波路 ７６ 出力導波路 ７７ 出力導波路 ７８ 出力導波路 ８０ スターカプラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ.
Claims (15)
- 【請求項１】 １対の方向性カプラの間に延びる１対の
光導波路アームからなるマッハ＝ツェンダ干渉計を有す
る光フィルタにおいて、 前記１対の光導波路アームは、少なくとも一方のアーム
上の位相シフタと、各アーム上に１個ずつの反射フィル
タ対からなる交互配列を有することを特徴とする光フィ
ルタ。 - 【請求項２】 前記反射フィルタ対を構成する２個の反
射フィルタは同じ波長を反射することを特徴とする請求
項１に記載の光フィルタ。 - 【請求項３】 隣り合う反射フィルタ対は異なる波長を
反射することを特徴とする請求項１に記載の光フィル
タ。 - 【請求項４】 前記位相シフタは制御可能位相シフタで
あることを特徴とする請求項１に記載の光フィルタ。 - 【請求項５】 前記反射フィルタはブラッググレーティ
ングであることを特徴とする請求項１に記載の光フィル
タ。 - 【請求項６】 前記１対の方向性カプラの一方の方向性
カプラは、少なくとも１つの光サーキュレータに接続さ
れ、追加ポートを提供することを特徴とする請求項１に
記載の光フィルタ。 - 【請求項７】 前記方向性カプラの各アームはそれぞれ
光サーキュレータに接続され、１対の入力ポートおよび
１対の出力ポートを提供することを特徴とする請求項６
に記載の光フィルタ。 - 【請求項８】 請求項７に記載の光フィルタを複数個、
前記光サーキュレータにより接続して、複数の光ファイ
バを相互接続することを特徴とする光クロスコネクト。 - 【請求項９】 追加の方向性カプラと、 前記１対の方向性カプラの一方の方向性カプラに接続さ
れた制御可能位相シフタとをさらに有し、入力導波ビー
ムの等分分波を容易にしたことを特徴とする請求項１に
記載の光フィルタ。 - 【請求項１０】 光分波器と、 前記光分波器に接続された入力導波路、複数の干渉計導
波路および１個以上の出力導波路とからなるスイッチ可
能光フィルタにおいて、 前記光分波器は、前記入力導波路から、波長λ1，
λ2，...，λi，...，λnからなる多波長光信号を受信
し、該信号を複数の多波長分波信号へと分波し、 前記光分波器は、前記多波長分波信号を各干渉計導波路
へ供給し、 前記干渉計導波路は、制御可能位相シフタおよび反射フ
ィルタを有し、各干渉計導波路は前記光分波器へそれぞ
れの反射波長λiの反射波長信号を反射し、 前記光分波器は、前記反射波長信号をそれぞれの出力導
波路へ送ることにより、特定の波長λiの信号がフィル
タリングされてそれぞれの出力導波路に現われることを
特徴とするスイッチ可能光フィルタ。 - 【請求項１１】 前記分波器は方向性カプラからなるこ
とを特徴とする請求項１０に記載の光フィルタ。 - 【請求項１２】 前記分波器はスターカプラからなるこ
とを特徴とする請求項１０に記載の光フィルタ。 - 【請求項１３】 前記分波器はマルチモード干渉カプラ
からなることを特徴とする請求項１０に記載の光フィル
タ。 - 【請求項１４】 前記入力導波路に接続された光サーキ
ュレータをさらに有することを特徴とする請求項１０に
記載の光フィルタ。 - 【請求項１５】 前記出力導波路に接続された光サーキ
ュレータをさらに有することを特徴とする請求項１０に
記載の光フィルタ。
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