JP2001515231A - 光伝送に関する装置および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
やデータ・ネットワークのような光通信システムにおいて用いられるべき装置お
よび方法に関する。本発明はまた、波長分割多重(wavelength−di
vision multiplexing)(WDM)を実現する光通信システ
ムに関する。
いては、高容量および高速度についての要件が着実に増大している。容量および
速度は、光ファイバーの形での伝送ラインを経て、光信号としての情報の伝送を
通して、向上することができることが認識されている。波長分割多重(WDM)
は、現存のおよび将来の光ファイバー・ラインの容量を増大するのに魅力的なや
り方である。WDMを用いるシステムにおいて、異なる目的地に向けられたデー
タ信号を搬送する多重光搬送波が、単一光ファイバーを通して伝送される。WD
Mには、異なる波長を異なるチャンネルに指定することを通して、光ファイバー
において利用できる巨大な波長範囲(周波数領域)という利点がある。そして、
一つのかつ同じデバイスにおいて、異なる波長の分離のためにいくつかの波長を
組み合わせる多重化デバイス(multiplexing devices)が
必要とされる。現実の光ネットワークであって、ポイントからポイントへのリン
クのみではないものを構築するためには、中間の、電気信号への変換のない光信
号が転送されるのを可能とする経路指定デバイス(routing devic
es)が必要とされる。
ゆる光アッド−ドロップ・マルチプレクサ(Optical Add−Drop
Multiplexer)(OADM)である。OADMの基本機能は、ドロ
ップ機能に対応して入力光信号から一つの波長チャンネルを分離し、そしてアッ
ド機能に対応して、同じ波長で別の信号にその波長チャンネルを置き換えること
である。これまで種々のデバイスが提案されており、例えば、ファイバーにおけ
るブラッグ格子(Bragg gratings)に基づくものであったり、L
iNbO3における音響−光的効果(acousto−optic effec t)の使用に基づくものであったりする。別の周知のデバイスは、デマルチプレ
クサを用いてチャンネルを分離するものであり、波長アッド/ドロップ選択のた
めに2バイ2のスイッチが用いられており、一方、そのチャンネルの再結合のた
めに別のデマルチプレクサが用いられている。これは、3つの配列導波管デマル
チプレクサ(arrayed−waveguide demultiplexe
rs)および16の熱−光的(thermo−optic)スイッチを用いて、
16チャンネル用にSiO2/Siにおけるチップ上に集積されている。このこ とは、例えば、K.オカモトらによる「シリカ(石英)をベースとした配列導波
管格子を用いる16チャンネル光アッド/ドロップ・マルチプレクサ(16−c
hannel optical add/drop multiplexer
using silica−based arrayed−waveguide
gratings)」エレクトロン・レター第31(9)巻(Electro
n.Lett.,vol.31(9))1995年4月27日発行第723〜7
24頁に記述されている。別の集積化OADMデバイスが、C.G.Mヴリーバ
ーグら(C.G.M.Vreeburg et al.)による「最初のInP
をベースとした再構成可能な集積アッド−ドロップ・マルチプレクサ(Firs
t InP−based reconfigurable integrate
d add−drop multiplexer)」IEEEフォトン・テクノ
ロジー・レター第9(2)巻(IEEE Photon.Technol.Le
tt.,vol.9(2))1997年2月発行第188〜190頁に記述され
ており、それには、一つのループバック構成(loopback config
uration)の配列導波管デマルチプレクサと4つの電気−光的(elec
tro−optic)マッハツェンダ(Mach−Zehnder)スイッチの
みを用いるInPにおける4チャンの集積化OADMが記述されている。
れたMMI−MZI構成を用いる新規なInPをベースとした位相アレイ波長デ
マルチプレクサ(Novel InP−based phased−array
wavelength demultiplexer using a ge
neralized MMI−MZI configuration)」なる第
7回ヨーロッパ集積光学会議会報(Proc. 7th Eur. Conf.
on Int. Opt.)(ECIO’95)」論文WeA2の第275〜
278頁および、WO95/22070の「位相アレイを備える光デバイス(O
ptical device with phased array)」に、位
相制御が可能とされておらず、スイッチングを全く行うことのできないMMI−
MZI(Multi−Mode Interference−multiple
Mach−Zehnder Interferoeter)(多重モード干渉
−多重マッハツェンダ干渉計)のデマルチプレクサが記述されている。そのよう
なデバイスの製作許容誤差は非常に厳しく、デバイスを製作するのが困難となっ
ており、繰り返して要件を満たすように製作するのがほとんど不可能となってい
る。幾分わずかな相転移が記述されているが、それは単に、製作の偏差を埋め合
わせることを意図しているものに過ぎず、それは、製作許容誤差が極端に厳しい
デバイスにおいては必要なものである。さらには、AlGaAs/GaAsにお
けるMMIをベースとしたスイッチという、R.M.ジェンキンズら(R.M.
Jenkins et al.)による「自己画像多重モードGaAs/AlG
aAs導波管を用いた新規な1xNおよびNxN集積化光スイッチ(Novel
1xN and NxN integrated optical swit
ches using self−imaging multimode Ga
As/AlGaAs waveguides)」応用物理レター第64(6)巻
(Appl. Phys. Lett., vol.64(6))1994年2
月7日発行第684〜686頁のようなデバイスが知られている。しかしながら
、大きな波長範囲にわたって、スイッチは本質的に波長から独立している。さら
には、種々の固定波長デマルチプレクサが知られている。
れているが、全て、複雑であり過ぎるとか、多くの異なる素子からなっていると
か、製作するのが困難であるとか、固定波長デバイスであるとかといった、異な
る欠点を被っている。
・フィルターが示されている。しかしながら、このデバイスにおいては、固定波
長マルチプレクサが用いられており、波長は変えることができない。スイッチン
グ機能を備えるものとするために、スイッチを加えなければならないであろうが
、とりわけ製作するのが容易で安価ではなく、また充分には小さくない複雑なデ
バイスとなってしまうであろう。さらに、波長は、製作段階で既に設定されてし
まっている。
ためのそれぞれ装置および方法である。さらには、小さい経路指定装置が必要で
ある。さらにはまた、フレキシブルであってかつ製作するのが容易くコンパクト
で複雑ではなく、その製作が費用効率の良い装置が必要である。とりわけ、電気
信号への中間変換無く、光信号の転送を可能とする経路指定および/または(デ
)マルチプレクシングのための装置が必要である。さらにまた、多数の構成部品
およびファイバー接続を必要とすることなく、デマルチプレクシングおよび経路
指定の備えられる装置が必要である。
ュニケーションのために用いることのできる装置もまた必要である。
ある。
のための装置が備わる波長分割多重システムもまた必要である。
必要である。
の装置が提供され、それは入力および出力導波管を備える光アッド−ドロップ多
重化装置からなり、また入力および出力を備える経路指定デバイスからなる。経
路指定デバイスには、数多くの入力を備える分割手段(splitting m
eans)が含まれている。経路指定デバイスにはさらに、数多くの出力を備え
る結合手段(combining means)からなる。分割および結合手段
の間には、多数の分岐導波管が配列されている。波長デマルチプレクシング/マ
ルチプレキシングおよびスイッチングの双方が、前記経路指定デバイスによって
備えられている。利点のある実施例において、装置は単一チップ上に集積されて
おり、さらに利点があるように、それはモノリシックに製作されている。
ード干渉結合器(multimode interference coupl
er)(MMI)、多重モード干渉−多重中継(multiple legs)
を備えるマッハツェンダ干渉計からなる経路指定デバイスからなる。特に利点の
ある実施例においては、ドロップされるおよび/またはアッドされるべき波長が
選択可能であるように、装置は波長同調が可能である。
waveguides)が、位相制御(推移)手段(phase contr
ol(shifting)means)によって制御可能であるものに存する。
位相推移手段は、各分岐導波管に、それ自体のまたは分離した位相推移手段が備
えられる利点のある実施例において異なったやり方で備えられるものとすること
ができるが、しかし代わりの、分離した位相推移手段は、いくつかの分岐導波管
のために備えられるのみであるかまたは代わりの共通の位相推移手段が備えられ
て、別々の異なる分岐導波管を制御するものとなる。利点があるように本発明を
実施したものによると、装置は、多重波長の(例えば、N個の波長からなる)信
号のためのポートの備わる2つの入力導波管からなり、ここで、利点があるよう
に、Nは2よりも大きく、(自由に選択できる)波長のためのアッド・ポートが
、加えられるべきものである。さらにそれは、多重チャンネル出力信号のための
ポートを備える2つの出力導波管および、ドロップされるべき(自由に選択でき
る)波長チャンネルのためのポートとからなる。さらにまた、利点があるように
、分岐導波管の数は、入力導波管の数と同じであり、また、経路指定デバイスは
、利点があるように、それぞれ多重波長入力のための入力および出力と、それぞ
れアッドされる/ドロップされるべき波長のための入力および出力に加えて、そ
れぞれがループバックされるべき各波長のための入力および出力からなる。装置
は、アッディングのため、アッディングおよびドロッピングのため、またはドロ
ッピングのみのために用いることができる。このようにN個の波長チャンネルが
あるならば、一つが経路指定デバイスを通り、一つがアッドされる/ドロップさ
れる波長のために用いられ、そして残りの(N−2)がループバックされる。
利点があるように実施したものにおいては、多重チャンネル・ポートおよびアッ
ド・ポートにそれぞれ対応する第1および第2の入力導波管は、経路指定デバイ
スの各入力に接続され、各出力導波管は、前記各入力に対応する経路指定デバイ
スの出力に接続されている。ループバックの導波管は、経路指定デバイスの他の
入力を、前記で言及したような対応する出力と接続するために備えられる。
して、パワー制御手段が、利点があるようにループバックの導波管において一体
化される。パワー制御手段は、異なる形状を取ることができ、ある特定の実施例
において、それらは半導体増幅器からなる。
れた波長のためのNバイNのルーターからなり、数多くの経路指定の代わりのも
のがあり、すなわち、各波長についての経路指定表がある。利点があるように経
路指定デバイスは、対称的(symmetrical)であって、かつ相反的(
reciprocal)である。
ization)独立した装置が備えられる。分割および結合手段の間の各分岐
導波管について、TEモードについての光経路長は、TMモードについてのもの
と同じである。少なくともいくつかの分岐導波管は、異なる長さを有している。
とりわけ利点のある実施例において、分岐導波管の全ては異なる長さを有してい
る。
において、光の位相の制御のために、導波管のいくつかの部分の屈折率は変えて
おかなければならない。これは例えば、光弾性効果(主に音響−光的効果)、磁
気−光的効果、電気−光的効果、プラズマ効果または熱−光的効果のような異な
る効果を用いる数多くの異なるやり方で達成することができる。磁気−光的効果
は、一般には、集積光学についてさほど実用的ではなく、また音響−光的効果で
は、本発明によって意図されるような装置に必要な、一定の率の変化(cons
tant index change)が得られるものではない。しかしながら
、その他の効果は、異なって実施されたものによって、実施することができる。
これについては、以下に続く本発明の詳細な説明においてさらに記述される。
制御するのに熱−光的位相制御手段が備えられる。さらには、それがパワー制御
のために備えられるべきものであるならば、パワー制御手段が備えられなければ
ならない。光利得を提供することのできる材料が必要であり、というのも、それ
は、過剰な損失を補償しなければならないからである。同調可能な損失素子は、
一般に充分ではない。実際には、このことは、半導体増幅器が、とりわけ関連す
るものであるということを意味する。
とのできる材料はまた、位相制御手段が備えられるかどうかおよびチップ上の増
幅器が備えられるか否かによるものである。最も利点があるように、前記で言及
したとおり、位相を制御するのに熱−光的効果が実施される。このことによりま
た、例えば、AlGaAs/GaAsまたはInGaAsP/InPのような半
導体、またはLiNbO3、ポリマーまたはSiO2/Si等のような材料の最大
限の選択を可能とする。
または電子回路と一体化される。能動素子についての例は、例えば、検出器、レ
ーザーおよび増幅器である。
スではなく、N個の波長のために用いられるN+1バイN+1チャンネルのデバ
イスである。そして信号を含んでいない波長チャンネルが、ドロップ・ポートへ
と向けられる。
て、ドロップされた波長チャンネルを検出するための検出器をチップ上に集積す
ることができる。同様のやり方で、アッド・ポートを送り込むレーザー手段(l
aser means feeding the add port)は、チッ
プ上に集積することができる。
よる波長に依存する経路指定のための装置10の第1番目に実施したものを概略
的に例示する。それは、MMI−MZI同調可能な経路指定デバイス5、図2を
参照してさらに記述されるとおりのデマルチプレクサ/ルーターからなる。MM
I−MZI同調可能なデマルチプレクサ/ルーター5を、利点があるように実施
したものは:J.−P.ウェバーら(J.−P. Weber et al.)
による「多重中継のマッハツェンダ干渉計を用いる新しいタイプの同調可能なで
マルチプレクサ(A new type of tunable demult
iplexer using a multi−leg Mach−Zehnd
er interferometer)」ECIO’97ストックホルム、19
97年4月2〜4日第8回ヨーロッパ集積光学会議会報(8th Europe
an Conference on Integrated Optics P
rocedings)第272〜275頁に記述されている。本発明によると、
MMI−MZIデマルチプレクサ/ルーター5自体によってスイッチングもまた
提供されるので、唯一のデマルチプレクサ/ルーター5のみが必要であって、ス
イッチは必要とされない。最も簡単な構成は、アッド/ドロップされるチャンネ
ルの自由な選択または同調可能性が望まれるなら、一つのチャンネルのみをドロ
ップすることができる(およびアッドすることができる)。一方、波長が固定さ
れるならば、所定の波長のいくつでもドロップすることができる(およびアッド
することができる)。スイッチが含まれているならば、いくつかの波長をドロッ
プすることおよびアッドすることができる。
離するおよび、それに同じ波長でアッドすることのできるOADM10が例示さ
れている。多重チャンネル入力信号INNのためのポート1を備える第1の入力 導波管が備えられており、およびアッドすることのできるチャンネルINADDの 波長のためのポート2を備える第2の入力導波管が備えられている。装置10は
また、N個の入力およびN個の出力を備えるMMI−MZIデマルチプレクサ/
ルーター5からなり、それは、前記で言及した通り図2に例示されている。装置
には、また、マルチチャンネル出力信号OUTNのためのポート3、およびドロ ップされる波長チャンネルOUTDRのためのポート4とをそれぞれ備える第1お
よび第2の出力導波管が含まれている。第1および第2のOADM入力IN、IA DD は、経路指定デバイス5の2つの入力131−13N-2に接続されており、また
、2つのOADM出力OUTN、OUTdrは、使用される入力に対応する経路指 定デバイス5の出力に接続されている。経路指定デバイスのその他の入力131 −13N-2は、ループバックの導波管61−6N-2を介してそれらの対応する出力 141−14N-2に接続されている。利点のある実施例において、パワー制御手段
71−7N-2が、ループバック導波管に備えられており、特には一体化されている
。しかしながら、本発明は、パワー制御手段が含まれて実施されたものに限定さ
れるものではないということは、明らかであるべきである。しかしながら、その
ように備わっておれば、それらは半導体増幅器として、利点をもって実施される
。
積される。同調可能な波長経路指定デバイス5は、ある程度まで、配列導波管波
長ルーターと同じように作動する。このように、NバイNのデバイスについては
、入力の一つにおいて、N個の等間隔を置かれた波長、ここでN>2、があるな
らば、それらの各々は、異なる出力において現れ、また2つの異なる入力におい
ての同じ波長は、いつも異なる出力へと向かう。これは、図3に例示される通り
8バイ8の経路指定表において概略的に例示されている。しかしながら、本発明
による経路指定デバイス5は、一つのかつ同じ装置におけるデマルチプレクシン
グおよびスイッチングの組み合わせを可能とする一つのみのものの代わりにN個
の可能な経路指定表からなっているという点で、配列導波管ルーターのそれとは
異なっている。
波長が異なる出力へと向かうように分離されているということが分かる。位相制
御または位相推移手段9の調整を通して(図1を参照のこと)、ドロップ・ポー
ト4に行くべき波長を選択することができ、これによって同調可能性が備わる。
その他の波長の一つは直接出力ポート3に向かうが、残りのN−2個の波長は、
経路指定デバイス5の入力へとループバックされる。経路指定デバイスは、利点
があるように対称的であり、相反的であり、すなわち、入力は、出力を経て交換
可能であって、またその反対であって、同じ結果を生じるので、これらの波長は
今度はまた出力ポートへと向けられる。同様に、ドロップされたチャンネルと同
じ波長で信号がアッド・ポートに提供されるならば、それはまた出力ポートに直
接向かう。最終的な結果は、N個の波長のいずれもドロッピング(およびアッデ
ィング)のために選択することができ、その他のものは、経路指定デバイスを通
る。もちろん、装置は、アッディングのみに、アッディングおよびドロッピング
に、またはドロッピングのみに用いることができる。信号がアッドされるべき波
長チャンネルが、同じ波長の信号を既に含んでいるならば、その信号は、アッド
されるべき信号によってドロップされ、かつ置き換えられる。しかしながら、チ
ャンネルに情報がないならば、アッド信号は単純にアッドされる。さらにまた、
選択可能な波長での信号は、ドロップされるであろう(いかなるアッド動作をも
伴わない)。
ス5は、偏波独立しており、したがって、偏波独立した利得または損失は提供さ
れない(図2を参照のこと)。偏波の独立を提供するために、干渉計の各アーム
すなわち各分岐導波管81−8Nについて、TEおよびTMモードそれぞれのため
の光経路長は同じである。利点があるように、分岐導波管81−8Nの長さは全て
等しくない。ドロップされないN−2のチャンネルは、経路指定デバイスを2度
通る一方、一つはそれを一度しか通らないので、損失の不均衡が結果として生じ
るであろう。利点のある実施例において、半導体増幅器71−7N-2(図1)は、
そのような損失の不均衡を取り扱うためにループバック経路において集積されて
いる。さらにまた、入力チャンネル間でのパワーの不均衡があるならば、それら
は同様なやり方で取り扱うことができる。しかしながら、続いて、チャンネル・
パワーのいくつかの外部測定が必要とされるであろう。このように、N個の等間
隔を置かれた波長の組から電気的に選択可能な波長のドロッピング、および同じ
波長での別の信号によるそれの置き換え、アッディング、が、可能とされる。
のの一つが、より完全に記述される。MMI結合器に基づいた様々な光デバイス
が、例えば、1xNおよびNxN光スイッチおよび波長デマルチプレクサのよう
なものが知られている。これらのデバイスの2つの種類を組み合わせることを通
して、再構成可能な波長デマルチプレクサおよび/またはルーターが提供される
。移相器(phase shifters)のための熱−光的効果を用いてIn
Pにおいて実現される1xNデマルチプレクサが、J.−P.ウェバーら(J.
−P. Weber et al.)による「多重中継のマッハツェンダ干渉計
を用いる新しいタイプの同調可能なでマルチプレクサ(A new type
of tunable demultiplexer using a mul
ti−leg Mach−Zehnder interferometer)」
において、前記で言及されたとおり、開示されており、そしてそれは参照される
ことによってここに組み込まれる。
ことが分かる。続いて、光が分岐導波管81−8Nを伝搬し、そこで、それは、第
2のNxNのMMI結合器12において再結合し、そのため結果としてN個の出
力が生じる。経路指定デバイスの代わりに、デマルチプレクサを提供するために
、入力MMI結合器11は、1xNまたは2xN結合器となるであろう。
なる実施例によると、それらは、電気−光的なものに基づくものであるか、また
は搬送波プラズマ効果に基づくものであるか、またはそれらは上記に引用された
文献に記述されるような熱の同調を生み出すものである。これらの移相器は、0
と2πとの間の位相を変えることができることのみ必要である。分岐導波管の長
さが等しいならば、スイッチが備えられる。しかしながら、それらが異なる正し
く選ばれた長さを有するならば、移相器81−8Nの調整を経て、出力に対してN
個の異なる波長の指定を得る可能性を有するデマルチプレクサが、そこに加えて
備えられる。デバイスの動作は、パワー結合器12の入力で、すなわち第2のM
MI結合器で(出力にて)、正しい相対位相を有することを通して、N個の出力
のどれに光が行くかを選択することが可能となるかという事実に基づく。換言す
れば、その特定の出力に建設的な干渉があり、かつその他の出力に破壊的な干渉
がある。波長の依存性は、導波管の異なる長さによって与えられ、というのも、
波長λqでの長さLiの導波管の位相の寄与Φi,qは、次式によって与えられる:
波長が、それらを異なる出力に向ける相対位相を与えるようなやり方で、選択さ
れなければならない。位相制御手段91−9Nは、利点があるように、0と2πと
の間の間隔において任意の位相を加えることができる。さらに、どの出力に与え
られた波長が行くかということを選択することが可能である。その他は、デバイ
スのデザインによって決定される。このことはまた、分岐導波管81−8Nの絶対
長が、位相制御手段が備えられていなかった場合にはそうであったであろうよう
に、λ/neffの小さな部分内で正しくある必要はないということを意味する。 デバイスの波長経路指定特性(wavelength routing pro
perties)を与える式が、ここで記述される。デバイスの動作の仕方は、
MMI結合器の特性に、そして特には、相対出力位相に依存する。これらは、例
えば、M.バッハマンら(M.Bachmann et al.)による「位相
関係を含むNxNの多重モード干渉結合器における一般の自己画像形成特性(G
eneral self−imaging properties in Nx
N multimode interference couplers in
cluding phase relations)」応用光学、第33(18
)巻、1994年6月20日発行、第3905〜3911頁に、NxNのデバイ
スについて与えられている。しかしながら、本発明によると、M.バッハマンら
(M.Bachmann et al.)による「位相関係を含むNxNの多重
モード干渉結合器における一般の自己画像形成特性(General self
−imaging properties in NxN multimode interference couplers including pha
se relations)」応用光学、第33(18)巻、1994年6月2
0日発行、第3905〜3911頁に提供される簡単な式を与える、代わりの導
出が求められている。図2において与えられるような導波管の番号付けで、kに
おける入力についての出力qにおける相対位相が次式によって与えられる:
数であり、δはチャンネルの間隔であり、一つの解法は、図2におけるデバイス
のアーム長Lkを有することであり、次式で与えられる:Lk=L0+(sk+pk /N)U、ここで、L0は任意の長さ、skは任意の整数、およびUは、次式によ
って与えられる特性長(characteristic length)である
:
る:
ャンネルのスペクトラムの部分での異なる許容度を与える。一般に、全てのsk 整数が等しいとき(そのときそれらはゼロに設定される、というのも、それらは
、L0の変化と等価であるので)、最大の許容度が得られる。移相器が、λ0で入
力i(図2を参照のこと)が出力q0に行くように調整されるならば、出力数q において波長λmが得られ、ここでmは次式によって与えらえる:
それは、いかなる導波管においても周期Nδで、周期的な出力が提供されるとい
うことを意味する。これは、入力iに入る波長に言及される。もし別の入力、例
えばjが用いられるならば、位相が、入力iが波長λmで出力q(i)へと行く ように調整されるならば、同じ波長で入力jが、次式によって与えられる出力q
(j)へと行くということを示すことができる:
正しい結果である。関数R(N,j,i)は、次式によって与えられる:
導波管、および図2のタイプの8バイ8の経路指定デバイスにおける各インプッ
トが与えられている。このデバイスは、導波管格子アレイ・ルーター(wave
guide grating array router)を用いることのでき
る全ての場合に用いることができる。それに加えて、N個の可能な構成(移相器
を備えるもの)の一つを選択できるということは利点である。
であるチャンネルの数である4から16の範囲にある。しかしながら、本発明は
、決してこれらの値に制限されるものではなく、反対にそれらは、より高くもよ
り低くもできる。
分岐導波管に備えられている。制御の複雑さを最小限化することが望ましいので
、利点があるように、分岐導波管の最小限の数が用いられる。したがって、利点
があるように、分岐導波管の数は、波長(N)の数と同じである。しかしながら
、代わりの実施例において、分岐導波管の数は波長の数を超えている。
点のある実施例においては、熱−光的制御手段が用いられる。そのようなものは
、少なくともスイッチング速度が極めて重要でないならば、特に利点がある。熱
−光的位相制御手段の利点は、材料にドープをする必要がないということである
;それを絶縁材とすることさえでき、それは、自由搬送波の吸収がないというこ
とを意味する。さらには、率の変化に伴う損失の変化は無視して良いもので、ま
たより良い信頼性もまた可能となり、というのも、材料中に電流が誘発する破損
が無く、また波長への依存は非常に低いからである。
薄膜ヒーターで制御し、そして基板の底部を一定の温度に保つことによって位相
制御が実現される。この解決法の唯一の問題は、意図された導波管のみでなく隣
り合う導波管をもまた加熱すること、熱クロストークともまた表示されるもの、
を避けるように、隣り合う導波管の間に最小限の間隔を置くことである。しかし
ながら、異なる分岐導波管の間でのクロストークは、可干渉性のクロストーク、
すなわち同じ波長についてのものよりも重要ではない問題である。
であろう。特定の実施例においては、量子井戸が用いられ、そして、しかしなが
ら、率変化が波長にあまりにも依存しすぎていないということに注意が払われな
ければならない。電気−光的効果は、LiNbO3のような結晶、また半導体の 双方において、広く用いられている(バルクまたは量子井戸におけるシュタルク
効果(Stark effect))。
電子およびホール)による屈折率変化に依存する。これは、吸収スペクトラムに
おける変化、およびそれゆえに、クラーマース−クローニヒの関係(Krame
rs−Kroenig relation)によって屈折率の変化を引き起こす
。半導体において、電気−光的効果またはプラズマ効果を用いることは、逆方向
にバイアスされるか(電気−光的効果)または順方向にバイアスされるか(プラ
ズマ効果)したピン(p−i−n)ダイオード構造を用いることが含まれる。こ
のようにドープされた材料が用いられて、自由キャリア吸収(特に、pドープさ
れた材料について)という結果になる。プラズマ効果については、注入されたキ
ャリアは、デバイスに充分に低い損失が備わるものとすることを困難とするであ
ろう吸収にもまた貢献する。キャリア注入の場合においては、損失は、率におけ
る変化におよそ比例して増大するという結果になる。シュタルク効果がバルクま
たは量子井戸において用いられるならば、率の変化が増大するとき、吸収もまた
増大する。このように、異なる導波管の間には、いくらかの損失の相違があり、
パワー結合器の出力における不完全な破壊的な干渉、およびそれゆえにクロスト
ークを引き起こしている。しかしながら、実施されるものに基づいて、また電気
−光的効果およびプラズマ効果に基づく位相制御手段を用いて、充分に良好な結
果を得ることができる。
位相制御手段が用いられている。デザイン波長は、約1550nmまたは130
0nmであろう。もちろん、また他に代わるものも可能である。簡素化されたプ
ロセッシングのために、リッジ導波管(ridge waveguides)が
用いられ、一つだけの結晶成長および一つのエッチング・ステップが必要とされ
ている。同調可能な1バイ4のデマルチプレクサの実現化のために前記で言及さ
れている「多重中継マッハツェンダ干渉計を用いる新しいタイプの同調可能なデ
マルチプレクサ」において記述されるような技術を用いることができる。InG
aAsP/InP材料の利点は、検出器、レーザーおよび増幅器のような能動素
子とさらに集積することが可能であるというものである。それはまたさらに、電
子回路との集積も可能とする。特定の実施例において、もう一つの成長ステップ
および突き合わせ接続(butt−joint)結合の使用を経て、増幅器が、
ループバック導波管に集積される。
とができる。しかしながら能動素子について、それは、約870nmで働かなけ
ればならない。
nGaAsP/InPおよびまたAlGaAs/GaAsの利点は、さらなる集
積化の可能性に加えて、より大きな屈折率および利用できる率ステップ(ind
ex steps)並びに大きな熱−光的係数である。これによって、InGa
AsP/InPデバイスは、さらに小さくさえなる。前記で言及されている文献
に記述されているような1バイ4のデマルチプレクサは、保守的なデザインで、
5.8mmバイ1.5mmである。わずかにより小さな曲げ半径およびより狭い
MMI結合器を用いると、本発明によるOADM全体は、容易に同程度に小さい
ものまたはさらにより小さなものとなるであろう。
のは、それは、過剰な損失を補償しなければならないからである。同調可能な損
失素子は充分ではない。利点があるように、半導体増幅器が用いられる。偏波独
立動作が必要であるならば、増幅器は、TEモードおよびTMモードについて同
じ光利得を有するようにデザインされなければならない。MMI−MZI経路指
定デバイス5を経て、フィードバック経路があるので、増幅器における利得が充
分であるならば、レーザー発振を備えることができる。発振波長は、経路指定デ
バイスの濾波特性によって決定されるが、しかしそれは、増幅器を通る信号の波
長とは常に異なっており、というのは、同じ入力における異なる波長は、異なる
出力へと向かうからである。このように、信号パワーから独立する一定の利得を
、少なくともある飽和限界まで与える、増幅器の利得締め付け動作(gain
clamped operation)を備えることができる。
、ドロップされる信号パワーは、ドロップ・ポートにおいて漏れているアッドさ
れる信号パワーよりも少なくとも25dB大きいものと(1dBパワーのペナル
ティレベルで)されている。
られるかまたどの程度まで用いられるかは、位相制御素子が実現されるやり方に
、およびチップ上で増幅器が実施されるか否かに依存する。一般に、プラズマ効
果または電気−光的効果が(半導体において)用いられるならば、AlGaAs
/GaAsまたはInGaAsP/InP(または同様の材料システム)が用い
られる。純粋な電気−光的効果が用いられるならば、LiNbO3並びにあるポ リマーを用いることができる。
カバーする)、直接禁止帯幅の半導体システム、例えば、AlGaAs/GaA
sまたはInGaAsP/InPのようなものを用いることができる。代わりの
実施例においては、導波管の、エルビウムまたはその他のイオンのドーピングお
よび外部レーザーでの光ポンピングが用いられる。
わち、AlGaAs/GaAsまたはInGaAsP/InPのような半導体、
LiNbO3、またSiO2/Siにおけるポリマーを可能とする。これらの材料
の間の主な相違は、それらの屈折率、利用できる率ステップ、それらの熱−光的
係数の値および伝搬損失である。これは主に、結果として得られるデバイスのサ
イズに影響を及ぼす。半導体材料におけるよりSiO2/Siにおける方が損失 が小さいので、損失の不均衡を埋め合わせるためにチップ上の増幅器を有するこ
とは、必要ではないかもしれない。しかしながら、その場合には、パワー等化を
行うことができない。
ながら、数多くの代わりのものもまた可能である。入力およびアッド・ポート用
にどのような導波管を用いることもできるし、それらはまた、出力およびドロッ
プ・ポートが対応するやり方で変えられる限り、交換することもできる。これは
、与えられた位相の組み合わせについて波長の指定に影響を及ぼすのみであって
、それは装置の大域的な振る舞いを変えるものではない。図1に示されるような
実施のものの利点は、導波管の交差が避けられるということである。
な機能ではなく、それは、ある実施例においては、より長い導波管が2つのより
短い導波管の間にサンドイッチされているということを意味する。さらには、熱
−光的効果に基づく位相制御手段が用いられているならば、それらは、隣り合う
導波管において生み出される温度における大きな変化を一切避けるように、十分
間隔が開けられなければならない(または、導波管分岐が間隔を開けられなけれ
ばならない)。前記で言及されるように、使用される材料と同様これらの考慮が
、装置の全体のサイズに影響を及ぼす。
に備えらえる。
スが用いられるが、なおもN個の波長のみがある。これによって、装置、特には
OADMの容易なバイパスが可能となり、また信号を含まない波長チャンネルが
ドロップ・ポートへ向けられ、また信号を含む全てのN個の波長がそれを通る。
得るために用いられるN+1バイN+1のMMI−MZI経路指定デバイスがあ
る。そして、しかしながら、ドロップは長が固定されており、それは同調可能性
が失われていることを意味する。これは、信号を備えていない波長チャンネルを
出力ポートへと向けて、経路指定デバイスを通る(N−1)個全てのチャンネル
がループバックを通過するようなものとすることによって、行うことができる。
プ上に集積されている。このようなやり方で、ファイバー接続および構成部品の
数はなおもさらに減少しており、それは明らかに利点のあるものである。
点のある実施例において、アッド・ポートを送り込むレーザー・デバイスがチッ
プ上に集積される。装置、すなわち、特にはOADMが、同調可能であるならば
、レーザーも好ましくは、また同調可能である。
レクシングおよびスイッチングの双方に用いることができ、これによって、一つ
のチップ上に容易に集積することのできる簡単なデバイスが得られるということ
が本発明による装置の利点である。その他の利点は、本出願において先に既に記
述されている。
数多くのやり方で変形することができる。
とし、それらにおいては:
通信システムにおいて、波長に依存する経路指定を行う方法であって: −OADMにおける第1の導波管に渡ってN個の実質的に等間隔に置かれた波長
を受け取る、 −前記OADMにおける別個の導波管に渡って、アッドされるべき波長を受け取
る、 −前記N個の波長を、第1の入力を介してMMI−MZI経路指定デバイスに入
力する、 −前記アッド波長を、第2の入力を介して前記MMI−MZI経路指定デバイス
に入力する、 −前記N個の実質的に等間隔に置かれた波長を分離する、 −位相制御手段の調整を通して、ドロップされるべき波長を選択する、 −ドロップされるべき前記波長を、前記経路指定デバイスの別個の出力を介して
別個の出力導波管へと経路指定する、 −一つの波長を、直接前記経路指定デバイスを経て、N個の波長のための共通の
出力へとスイッチングする、 −残りのN−2個の波長を、前記経路指定デバイスの入力にループバックする、
−N−2個のループバックされた波長、および前記経路指定デバイスを直接経て
スイッチされた波長、並びに前記アッド・ポートからアッドされた波長を、前記
ドロップされた波長のための別個の導波管とは異なる共通の出力導波管を渡って
出力する、 というステップからなることを特徴とする前記方法。
Claims (28)
- 【請求項1】 数多くの波長が含まれる光信号の、波長に依存する経路指定
のための装置(10)であって、入力および出力導波管を備え、かつ入力および
出力を備える経路指定デバイス(5)からなる、光アッド−ドロップ多重化(マ
ルチプレクシング)装置からなる前記装置であって、 前記経路指定デバイス(5)には、数多くの入力を備える分割手段(11)お
よび数多くの出力を備える結合手段(12)が含まれており、前記入力(13N )および出力(14N)のそれぞれの一つは、多重波長入力/出力のために用い られており、別の入力(13N-1)および出力(14N-1)はそれぞれ、アッド/
ドロップ波長それぞれのために用いられており、その他の入力および出力(13 1 −13N-2;141−4N-2)は、残りの波長のループバックをするために用いら
れており、前記分割および結合手段の間に、数多くの分岐導波管(81−8N)が
配置されていて、かつ波長デマルチプレクシング/マルチプレクシングおよびス
イッチングの双方が、前記経路指定デバイス(5)によって提供されており、前
記装置はさらに、波長同調可能であって、アッドされるおよび/またはドロップ
されるべき波長は、選択可能であることを特徴とする前記装置。 - 【請求項2】 前記装置は、単一チップ上に集積されていることを特徴とす
る請求項1に記載の装置。 - 【請求項3】 前記分割手段(11)は、分割器として働く第1の多重モー
ド干渉結合器からなり、かつ前記結合手段(12)は、結合器として働く第2の
多重モード干渉結合器(MMI)からなり、前記経路指定デバイス(5)は、多
重中継を備える多重モード干渉マッハツェンダ干渉計からなることを特徴とする
請求項1または2に記載の装置。 - 【請求項4】 前記装置(10)が、モノリシック的に製作されていること
を特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項5】 少なくともある数の前記分岐導波管(81−8N)が同調可能
性を提供するよう位相制御手段によって制御可能であることを特徴とする請求項
1乃至4のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項6】 各分岐導波管(81−8N)に別個の移相手段(91−9N)が
備えらえることを特徴とする請求項5に記載の装置。 - 【請求項7】 それぞれが別個の波長チャンネルで符号化される複数の信号
(INN)(N>2)のためのポート(1)および波長をアッドすることのでき るアッド・ポート(2)を備える2つの入力導波管からなり、かつさらに複数の
波長チャンネルのためのポート(3)および波長チャンネルをドロップすること
のできるポート(4)を備える2つの出力導波管からなることを特徴とする少な
くとも請求項1に記載の装置。 - 【請求項8】 分岐導波管(81,…,8N)の数が、少なくとも入力波長(
I1,…,IN)の数に対応しており、かつ経路指定デバイス(5)が、各波長に
ついてそれぞれ入力および出力からなることを特徴とする請求項7に記載の装置
。 - 【請求項9】 前記第1および前記第2の入力導波管が、前記経路指定デバ
イスの各入力に接続されており、かつ各出力導波管が、前記それぞれの入力に対
応する前記経路指定デバイスの前記出力に接続されており、ループバック導波管
(61−6N-2)は、前記経路指定デバイス(5)のその他の入力を、前記対応す
る出力と接続するために備えられていることを特徴とする請求項8に記載の装置
。 - 【請求項10】 パワー制御手段(71−7N-2)、例えば、半導体増幅器が
、チャンネル・パワーの等化を提供するように、ループバック導波管(61−6N -2 )において集積されていることを特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載
の装置。 - 【請求項11】 経路指定デバイス(5)が、N個の等間隔を置かれた波長
のためのNバイNのルーターからなり、かつ各波長について一つの経路指定表が
あることを特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項12】 前記ドロップ・ポートへと向けられるべき、いずれかの波
長を制御するために、前記経路指定デバイス(5)の対応する位相制御手段が調
整されることを特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項13】 前記経路指定デバイス(5)が、対称的かつ相反的である
ことを特徴とする請求項11または12に記載の装置。 - 【請求項14】 各分岐導波管(81−8N)について、光経路長がTEおよ
びTMモードそれぞれのために同じであり、偏波独立の装置を提供していること
を特徴とする請求項9に記載の装置。 - 【請求項15】 少なくともある数の前記分岐導波管(81−8N)が、異な
る長さを有することを特徴とする先の請求項のいずれかに記載の装置。 - 【請求項16】 導波管の材料が誘電体材料であり、かつ熱−光的位相制御
手段(91−9N)が、その屈折率を制御するために備えられていることを特徴と
する少なくとも請求項5に記載の装置。 - 【請求項17】 電気−光的位相制御手段またはプラズマ効果位相制御手段
が用いられていることを特徴とする請求項5に記載の装置。 - 【請求項18】 半導体材料、例えば、InGaAsP/InPによって前
記装置が作られていることを特徴とする請求項16に記載の装置。 - 【請求項19】 能動素子および/または電子回路と一緒に集積化されてい
ることを特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項20】 前記経路指定デバイスが、N個の波長についてN+1バイ
N+1のチャンネル・デバイスであり、その信号を含まない波長チャンネルが前
記ドロップ・ポートに向けられることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか
一つに記載の装置。 - 【請求項21】 ドロップされた波長チャンネルを検出する検出器が、チッ
プ上に集積されていることを特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載の装置
。 - 【請求項22】 アッド・ポートを送り込むためのレーザー手段が、チップ
上に集積されていることを特徴とする先の請求項のいずれか一つに記載の装置。 - 【請求項23】 複数の波長入力ポート(1)が含まれるある数の入力導波
管、および複数の波長出力ポート(3)が含まれるある数の出力導波管を備え、
経路指定デバイス(5)からなる、光アッド−ドロップ多重化装置(10)であ
って、 前記経路指定デバイス(5)は、デマルチプレクシング並びにスイッチング機
能を提供する結合デマルチプレクシング/ルーティング・デバイスであり、かつ
アッドされるおよび/またはドロップされるべき波長が選択可能であって、それ
によって波長に同調可能な装置を提供し、前記装置(10)は、さらに単一のチ
ップ上に集積されていることを特徴とする前記装置。 - 【請求項24】 調整可能な位相制御手段(91−9N)が提供され、かつア
ッドされる/ドロップされる波長が、前記位相制御手段の調整を通して選択され
ることを特徴とする請求項23に記載の光アッド−ドロップ多重化装置。 - 【請求項25】 前記経路指定デバイス(5)には、多重波長入力信号の各
波長のための分岐導波管が含まれており、前記分岐導波管(81−8N)は、第1
および第2のMMI結合器の間に配置されており、かつ各導波管に別個の位相制
御(91−9N)手段が備えられていることを特徴とする請求項24に記載の光ア
ッド−ドロップ多重化装置。 - 【請求項26】 前記位相制御手段(91−9N)を介して、前記導波管の屈
折率が熱−光的に制御されることを特徴とする請求項25に記載の光アッド−ド
ロップ多重化装置。 - 【請求項27】 WDMシステムにおいて先の請求項のいずれか一つに記載
される装置を使用すること。 - 【請求項28】 ある数の光アッド−ドロップ・マルチプレクサからなる光
通信システムにおいて、波長に依存する経路指定を行う方法であって: −OADMにおける第1の導波管に渡ってN個の実質的に等間隔に置かれた波長
を受け取る、 −前記OADMにおける別個の導波管に渡って、アッドされるべき波長を受け取
る、 −前記N個の波長を、第1の入力を介してMMI−MZI経路指定デバイスに入
力する、 −前記アッド波長を、第2の入力を介して前記MMI−MZI経路指定デバイス
に入力する、 −前記N個の実質的に等間隔に置かれた波長を分離する、 −位相制御手段の調整を通して、ドロップされるべき波長を選択する、 −ドロップされるべき前記波長を、前記経路指定デバイスの別個の出力を介して
別個の出力導波管へと経路指定する、 −一つの波長を、直接前記経路指定デバイスを経て、N個の波長のための共通の
出力へとスイッチングする、 −残りのN−2個の波長を、前記経路指定デバイスの入力にループバックする、 −N−2個のループバックされた波長、および前記経路指定デバイスを直接経て
スイッチされた波長、並びに前記アッド・ポートからアッドされた波長を、前記
ドロップされた波長のための別個の導波管とは異なる共通の出力導波管を渡って
出力する、 というステップからなることを特徴とする前記方法。
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