JP2010160351A

JP2010160351A - 光波長合分波回路

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Publication number: JP2010160351A
Application number: JP2009002854A
Authority: JP
Inventors: Arata Kamei; 新亀井; Hiroshi Takahashi; 浩高橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: JP4827935B2

Abstract

【課題】従来技術による同期ＡＷＧにおいて透過帯域幅を拡大しようとすると、透過中心光周波数付近で損失が増大することは避けられなかった。透過帯域の平坦性を確保したままで拡大できる帯域幅には制限があり、透過率特性の０．５ｄＢ帯域幅は、光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であった。上述の帯域幅の制限は、信号光がより多くの地点を通過するような複雑で大規模な通信システムには適用できないという課題があった。
【解決手段】本発明の光波長合分波回路は、同期ＡＷＧであって、一方のスラブ導波路側に接続された干渉回路内に設置された光減衰器を備える。この光減衰器の透過率は光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近で極小値をとる。透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、透過率が比較的大きくなるように動作する。光減衰器にける透過率の変化周期は、同期ＡＷＧの光周波数チャネル間隔と同一か、または半分とするのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光波長合分波回路に関する。より詳細には、アレイ導波路回折格子を基本構成とした、広い透過帯域幅を有する光波長合分波回路に関する。

シリコン基板上に形成した石英系ガラス導波路によって構成されたプレーナ光波回路（Planer Light wave Circuit：以下ＰＬＣ）の研究開発が、盛んに行われている。ＰＬＣ技術を利用したアレイ導波路回折格子（Arrayed waveguide Grating：以下ＡＷＧ）は、光通信用システムの中で重要な役割を果たしている。ＡＷＧは、複数の光周波数が多重化された信号光（波長多重信号）を所定の光周波数チャネル間隔に配置された各信号光に分波し、または各信号光を１つの波長多重信号に合波する機能を持つ光波長合分波回路である。

光通信システムの進展に伴い、リング網やメッシュ網などを利用して多地点を接続し、フレキシブルに通信路を切り替えるネットワークシステムも構築され始めている。このような高度なネットワークでは、光信号を電気信号に変換することなく、光信号のままで多地点を通過させ処理することが求められている。ここで使用される光波長合分波回路には、透過帯域が幅広く平坦であり、かつ低損失な透過特性を持つことが求められる。特許文献１は、優れた透過特性を有する光波長合分波回路として、干渉回路とＡＷＧとを組み合わせた同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路を提案していた。この同期型の光波長合分波回路では、光信号が複数の光波長合分波回路を多数回通過しても光信号の劣化が小さく、または光信号の波長揺らぎに対して損失変動が小さいという特徴を持っていた。

図１８は、従来技術の同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の構成の一例を示した平面図である。この光波長合分波回路３１００は、第１のスラブ導波路３１０１、アレイ導波路３１０２、第２のスラブ導波路３１０３、第２の入出力導波路３１０４および第１の入出力導波路３１０５から構成される。第１の入出力導波路３１０５と第１のスラブ導波路３１０１との間には、光スプリッタ３１０６、第１のアーム導波路３１０７、第２のアーム導波路３１０８および光モード合成カプラ３１０９が順次接続されている。第１の入出力導波路３１０５と第１のスラブ導波路３１０１との間にある各要素は、干渉回路を構成する。

上述の構成を持つ同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路は、以下のように動作する。複数の波長を有する光波は、第１の入出力導波路３１０５に入射すると、光スプリッタ３１０６によって第１のアーム導波路３１０７および第２のアーム導波路３１０８に分岐される。２つのアーム導波路３１０７、３１０８において、光波は基底モード光として伝播する。２つのアーム導波路の光路長差のために、分岐された各光波間には、波長に応じて位相差が生じる。分岐された各光波は、光モード合成カプラ３１０９において再び合流する。

このとき、第１のアーム導波路３１０７から光モード合成カプラ３１０９へ入力した基底モード光は、１次モード光に変換される。一方、第２のアーム導波路３１０８から合成カプラ３１０９へ入力した基底モード光は、基底モード光のまま合流する。したがって、光モード合成カプラ３１０９から出力する光波は、基底モード光および１次モード光が合成されたものとなる。合成された光フィールドの特性は、基底モード光および１次モード光の位相差、すなわち光波の波長に応じて変化する。

図１９は、上述の光波長合分波回路における光モード合成カプラ近傍の構成の一例を示した図である。光モード合成カプラ３１０９は、導波路の幅が非対称な方向性結合器によって構成される。導波路３１０９ａおよび導波路３１０９ｂは、それぞれ第１のアーム導波路３１０７および第２のアーム導波路３１０８に接続される。導波路３１０９ａにおける基底モード光の実効屈折率と、導波路３１０９ｂにおける１次モード光の実効屈折率とがほぼ一致するように各導波路幅を設定することによって、基底モード光および１次モード光の光モード合成カプラとして動作する。

導波路３１０９ｂには、マルチモード導波路３２０１、３２０３がさらに順次接続される。２つのマルチモード導波路３２０１、３２０３の間には、テーパ導波路３２０２が接続される。これらの導波路３２０１、３２０２、３２０３は、必須の要素ではなく、第１のスラブ導波路３１０１に接続する導波路の幅を調整する場合に設置される。また、マルチモード導波路３２０１、３２０３およびテーパ導波路３２０２は、少なくとも基底モード光および１次モード光が伝播可能でなければならない。第１のスラブ導波路３１０１に接続するマルチモード導波路３２０３の終端（ｐ軸）において、光フィールドは位相差（波長）によって周期的に変化し、合成された光フィールドのピーク位置も周期的にｐ軸上を変動する。

上述のように、第１の入出力導波路３１０５と第１のスラブ導波路３１０１との間に構成された干渉回路は、波長に応じて光フィールドのピーク位置を周期的に変動させる光波を第１のスラブ導波路に入力させる。

一方、第１のスラブ導波路３１０１に入力した光波は、アレイ導波路３１０２内の隣接する導波路間の光路長差により、波長に応じた位相差が与えられる。その位相差（すなわち入力光波の波長）に応じて、第２のスラブ導波路３１０３の終端で集光する光波の位置が変化する。すなわち、第２のスラブ導波路３１０３の終端での集光位置に対応した第２の入出力導波路３１０４の各導波路に、所望の波長の光波が分波される。

上述の光波長合分波回路おいて、マルチモード導波路３２０３の終端における光フィールドのピーク位置が変わると、第１のスラブ導波路３１０１への光波の入力位置が変化することになる。第１のスラブ導波路３１０１への入力位置が変化することによって、アレイ導波路３１０２内の各導波路に達するまでの光路長が変化する。すなわち、アレイ導波路３１０２内の隣接する導波路間の光路長差が変化しなくても、光波長合分波回路３１００全体での光路長差が変化する結果になる。最終的に、第２のスラブ導波路３１０３の終端において集光する光の位置が変化することになる。

上述の干渉回路およびＡＷＧの一連の動作は、第１のアーム導波路３１０７および第２のアーム導波路３１０８の光路長差によって、第２のスラブ導波路３１０３の終端で集光する光波の位置が調整できることを意味する。例えば、ある波長領域において、マルチモード導波路３２０３終端での光フィールドのピーク位置変化と、アレイ導波路３１０２内の隣接する導波路間の光路長差に起因する、第２のスラブ導波路３１０３の終端で集光する光の位置変化とが同期するように、ＡＷＧおよび第１のスラブ導波路側の干渉回路の各パラメータを設定することもできる。これにより、この波長領域で第２のスラブ導波路３１０３の終端に集光する光の位置を停留させることで、光波長合分波回路の平坦な透過スペクトル特性を得ることができる。

上述の同期した動作の実現のためには、ＡＷＧにおいて第２の入出力導波路３１０４に分波される光周波数チャネル間隔と、第１のスラブ導波路３１０１に接続された干渉回路における光周波数周期とを一致させる必要がある。上述の同期した動作をする光合分波回路は、同期ＡＷＧとも呼ばれている。

特許４１００４８９号明細書

J.Leuthold, et, al., "Multimode Interference Couplers for the Conversion and Combining of Zero- and First-Order Modes", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.16, pp.1228-1238, 1998.

しかしながら、上述の同期ＡＷＧにおいても、拡大できる透過帯域幅には限界があった。透過帯域幅を拡大するためには、光モード合成カプラ３１０９において合成される１次モード光の強度比を高めることによって、合成光フィールドのｐ軸上におけるピーク位置の変位幅を大きくすれば良い。ここで、１次モード光の強度比とは、１次モード光のパワーと、基底モード光のパワーおよび１次モード光のパワーの和との比のことを言う。合成光フィールドのピーク位置は、光周波数に応じてｐ軸上をｐ＝０を中心として両側に正弦関数的に周期的に変位する。同期ＡＷＧの動作原理から、光合分波回路の透過中心波長は、合成光フィールドのピーク位置がｐ軸上の０の位置にあるときの光周波数に対応する。

１次モード光の強度比を高めてゆくと、合成光フィールドの形状は基底モードのフィールドの形状から逸脱し次第に変形したものとなる。特に、合成光フィールドのピーク位置が、ｐ軸上における最大変位の中央付近（すなわちｐ＝０）にあるときのフィールド形状の変形が顕著となる。

同期ＡＷＧの透過率は、第１のスラブ導波路３１０１に入力する光フィールドと、第２の入出力導波路が第２のスラブ導波路３１０３に接続する端面における固有光フィールドとの重なり積分により決定される。後者の固有光フィールドは、基底モード光のフィールドである。したがって、第１のスラブ導波路３１０１に入力する光フィールドの形状が基底モード光のフィールドの形状から逸脱し変形していくと、フィールドの不整合により損失が生じる。１次モード光の強度比を高めるにしたがって、合成光フィールドのｐ軸上における最大変位の中央付近（ｐ＝０）、すなわち透過中心波長付近において、損失が増大する傾向が現れる。

図２０は、同期ＡＷＧの透過スペクトル波形を１次モード光の強度比をパラメータとして示した図である。１次モード光の強度比が１０％、２０％、３０％の場合を示した。横軸は規格化された光周波数であって、光周波数チャネル間隔を１としている。

図２１は、図２０において先端付近のスペクトル波形を拡大した図である。横軸を２倍に、縦軸を概ね１０倍に拡大して示した。図２０および図２１から分かるように、１次モード光の強度比を高めるにしたがって、透過帯域幅は拡大する傾向にある。しかしながら、透過中心光周波数付近では逆に損失が増加して、むしろ透過帯域の平坦性は失われてしまう。

このように、従来技術による同期ＡＷＧにおいては、透過帯域幅を拡大しようとすると、透過中心光周波数付近で損失が増大することは避けられなかった。透過帯域の平坦性を確保したままで拡大できる帯域幅には制限があり、透過率特性の０．５ｄＢ帯域幅は、光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であった。ネットワークシステムが大規模および複雑になると、信号光がより多くの地点を通過するようになり、１つの信号光は、さらに多数の光波長合分波回路を通過することになる。多数の光波長合分波回路が多段接続された状況では、透過帯域の帯域幅の制限効果は、累積的に生じる。上述の帯域幅の制限は、信号光がより多くの地点を通過するような複雑で大規模な通信システムには適用できないという課題があった。

本発明は、このような問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、透過帯域の平坦性を確保しながら従来技術よりさらに帯域幅を拡大した、同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、アレイ導波路と、前記アレイ導波路の両端に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路とを含むアレイ導波路回折格子と、干渉回路を介して前記第１のスラブ導波路に光学的に接続された第１の入出力導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路とを備えた光波長合分波回路において、前記干渉回路は、第１のアーム導波路と、前記第１のアーム導波路に並置され、長さの異なる第２のアーム導波路と、前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の各一端と前記第１のスラブ導波路の端部との間に接続された光モード合成カプラであって、前記光モード合成カプラは、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モード光に結合させ、前記第１のスラブ導波路との接続面において、ピーク位置が周期的に変化する光フィールド分布を形成することと、前記第１アーム導波路および前記第２のアーム導波路の各他端に接続された光スプリッタとを含み、前記干渉回路の光周波数周期が、前記アレイ導波路回折格子の光周波数チャネル間隔に一致しており、前記第１のアーム導波路の途中に配置され、透過率が前記干渉回路の光周波数周期と同一または半分の周波数周期で変化し、前記アレイ導波路回折格子における各チャネルの透過中心光周波数の近傍で前記透過率が極小値をとる光減衰器をさらに含むことを特徴とする光波長合分波回路である。上述の光波長合分波回路は、同期型のＡＷＧとも言う。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光波長合分波回路であって前記光減衰器は、所定の光路長差を有する第３のアーム導波路および第４のアーム導波路と、前記２つのアーム導波路の両端に接続する前段光カプラおよび後段光カプラとから構成されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成された方向性結合器であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３の光波長合分波回路であって、前記方向性結合器の前記２本の導波路の内で、幅が狭い導波路は、前記第１のアーム導波路側からその幅を徐々に減少させ、特定の幅まで狭まった位置で終端することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３の光波長合分波回路であって、前記方向性結合器の前記２本の導波路に内で、幅が狭い導波路は、光を減衰させる遮光材料が挿入された溝によって、所定の位置で終端されることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１または２の光波長合分波回路であって、前記光モード合成カプラは、光の進行方向に縦列に連結された２つのマルチモード干渉回路から構成されることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によって、従来技術の同期ＡＷＧにおいて透過帯域の帯域幅が制限されていた問題を解決することができる。透過帯域の平坦性および広い帯域幅の２つの要請を両立することができる。１つの信号光が多くの地点を通過するような通信システムにおいても、十分に適用できる光波長合分波回路が実現される。

（ａ）は、本発明の光波長合分波回路の構成図であり、（ｂ）は光モード合成カプラと第１のスラブ導波路との境界近傍の拡大図である。光モード合成カプラおよび第１のスラブ導波路が接続する端面で生じる光フィールド分布を示し、（ａ）は基底モードを、（ｂ）は１次モードを示す図である。本発明の光波長合分波回路における光減衰器透過率変化を示す図である。光減衰器により透過率変化が与えられたときの、合成光フィールド分布の光周波数変化を示した図である。本発明の第１の実施例に係る光波長合分波回路の構成図である。第１の実施例の光波長合分波回路における、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大した平面図である。第１の実施例の光波長合分波回路における光減衰器の透過率変化を示した図である。第１の実施例に係る光波長合分波回路の透過スペクトル波形を示した図である。図９の透過スペクトル波形の先端付近の拡大して示した図である。別構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。さらに別構成の光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。他の構成の光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。本発明の第２の実施例に係る光波長合分波回路の構成図である。第２の実施例の光波長合分波回路における、光スプリッタから第１のスラブ導波路に至る部分を拡大した平面図である。第２の実施例の光波長合分波回路における光減衰器の透過率変化を示す図である。第２の実施例に係る光波長合分波回路の透過スペクトル波形を示した図である。図１６の透過スペクトル波形の先端付近の拡大して示した図である。従来技術の同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の一例の構成図である。従来技術の光波長合分波回路における光モード合成カプラ近傍の構成図である。従来技術の同期ＡＷＧの１次モード光の強度比をパラメータとして透過スペクトル波形示したグラフである。図２０に示した透過特性の先端付近のスペクトル波形の拡大図である。

既に述べたように、同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路においては、基底モード光と１次モード光との合成光フィールドの形状は、１次モード光の強度比が高まるにしたがって、基底モード光のフィールドの形状から逸脱し変形する。本発明の発明者は、合成光フィールドのピーク位置が変位中央付近（ｐ＝０）にあるときに、特にその変形の程度が著しいことに着目した。すなわち、１次モード光の強度比を光周波数に応じて変調することにより、合成光フィールドのピーク位置が変位中央付近にあるときに強度比が極小になるようにすることができる。これによって、合成光フィールドの形状の変形を抑え、透過中心光周波数付近において損失が増えるのを抑えることができる。本発明においては、１次モード光として合成される光波が伝播する第１のアーム導波路の途中に光減衰器を配置する。この光減衰器に、透過率が光周波数によって周期的に変化する機構を与えることによって、１次モード光の強度比を変調することができる。以下、詳細に本発明の光波長合分波回路の構成および動作を説明する。

本発明の光波長合分波回路は、同期ＡＷＧであって、一方のスラブ導波路側に接続された干渉回路内に設置された光減衰器を備えることを特徴とする。この光減衰器の透過率は光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近で極小値をとる。透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、透過率が比較的大きくなるように動作する。光減衰器の透過率変化の周期は、同期ＡＷＧの光周波数チャネル間隔を自然数（１、２、．．．）で除した光周波数とすることができる。透過中心光周波数付近ではなるべく透過率が小さいという要請から、好ましくは自然数は１または２とするのが良い。すなわち、光減衰器における透過率の変化周期は、同期ＡＷＧの光周波数チャネル間隔と同一か、または半分とするのが好ましい。

図１の（ａ）は、本発明の光波長合分波回路の構成図である。光波長合分波回路１００は、第１のスラブ導波路１０１、アレイ導波路１０２、第２のスラブ導波路１０３、第２の入出力導波路１０４および第１の入出力導波路１０５を備える。第１の入出力導波路１０５と第１のスラブ導波路１０１との間には、光スプリッタ１０６、第１のアーム導波路１０７、第２のアーム導波路１０８、光モード合成カプラ１０９が順次接続され、干渉回路を構成する。第１のアーム導波路１０７の途中には本発明に特徴的な光減衰器１１０が配置され、光減衰器１１０の透過率は光周波数に対して周期的に変化する。

図１の（ｂ）は、（ａ）における光モード合成カプラと第１のスラブ導波路との境界近傍であるＢ部を拡大して示した図である。光モード合成カプラ１０９によって、第１のスラブ導波路と接続する端面には、基底モード光および１次モード光フィールドの合成光フィールドが生じる。合成光フィールドのピーク位置は、接続端面に接するｐ軸上を、ｐ＝０を中心として正負両側に変位するのは既に述べたとおりである。

図２は、光モード合成カプラおよび第１のスラブ導波路が接続する端面で生じている各モードの光フィールド分布の例を示した図である。光モード合成カプラ１０９および第１のスラブ導波路１０１が接続する端面で生じている（ａ）基底モード光フィールド分布、（ｂ）１次モード光フィールド分布の例を示した。横軸は、図１におけるｐ座標軸に対応し、光モード合成カプラ１０９の中心位置をｐ＝０としている。

図３は、本発明の波長合分波回路における光減衰器の透過率変化の例を示した図である。横軸は、あるチャネルの光周波数をゼロとし、光周波数チャネル間隔を１とした規格化された光周波数を示した。縦軸は、透過率を真数（％）で示した。透過率変化として、０〜１００％の範囲で変化するコサインカーブを例示的に示した。実線は、透過率変化の周期が光周波数チャネル間隔と同一の場合を示し、破線は、透過率変化の周期が光周波数チャネル間隔の半分である場合を示している。比較として、一点破線で、光減衰器を備えていない従来技術の同期ＡＷＧの場合を示しており、透過率は１００％で一定である。

図４は、光減衰器により透過率変化が与えられたときの、２つのモード光の合成光フィールド分布の光周波数変化を示した図である。図３に示した各透過率変化が与えられた場合について、図２に示した２つのモード光の合成光フィールド分布の光周波数による変化を示している。ここで、光スプリッタ１０６における第１のアーム導波路１０７への分岐比は１０％とした。図４の（ａ）は、光減衰器無しで透過率が１００％一定である従来技術の同期ＡＷＧの場合を、（ｂ）は光減衰器の透過率変化の周期が光周波数チャネル間隔と同一の場合を、（ｃ）は光減衰器の透過率変化の周期が光周波数チャネル間隔の半分の場合をそれぞれ示した。それぞれについて、実線で合成光フィールドのピーク位置が中央にある場合（ｐ＝０）を、２種類の破線で合成光フィールドのピーク位置が中央から最も離れた最大変位位置にある場合の分布をそれぞれ示している。

図４の（ａ）からわかるように、従来技術による同期ＡＷＧの合成光フィールドにおいては、合成光フィールドのピーク位置が中央付近（ｐ＝０）にある場合に、フィールドプロファイルのピーク部が圧縮されており、基底モード光フィールド形状からの変形がみられる。これは、光モード合成カプラによって合成された１次モード光の影響によるものである。この合成光フィールド形状の変形に起因して、同期ＡＷＧの透過中心光周波数の近傍で損失が増大する傾向にある。したがって、従来技術の同期ＡＷＧを含む光波長合分波回路において平坦な透過特性を得るには、光モード合成カプラによって合成する１次モード光の強度比を、ある程度低く抑える必要がある。

一方、本発明による光減衰器を備えた光モード合成カプラによる合成光フィールドにおいては、図４の（ｂ）、（ｃ）おいて、合成光フィールドのピーク位置が中央付近（ｐ＝０）にある場合であっても、基底モード光フィールドの形状から逸脱した変形は生じない。これは、光減衰器１１０における透過率変化によって、１次モード光として結合すべき光波の強度が、ｐ軸上の合成光フィールドが中央付近（ｐ＝０）にあるとき、ほぼゼロとなっているためである。この光減衰器１１０の光透過率の変調作用により、同期ＡＷＧの透過中心光周波数の近傍においても損失増加が抑制される。全体として、合成する１次モード光の強度比を高めながらも透過帯域の平坦性を得ることが可能であり、広い透過帯域幅と平坦性を両立することができる。以下、本発明のより具体的な実施例について、詳細に説明する。

本発明の第１の実施例に係る光波長合分波回路は、同期ＡＷＧにおける光減衰器の透過率を、光周波数チャネル間隔と同一の周期で変化させた場合に対応する。

図５は、本実施例の同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の構成を示す平面図である。光波長合分波回路１１００は、第１のスラブ導波路１１０１、アレイ導波路１１０２、第２のスラブ導波路１１０３、第２の入出力導波路１１０４および第１の入出力導波路１１０５を備えている。第１の入出力導波路１１０５と第１のスラブ導波路１１０１との間には、光スプリッタとして機能する方向性結合器１１０６、第１のアーム導波路１１０７、第２のアーム導波路１１０８および光モード合成カプラ１１０９が順次接続されている。第１のアーム導波路の途中には、光減衰器１１１０が配置されている。光減衰器１１１０の透過率は、光周波数に応じて周期的に変化する。

各構成要素について詳細を説明すれば、光波長合分波回路１１００は、導波路の比屈折率差Δが１．５％、コア厚は４．５μｍである。アレイ導波路１１０２、第２の入出力導波路１１０４、第１の入出力導波路１１０５、第１のアーム導波路１１０７、第２のアーム導波路１１０８のコア幅は、いずれも４．５μｍである。また、第１のスラブ導波路１１０１、第２のスラブ導波路１１０３の長さは、いずれも７６００μｍである。

第２の入出力導波路１１０４は、第２のスラブ導波路１１０３に接続する部分において、１５μｍ間隔で波長チャネル数の導波路が配置されている。その第２のスラブ導波路側の終端には、開口幅１２μｍの直線テーパ導波路が設けられている。また光波長合分波回路１１００は、波長チャネル数が４０、光周波数チャネル間隔が１００ＧＨｚ、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過光周波数が１９４．１ＴＨｚに設計された。アレイ導波路１１０２の導波路本数は２００本であり、隣接するアレイ導波路間の長さの差は３３．９μｍである。第２のアーム導波路１１０８に対する第１のアーム導波路１１０７の長さの差は、２０２０μｍである。また、方向性結合器１１０６の第１のアーム導波路１１０７への分岐比は、１０％に設定された。

図６は、本実施例の光波長合分波回路において、光スプリッタ１１０６から第１のスラブ導波路１１０１に至る部分を拡大して示した平面図である。以下、各構成要素のさらに具体的な構成について説明する。

光減衰器１１１０は、第３のアーム導波路１２０１、前段光カプラとして機能する方向性結合器１２０２および後段光カプラとして機能する方向性結合器１２０３から構成される。光モード合成カプラ１１０９は、導波路幅の非対称な方向性結合器によって構成される。導波路１１０９ａおよび導波路１１０９ｂは、それぞれ第１アーム導波路１１０７および第２のアーム導波路１１０８に接続される。導波路１１０９ａの導波路幅は２．５μｍ、導波路１１０９ｂの導波路幅は８μｍであり、長さはいずれも５００μｍとしている。導波路１１０９ａにおける基底モード光の実効屈折率と、導波路１１０９ｂにおける１次モード光の実効屈折率とはほぼ一致している。したがって、導波路１１０９ａに入力した光はおおよそ１００％導波路１１０９ｂの１次モードに結合し、光モード合成カプラとして動作する。導波路１１０９ｂは、さらにマルチモード導波路１２０４、１２０６に接続される。２つのマルチモード導波路１２０４、１２０６間には、テーパ導波路１２０５が配置される。第１のスラブ導波路１１０１に接続する導波路１２０６の幅は、１６．５μｍとした。

光減衰器１１１０においては、第１のアーム導波路１１０７の一部分と第３のアーム導波路１２０１との長さの差によりマッハツェンダ干渉回路を形成している。その長さの差は２０２０μｍである。また、前段の方向性結合器１２０２の結合率は２５％、後段の方向性結合器１２０３の結合率は２５％とした。

図７は、本実施例の光波長合分波回路における光減衰器の透過率変化を示す図である。横軸は、規格化した光周波数であって、あるチャネルの透過中心光周波数をゼロとし、光周波数チャネル間隔を１としている。本実施例では、光減衰器１１１０の透過率は、２５％から１００％の範囲で、光周波数チャネル間隔と同一の周期で変化している。すなわち、光減衰器１１１０は、その透過率が光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近では極小値２５％をとる。そして、透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、透過率が比較的大きくなるように動作していることに注意されたい。

図８は、本実施例の光波長合分波回路における、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過スペクトル波形を示した図である。横軸は、光周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸は透過率をｄＢで表示した。

図９は、図８の透過スペクトル波形の先端部分を拡大して示した図である。横軸を２倍に、縦軸を１０倍にそれぞれ拡大している。図８および図９からわかるように、本実施例の光波長合分波回路は、透過帯域の平坦さを維持しながら、従来技術に比べて帯域幅の拡大を実現している。本実施例において０．５ｄＢ透過帯域幅は６２ＧＨｚであり、光周波数チャネル間隔（１００ＧＨｚ）の６２％を実現している。従来技術では、０．５ｄＢ帯域幅は、最大でも光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であったのと比べて、１７％も拡大している。

本実施例では、図６に示したように、光モード合成カプラ１１０９として、導波路幅が非対称な方向性結合器を適用したが、光モード合成カプラ１１０９の実現方法はこの構成に限定されず、様々な方法を利用できる。

図１０は、別構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。図１０の構成は、図６の構成と同様に非対称な方向性結合器を含む。しかし、一方の導波路１１０９ａが、さらに接続される出力導波路を経て溝１３０１によって終端されている点で、図６の構成と相違する。溝１３０１には光を吸収するような遮光材料が挿入されており、遮光材料と出力導波路の界面は導波路に垂直ではなく、垂直面から８度傾いている。この構成により、図６の構成と比較して、導波路１１０９ａから導波路１１０９ｂに結合せずに僅かに残る光を遮断することができる。第１のスラブ導波路１１０１などに迷光が侵入することを抑制し、また再び出力導波路方向へ反射する光を抑制することもできるため、よりクロストークおよび反射特性に優れた光波長合分波回路を実現できる特徴を持つ。

図１１は、さらに別の構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。本構成も、図６の構成と同様に非対称な方向性結合器を含む。しかし、導波路１１０９ａはその幅が徐々に狭くなり、幅が０となって終端する構造になっている点で、図６の構成と相違する。導波路１１０９ａ、１１０９ｂの長さは、それぞれ１５００μｍとした。この構成により、図６の構成に比較して、導波路１１０９ａから導波路１１０９ｂへの光波の結合率をさらに１００％に近づけることができるため、より損失特性に優れた光波長合分波回路が実現可能である。

図１２は、他の構成による光モード合成カプラ近傍を拡大して示した構成図である。本構成においては、光モード合成カプラ１１０９は２つのマルチモード干渉回路（ＭＭＩ）から構成される。この構成については詳しくは、非特許文献１に記載されている。本光モード合成カプラ１１０９は、第１のＭＭＩ１４０１、第２のＭＭＩ１４０２、中間導波路１４０３、１４０４、１４０５から構成される。第１のＭＭＩ１４０１は幅２０μｍ、長さ７５４μｍであり、第２のＭＭＩ１４０２は幅２０μｍ、長さ３７７μｍである。さらに、中間導波路１４０３は幅４．５μｍ、長さ５０μｍであり、中間導波路１４０４は幅４．５μｍ、長さ５１．５μｍであり、中間導波路１４０５は幅４．５μｍ、長さ５３μｍである。

一般に、ＭＭＩは方向性結合器と比較して、導波路幅の変化に対する分岐特性の変化が小さい。本構成により、図６の構成に比較して、導波路の幅に作製誤差が生じた場合でも、アーム導波路１４０７から入力した基底モード光がマルチモード導波路１２０５の一次モードに結合する結合率が影響されない。このため、作製トレランスがより緩和され生産性に優れた光波長合分波回路を実現可能することができる。

本発明の第２の実施例に係る光波長合分波回路は、同期ＡＷＧにおける光減衰器の透過率を、光周波数チャネル間隔の半分の周期で変化させた場合に対応する。

図１３は、本実施例における、同期ＡＷＧ型の光波長合分波回路の構成を示す平面図である。本実施例の光波長合分波回路２１００は、第１のスラブ導波路２１０１、アレイ導波路２１０２、第２のスラブ導波路２１０３、第２の入出力導波路２１０４および第１の入出力導波路２１０５を備える。第１の入出力導波路２１０５と第１のスラブ導波路２１０１との間には、光スプリッタとして機能する方向性結合器２１０６、第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８、光モード合成カプラ２１０９が順次接続される。第１のアーム導波路２１０７の途中には、光減衰器２１１０が配置される。光減衰器２１１０の透過率は、光周波数に応じて、周期的に変化する。

各構成要素について詳細を説明すれば、光波長合分波回路２１００は、導波路の比屈折率差Δが１．５％、コア厚４．５μｍである。、アレイ導波路２１０２、第２の入出力導波路２１０４、第１の入出力導波路２１０５、第１のアーム導波路２１０７、第２のアーム導波路２１０８のコア幅は、それぞれ４．５μｍである。第１のスラブ導波路２１０１、第２のスラブ導波路２１０３の長さは、それぞれ７６００μｍである。第２の入出力導波路２１０４は、第２のスラブ導波路２１０３に接続する部分において１５μｍ間隔で波長チャネル数の導波路が配置されている。第２のスラブ導波路２１０３側の終端には、開口幅１３μｍの直線テーパ導波路が設けられている。

光波長合分波回路２１００は、波長チャネル数４０、光周波数チャネル間隔１００ＧＨｚ、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過光周波数１９４．１ＴＨｚと設計された。アレイ導波路２１０２の導波路本数は２００本であり、隣接するアレイ導波路の長さの差は３３．９μｍである。第２のアーム導波路２１０８に対する第１のアーム導波路２１０７の長さの差は、２０２０μｍである。方向性結合器２１０６の第１のアーム導波路１１０７への分岐比は、１０％に設定された。

図１４は、本実施例の光波長合分波回路において、光スプリッタ２１０６から第１のスラブ導波路２１０１に至る部分を拡大して示した平面図である。以下、各構成要素のさらに具体的な構成について説明する。

光減衰器２１１０は、第３のアーム導波路２２０１、前段光カプラとして機能する方向性結合器２２０２および後段光カプラとして機能する方向性結合器２２０３から構成される。光モード合成カプラ２１０９は、導波路幅の非対称な方向性結合器で構成される。導波路２１０９ａおよび導波路２１０９ｂは、それぞれ第１のアーム導波路２１０７および第２のアーム導波路２１０８に接続される。光モード合成カプラ２１０９において、導波路２１０９ａは、幅が２．５μｍから徐々に狭まって終端しており、導波路２１０９ｂは幅一定の８μｍである。

方向性結合器２２０２、２２０３の長さは、それぞれ１５００μｍとした。導波路２１０９ａに入力した光は、ほぼ１００％導波路２１０９ｂの１次モードに結合し、光モード合成カプラとして動作する。導波路２１０９ｂは、マルチモード導波路２２０５、２２０７にさらに接続される。マルチモード導波路２２０５、２２０７の間には、テーパ導波路２２０６が配置される。第１のスラブ導波路２１０１に接続する導波路２２０７の幅は、１３μｍに設計された。

光減衰器２１１０においては、第１のアーム導波路２１０７の一部分と第３のアーム導波路２２０１との長さの差に基づいて、マッハツェンダ干渉回路を形成している。その長さの差は４０４０μｍである。また、方向性結合器２２０２の結合率は２５％、方向性結合器２２０３の結合率は２５％にそれぞれ設計された。

図１５は、本実施例の光波長合分波回路における光減衰器２１１０の透過率変化を示す図である。横軸は規格化した光周波数であって、あるチャネルの透過中心光周波数をゼロとし、光周波数チャネル間隔を１としている。本実施例において光減衰器２１１０の透過率は、２５％から１００％の範囲で、光周波数チャネル間隔の半分の周期で変化している。すなわち、光減衰器２１１０は、その透過率が光周波数によって変化し、同期ＡＷＧの透過中心光周波数付近では極小値２５％をとる。そして、透過中心光周波数からある程度離れた光周波数では、透過率が比較的大きくなるように動作していることに注意されたい。

図１６は、本実施例の光波長合分波回路２１００における、中央のチャネル（２１番目のチャネル）の透過スペクトル波形を示した図である。横軸は、光周波数（ＴＨｚ）を示し、縦軸は透過率（ｄＢ）でを示した。

図１７は、図１６の透過スペクトル波形の先端部分を拡大して示した図である。横軸を２倍に、縦軸を１０倍にそれぞれ拡大している。図１６および図１７からわかるように、本実施例の光波長合分波回路２１００は、透過帯域の平坦性を維持しながら、従来技術と比べて帯域幅の拡大を実現している。本実施例では、０．５ｄＢ透過帯域幅は５４ＧＨｚであり、光周波数チャネル間隔（１００ＧＨｚ）の５４％を実現している。従来技術では、０．５ｄＢ帯域幅は、光周波数チャネル間隔の４５％程度が限界であったのと比べて、９％拡大している。

以上詳細に説明してきたように、本発明による光波長合分波回路では、透過帯域の平坦性を維持しながらも、従来技術の同期ＡＷＧと比較して帯域幅を大幅に拡大することができる。

上述の各実施形態では、導波路の比屈折率差、コア幅、コア厚を特定の値に限定したが、本発明はこれらの値に限定されない。各実施形態では、同期ＡＷＧの設計パラメーターを特定の値に限定したが、同様にこれらのパラメーターに限定されない。さらに、上述の各実施形態では、光減衰器の透過率の変化範囲を特定の値に限定したが、本発明は、これらの値に限定されない。

上述の実施形態では、前段カプラおよび後段カプラの実現手段を方向性結合器として説明したが、本発明は、この実現手段に限定されず、所定の結合率を達成できる限りどのようなカプラも適用できる。例えば、ＭＭＩなども適用可能である。

上述の実施形態では、光スプリッタの実現手段を方向性結合器として説明したが、本発明は、この実現手段に限定されず、所定の分岐比を達成できる限りどのようなスプリッタも適用できる。例えば、Ｙ分岐やＭＭＩなども適用可能である。

また、上述の実施形態では、光モード合成カプラと第１のスラブ導波路との間に、マルチモード導波路およびテーパ導波路を設置したが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、光モード合成カプラを第１のスラブ導波路に接続するなどとしても有効である。

以上詳細に説明したように、本発明の光波長合分波回路は、従来技術の同期ＡＷＧにおいて、干渉回路内に光減衰器を設け、その透過率を光周波数に応じて変調することによって、１次モード光の強度比を変調する。透過中心波長における損失を抑えて、従来技術の透過帯域の帯域幅の制限を解決する。透過帯域の平坦性および広い帯域幅を両立することができる。１つの信号光が多くの地点を通過するような通信システムにおいても、十分に適用することができる光波長合分波回路が実現される。

本発明は、光通信システムに利用できる。例えば、アレイ導波路回折格子を基本構成とした光波長合分波回路に利用できる。

１００、１１００、２１００、３１００光波長合分波回路
１０１、１１０１、２１０１、３１０１第１のスラブ導波路
１０２、１１０２、２１０２、３１０２アレイ導波路
１０３、１１０３、２１０３、３１０３第２のスラブ導波路
１０４、１１０４、２１０４、３１０４第２の入出力導波路
１０５、１１０５、２１０５、３１０５第１の入出力導波路
１０６、１１０６、２１０６、３１０６光スプリッタ
１０７、１１０７、２１０７、３１０７第１のアーム導波路
１０８、１１０８、２１０８、３１０８第２のアーム導波路
１０９、１１０９、２１０９、３１０９光モード合成カプラ
１１０、１１１０、２１１０光減衰器
１１０８ａ、１１０９ｂ、２１０９ａ、２１０９ｂ、３１０９ａ、３１０９ｂ導波路
１２０１、２２０１第３のアーム導波路
１２０２、１２０２、２２０２、２２０２方向性結合器
１２０４、１２０６、２２０５、２２０７、３２０１、３２０３マルチモード導波路
１２０５、２２０６、３２０２テーパ導波路
１３０１溝
１４０１、１４０２ＭＭＩ
１４０３、１４０４、１４０５中間導波路

Claims

アレイ導波路と、前記アレイ導波路の両端に接続された第１のスラブ導波路および第２のスラブ導波路とを含むアレイ導波路回折格子と、干渉回路を介して前記第１のスラブ導波路に光学的に接続された第１の入出力導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された第２の入出力導波路とを備えた光波長合分波回路において、
前記干渉回路は、
第１のアーム導波路と、
前記第１のアーム導波路に並置され、長さの異なる第２のアーム導波路と、
前記第１のアーム導波路および前記第２のアーム導波路の各一端と前記第１のスラブ導波路の端部との間に接続された光モード合成カプラであって、前記光モード合成カプラは、前記第１のアーム導波路から入力される基底モード光を１次モード光に結合させ、前記第１のスラブ導波路との接続面において、ピーク位置が周期的に変化する光フィールド分布を形成することと、
前記第１アーム導波路および前記第２のアーム導波路の各他端に接続された光スプリッタとを含み、
前記干渉回路の光周波数周期が、前記アレイ導波路回折格子の光周波数チャネル間隔に一致しており、
前記第１のアーム導波路の途中に配置され、透過率が前記干渉回路の光周波数周期と同一または半分の周波数周期で変化し、前記アレイ導波路回折格子における各チャネルの透過中心光周波数の近傍で前記透過率が極小値をとる光減衰器をさらに含むことを特徴とする光波長合分波回路。
前記光減衰器は、所定の光路長差を有する第３のアーム導波路および第４のアーム導波路と、前記２つのアーム導波路の両端に接続する前段光カプラおよび後段光カプラとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の光波長合分波回路。
前記光モード合成カプラは、幅の異なる２本の導波路から構成された方向性結合器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長合分波回路。
前記方向性結合器の前記２本の導波路の内で、幅が狭い導波路は、前記第１のアーム導波路側からその幅を徐々に減少させ、特定の幅まで狭まった位置で終端することを特徴とする請求項３に記載の光波長合分波回路。
前記方向性結合器の前記２本の導波路に内で、幅が狭い導波路は、光を減衰させる遮光材料が挿入された溝によって、所定の位置で終端されることを特徴とする請求項３に記載の光波長合分波回路。
前記光モード合成カプラは、光の進行方向に縦列に連結された２つのマルチモード干渉回路から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光波長合分波回路。