(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の光導波路をＮ＋１個所（Ｎは２以上の整数）で結合する光カップラを備え、１つの入力ポートに対してスルー出力ポートとクロス出力ポートとを有する２入力２出力の光合分波素子を使用して、
第１の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートと第２の２入力２出力光合分波素子の入力ポートとを接続し、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートと第３の２入力２出力光合分波素子の入力ポートとを接続し、
一定波長間隔のλ１，λ２，…，λＭ（Ｍは２以上の整数）の波長多重信号を前記第１の２入力２出力光合分波素子の入力ポートに入力した場合に、前記第２の２入力２出力光合分波素子の選択された出力ポートから、λ１，λ３，…，λＭ−１の波長多重信号が出力され、前記第３の２入力２出力光合分波素子の選択された出力ポートから、λ２，λ４，…，λＭの波長多重信号が出力される光分波器において、
前記第２の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートを選択し、かつ、前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートを選択し、
前記第１の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯と前記第２の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯とが一致しており、かつ、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯と前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯とが一致しており、
前記第１の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性と前記第２の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性とが逆特性であり、かつ、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性と前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性とが逆特性であることを特徴とする光分波器。
【請求項２】
２本の光導波路をＮ＋１個所（Ｎは２以上の整数）で結合する光カップラを備え、１つの出力ポートに対してスルー入力ポートとクロス入力ポートとを有する２入力２出力の光合分波素子を使用して、
第１の２入力２出力光合分波素子の出力ポートと第３の２入力２出力光合分波素子のスルー入力ポートとを接続し、第２の２入力２出力光合分波素子の出力ポートと前記第３の２入力２出力光合分波素子のクロス入力ポートとを接続し、
前記第１の２入力２出力光合分波素子の選択された入力ポートに一定波長間隔のλ１，λ３，…，λＭ−１（Ｍは２以上の整数）の波長多重信号を入力し、前記第２の２入力２出力光合分波素子の選択された入力ポートに一定波長間隔のλ２，λ４，…，λＭの波長多重信号を入力した場合に、前記第３の２入力２出力光合分波素子の出力ポートからλ１，λ２，…，λＭの波長多重信号が出力される光合波器において、
前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス入力ポートを選択し、かつ、前記第２の２入力２出力光合分波素子のスルー入力ポートを選択し、
前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯と前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯とが一致しており、かつ、前記第３の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯と前記第２の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯とが一致しており、
前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性と前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性とが逆特性であり、かつ、前記第３の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性と前記第２の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性とが逆特性であることを特徴とする光合波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光分波器および光合波器に関し、より詳細には、光通信、光交換、光コンピューティング等の分野で使用される多段マッハツェンダ構成の光合分波素子をタンデム接続した光分波器および光合波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信、光交換、光コンピューティング、特に、複数の異なる波長の光信号を多重化して通信する波長多重光通信の分野において、波長の異なる２組の信号光を１つの出力ポートに合波する光合波器と、波長多重された信号光を波長により２つの出力ポートに分離する光分波器との重要性が増している。また、透過域と阻止域のバンド幅が等しい光合分波器（インターリーバという。）は、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）と組み合わされて、ＡＷＧのチャンネル数を倍に拡大するための部品として、注目を集めている。
【０００３】
このような要求に答えることのできる部品として、例えば、小熊他、平成１１年度電子情報通信学会ソサイエティ大会Ｃ−３−９６には、透過域と阻止域とが平坦特性をもつ光合分波素子が記載されている。また、千葉他、平成１２年度電子情報通信学会総合大会Ｃ−３−８４には、単体の光合分波素子だけでは、十分な阻止値が得られないことから、光合分波素子を２段タンデムに接続した複合型の光合分波器が報告されている。
【０００４】
図９は、従来の光分波器の回路構成を示した図である。光分波器は、光路長差が各々、１：−２、１：−２、−１：２である２段光合分波素子９０−１，９０−２，９０−３を、２段にタンデム接続している。ここで、光路長差とは、光信号のチャネル間隔で規定される単位光路長差により規格化したものである。光路長差の正負は、各マッハツェンダ回路における２つのアームの内、上部アームの光路長が長い場合を正、下部アームの光路長が長い場合を負と定義している。前段には、１個の２段光合分波素子９０−１（Ｎ＝２に対応）を、後段には、２個の２段光合分波素子９０−２，９０−３を配している。
【０００５】
２段光合分波素子９０−１，９０−２，９０−３は、３つの方向性結合器９３−１〜９３−９により、２段マッハツェンダ構成とし、各光路の上には、位相を制御するための位相シフタ９４−１〜９４−６が設けられている。
【０００６】
タンデム接続された光分波器においては、前段の２段光合分波素子９０−１の入力ポートＩＮ１ａから一定波長間隔のλ１，λ２，…，λＭ（Ｍは２以上の整数）の波長多重信号を入力すると、後段の２段光合分波素子９０−２の選択された１個の出力ポートＯＵＴ２ｃから、λ１，λ３，…，λＭ−１の波長多重信号が出力され、後段の２段光合分波素子９０−３の選択された１個の出力ポートＯＵＴ４ｃから、λ２，λ４，…，λＭの波長多重信号が出力される。
【０００７】
このようなタンデム接続型の光合分波器では、出力ポートの選択に、後段の２段光合分波素子９０−２における２個の出力ポートＯＵＴ１ｃ，ＯＵＴ２ｃの内どちらのポートを選ぶか、後段のもう一方の２段光合分波素子９０−３における２個の出力ポートＯＵＴ３ｃ，ＯＵＴ４ｃの内どちらのポートを選ぶかによって、２×２＝４通りの方法がある。
【０００８】
前段の２段光合分波素子９０−１のスルー出力ポート（すなわち、入力ポートと物理的に光導波路が結ばれている出力ポート。）ＯＵＴ１ｂに接続された２段光合分波素子９０−２においては、スルー出力ポートＯＵＴ２ｃが選択されている。前段の２段光合分波素子９０−２のクロス出力ポート（すなわち、入力ポートと物理的に光導波路が結ばれていない出力ポート。）ＯＵＴ２ｂに接続された２段光合分波素子９０−３においては、クロス出力ポートＯＵＴ４ｃが選択されている。このように、従来の光合分波器では、前段スルー出力と後段スルー出力及び前段クロス出力と後段クロス出力の組合せとなるように、出力ポートが選択されている。
【０００９】
このような出力ポートの選択を採用している理由は、前段と後段で群遅延が相殺されて、零群遅延特性が得られるためである。さらに、単体の光合分波素子に作製誤差があっても、群遅延の相殺効果のために群遅延がほぼ零に保持される。このように、従来の光合分波器は、群遅延特性が回路の作製誤差に対して影響を受けにくいという特徴がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光合分波器は、群遅延特性が回路の作製誤差の影響を受けにくく、ほぼ零に近い群遅延特性が得られるが、透過特性が作製誤差の影響を受けやすい。従来の光合分波器は、作製誤差がある場合には良好な阻止値が得られないという問題があった。
【００１１】
実際に光合分波器が使用される際には、群遅延はある許容値以下に抑えられていれば良く、なるべく透過特性のよい光合分波器が求められることが多い。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、透過特性が回路の作製誤差の影響を受けにくく、群遅延分散の小さな光分波器および光合波器を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
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、２本の光導波路をＮ＋１個所（Ｎは２以上の整数）で結合する光カップラを備え、１つの入力ポートに対してスルー出力ポートとクロス出力ポートとを有する２入力２出力の光合分波素子を使用して、第１の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートと第２の２入力２出力光合分波素子の入力ポートとを接続し、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートと第３の２入力２出力光合分波素子の入力ポートとを接続し、一定波長間隔のλ１，λ２，…，λＭ（Ｍは２以上の整数）の波長多重信号を前記第１の２入力２出力光合分波素子の入力ポートに入力した場合に、前記第２の２入力２出力光合分波素子の選択された出力ポートから、λ１，λ３，…，λＭ−１の波長多重信号が出力され、前記第３の２入力２出力光合分波素子の選択された出力ポートから、λ２，λ４，…，λＭの波長多重信号が出力される光分波器において、前記第２の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートを選択し、かつ、前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートを選択し、前記第１の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯と前記第２の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯とが一致しており、かつ、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯と前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯とが一致しており、前記第１の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性と前記第２の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性とが逆特性であり、かつ、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性と前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性とが逆特性であることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、出力ポートの選択により、回路の作製誤差による特性のずれが、入力ポートと２つの出力ポートとの間で等しくなり、透過特性の作製誤差を小さく抑えることができ、群遅延分散を許容値以下にすることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、２本の光導波路をＮ＋１個所（Ｎは２以上の整数）で結合する光カップラを備え、１つの出力ポートに対してスルー入力ポートとクロス入力ポートとを有する２入力２出力の光合分波素子を使用して、第１の２入力２出力光合分波素子の出力ポートと第３の２入力２出力光合分波素子のスルー入力ポートとを接続し、第２の２入力２出力光合分波素子の出力ポートと前記第３の２入力２出力光合分波素子のクロス入力ポートとを接続し、前記第１の２入力２出力光合分波素子の選択された入力ポートに一定波長間隔のλ１，λ３，…，λＭ−１（Ｍは２以上の整数）の波長多重信号を入力し、前記第２の２入力２出力光合分波素子の選択された入力ポートに一定波長間隔のλ２，λ４，…，λＭの波長多重信号を入力した場合に、前記第３の２入力２出力光合分波素子の出力ポートからλ１，λ２，…，λＭの波長多重信号が出力される光合波器において、前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス入力ポートを選択し、かつ、前記第２の２入力２出力光合分波素子のスルー入力ポートを選択し、前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯と前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯とが一致しており、かつ、前記第３の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの透過波長帯と前記第２の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの透過波長帯とが一致しており、前記第３の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性と前記第１の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性とが逆特性であり、かつ、前記第３の２入力２出力光合分波素子のクロス出力ポートの群遅延特性と前記第２の２入力２出力光合分波素子のスルー出力ポートの群遅延特性とが逆特性であることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、入力ポートの選択により、回路の作製誤差による特性のずれが、２つの入力ポートと出力ポートとの間で等しくなり、透過特性の作製誤差を小さく抑えることができ、群遅延分散を許容値以下にすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
（光分波器）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光分波器の回路構成を示した図である。光合分波素子１０−１，１０−２，１０−３は、２段マッハツェンダ構成であり、光路長差は各々、１：−２、−１：２、１：−２である。ここで光路長差の正負は、各マッハツェンダ回路における２つのアームの内、上部アームの光路長が長い場合を正、下部アームの光路長が長い場合を負と定義している。
【００１９】
第１の実施形態では、光カップラとして方向性結合器を用いる。方向性結合器１３−１，１３−４，１３−７は３ｄＢカップラである。方向性結合器１３−２，１３−５，１３−８が、互いに同じ結合率を有し、方向性結合器１３−３，１３−６，１３−９が、互いに同じ結合率を有する。各光路の上には、位相を制御するための位相シフタ１４−１〜１４−６が設けられている。位相シフタ１４−１は、導波路１４−１ａまたは導波路１４−１ｂのいずれか一方の屈折率を変えて、各々の導波路を透過する信号光に位相差を与える。
【００２０】
光分波器は、光合分波素子１０−１，１０−２，１０−３を構成要素として、前段には、１個の光合分波素子１０−１を、後段には、２個の光合分波素子１０−２，１０−３を配し、２段にタンデム接続している。光合分波素子１０−２は、光路長差が光合分波素子１０−１，１０−３とは逆に−１：２となっている。
【００２１】
前段の光合分波素子１０−１における２個の位相シフタ１４−１，１４−２の位相量は０である。後段の光合分波素子１０−２，１０−３における位相シフタ１４−３，１４−５の位相量はπであり、位相シフタ１４−４，１４−６の位相量は０である。位相シフタ１４−３，１４−５の位相量πは、後段の光合分波素子１０−２，１０−３の透過特性を、光合分波素子１０−１の透過特性に対して半周期ずらせるためである。このようにして、光合分波素子１０−１のスルー出力ポートの透過波長帯と光合分波素子１０−２のクロス出力ポートの透過波長帯とを一致させ、光合分波素子１０−１のクロス出力ポートの透過波長帯と光合分波素子１０−３のスルー出力ポートの透過波長帯とを一致させることができる。
【００２２】
前段の光合分波素子１０−１のスルー出力ポートＯＵＴ１ｂに接続された後段の光合分波素子１０−２では、２個の出力ポートＯＵＴ１ｃ，ＯＵＴ２ｃの内、出力ポートとしてクロス出力ポートＯＵＴ１ｃを選択して使用している。また、前段の光合分波素子１０−１のクロス出力ポートＯＵＴ２ｂに接続された後段の光合分波素子１０−３では、２個の出力ポートＯＵＴ３ｃ，ＯＵＴ４ｃの内、出力ポートとしてスルー出力ポートＯＵＴ３ｃを選択して使用している。
【００２３】
（光合波器）
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる光合波器の回路構成を示した図である。光合分波素子２０−１，２０−２，２０−３は、２段マッハツェンダ構成であり、光路長差は各々、２：−１、−２：１、−２：１である。方向性結合器２３−１，２３−４，２３−７は３ｄＢカップラである。方向性結合器２３−２，２３−５，２３−８が、互いに同じ結合率を有し、方向性結合器２３−３，２３−６，２３−９が、互いに同じ結合率を有する。各光路の上には、位相を制御するための位相シフト２４−１〜２４−６が設けられている。
【００２４】
光合波器は、光合分波素子２０−１，２０−２，２０−３を構成要素として、前段には、２個の光合分波素子２０−１，２０−２を、後段には、１個の光合分波素子２０−３を配し、２段にタンデム接続している。光合分波素子２０−１は、光路長差が光合分波素子２０−２，２０−３とは逆に２：−１となっている。
【００２５】
後段の光合分波素子２０−３における２個の位相シフタ２４−１，２４−２の位相量は０である。前段の光合分波素子２０−１，２０−２における位相シフタ２４−３，２４−５の位相量はπであり、位相シフタ２４−４，２４−６の位相量は０である。位相シフタ２４−３，２４−５の位相量πは、前段の光合分波素子２０−１，２０−２の透過特性を、光合分波素子２０−３の透過特性に対して半周期ずらせるためである。このようにして、光合分波素子２０−３のスルー出力ポートの透過波長帯と光合分波素子２０−１のクロス出力ポートの透過波長帯とを一致させ、光合分波素子２０−３のクロス出力ポートの透過波長帯と光合分波素子２０−２のスルー出力ポートの透過波長帯とを一致させることができる。
【００２６】
後段の光合分波素子２０−３のスルー入力ポートＩＮ１ｂに接続された前段の光合分波素子２０−１では、２個の入力ポートＩＮ１ａ，ＩＮ２ａの内、入力ポートとしてクロス入力ポートＩＮ１ａを選択して使用している。また、後段の光合分波素子２０−３のクロス入力ポートＩＮ２ｂに接続された前段の光合分波素子２０−２では、２個の入力ポートＩＮ３ａ，ＩＮ４ａの内、入力ポートとしてスルー入力ポートＩＮ３ａを選択して使用している。
【００２７】
光分波器の説明と光合波器の説明とは、同様な記述が重なるので、これ以降は光分波器のみに限定して記述するが、本発明は光分波器のみに限定されるものではなく、光分波器に関して記述したことは光合波器にも同様に適用されることをここに述べておく。
【００２８】
ここでは、構成要素の光合分波素子の光路長差は１：−２としているが、方向性結合器の結合率を変えたり、位相シフタの位相量を変化させることにより、光路長差±１：±２（以下±は、＋か−かのいずれかを選択することを示す。）の任意の光合分波素子を作製することが可能である。本実施形態では、２段マッハツェンダ構成の光合分波素子（Ｎ＝２に対応）を用いているが、３段以上の段数をもつマッハツェンダ構成の光合分波素子（Ｎ≧３）に置き換えることも可能である。この際、回路構成は２段と同じで光路長差が±１：±２：±２：…：±２となる。また、３段の場合、±１：±２：±４という光路長差を使用することも可能である。
【００２９】
図１に示した光分波器は、前段の光合分波素子１０−１と後段の光合分波素子１０−２，１０−３とは、位相シフタの位相量のみ異なる同種の光合分波素子を用いていた。例えば、第２の実施形態で後述する光分波器のように、前段を最大平坦フィルタとし、後段を透過域、阻止域において等リップル特性を有するフィルタとし、種類の異なるフィルタ特性を有する光合分波素子を用いることも可能である。
【００３０】
（動作説明）
図１を用いて、前段の光合分波素子１０−１の入力ポートＩＮ１ａより波長多重信号が入力された場合の光分波器の動作を説明する。光合分波素子１０−１の入力ポートＩＮ１ａからスルー出力ポートＯＵＴ１ｂへの伝達関数をＧ１(z)とし、クロス出力ポートＯＵＴ２ｂへの伝達関数をＨ１(z)と表す。ここで、ｚは、ディジタルフィルタの分野で用いられるｚ変換のｚ変数で、ｚ＝ｅｘｐ（ｊ２πω／ω０）と定義される。ω０は、光信号のチャネル間隔に対応する周波数である。
【００３１】
光合分波素子１０−１のスルー出力ポートＯＵＴ１ｂから光合分波素子１０−２のクロス出力ポートＯＵＴ１ｃまでの伝達関数をＨ２(-z)と表すと、光合分波素子１０−１の入力ポートＩＮ１ａから光合分波素子１０−２のクロス出力ポートＯＵＴ１ｃまでの伝達関数はＧ１(z) Ｈ２(-z)と表される。ここで、伝達関数の下添え字１，２は、前段を１と表現し、後段を２と表現する。また、−ｚは、ｚの定義からわかるように、半周期のずれを表す。後段の光合分波素子１０−２，１０−３の位相シフタ１４−３，１４−５の位相量がπであるために、その特性は半周期ずれており、伝達関数は−ｚの関数となる。
【００３２】
このように、後段の光合分波素子１０−２，１０−３の特性を半周期ずらせているのは、前段の光合分波素子１０−１のスルー出力ポートの透過波長帯と後段の光合分波素子１０−２のクロス出力ポートの透過波長帯とを一致させ、前段の光合分波素子１０−１のクロス出力ポートの透過波長帯と後段の光合分波素子１０−３のスルー出力ポートの透過波長帯とを一致させるためである。
【００３３】
光合分波素子１０−１のクロス出力ポートＯＵＴ２ｂから光合分波素子１０−３のスルー出力ポートＯＵＴ３ｃまでの伝達関数をＧ２(-z)とすると、光合分波素子１０−１の入力ポートＩＮ１ａから光合分波素子１０−３のスルー出力ポートＯＵＴ３ｃまでの伝達関数はＨ１(z) Ｇ２(-z)と表される。
【００３４】
図１に示した光分波器の構成では、後段の光合分波素子１０−２，１０−３は、前段と同じ方向性結合器を用い、光路長差が１のマッハツェンダ回路で位相をπだけずらしている。従って、後段の光合分波素子１０−２，１０−３の伝達特性は、前段の光合分波素子１０−１の半周期ずれた伝達特性を有する。つまり、後段の光合分波素子１０−２，１０−３の伝達関数は、前段の光合分波素子１０−１の伝達関数と同じ伝達関数をｚ→−ｚ変換した関数と表される。
【００３５】
ここで、この関数をＧ１(z) ＝Ｇ(z) 、Ｇ２(-z)＝Ｇ(-z)、Ｈ１(z) ＝Ｈ(z) 、Ｈ２(-z)＝Ｈ(-z)と表すことにする。この式を用いると、全体の光分波器の伝達関数は、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポート（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）の伝達関数がＧ(z) Ｈ(-z)、前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポート（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）の伝達関数がＨ(z) Ｇ(-z)と表される。前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの伝達関数Ｇ(z) Ｈ(-z)をｚ→−ｚ変換すれば、前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの伝達関数Ｈ(z) Ｇ(-z)に等しくなる。従って、図１に示した光合分波器は、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの伝達関数と、半周期ずれた前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの伝達関数とが等しくなること、言い換えれば、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの特性が半周期ずれた前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの特性に等しくなることを表している。
【００３６】
一般に、図１に示した光合分波素子の理想とされる透過域と阻止域のバンド幅が等しい条件（以下、インターリーバ条件という。）は、
Ｇ(z) ＝Ｈ＊(-z)                              （式１）
で表される。ここで、Ｈ＊(-z)＝Ｈ＊（１／ｚ＊)z−Ｎで定義される。式１の関係式は、光合分波素子のスルー特性Ｇ(z)が、群遅延特性が逆で半周期ずれたクロス特性Ｈ＊(-z)に等しいことを表している。ここで、スルー出力ポートの透過特性とクロス出力ポートの透過特性が逆の群遅延特性をもつように設定されているが、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートと通過してきた信号の群遅延特性と、前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートと通過してきた信号の群遅延特性とを相殺するためである。
【００３７】
具体的に、式１を用いて、全体の光分波器の伝達関数を表すと、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの伝達関数Ｇ(z) Ｈ(-z)がＧ(z) Ｇ＊(z)となり、前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの伝達関数Ｈ(z) Ｇ(-z)がＧ＊(-z)Ｇ(-z)となる。このことから、式１のインターリーバ条件を満たした場合、前段のスルー出力ポートの透過特性はＧ(z)となり、後段のクロス出力ポートの透過特性はＧ＊(z)となって逆群遅延特性を有する。前段のクロス出力ポートの透過特性はＧ＊(-z)となり、後段のスルー出力ポートの透過特性はＧ(-z)となって、逆の群遅延特性を有する。相殺効果により前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの特性及び前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの特性は、共に群遅延特性が零になることがわかる。前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの特性が、半周期ずれた前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの特性に等しくなることもわかる。
【００３８】
ただし、作製誤差により、式１のインターリーバ条件からはずれると、前段と後段での群遅延特性を相殺する効果は少なくなり、群遅延が発生する。しかし、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの特性が、半周期ずれた前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの特性に等しくなるという関係は維持されているので、作製誤差が前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの特性と、前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの特性とが均等に分配されるという特徴は維持される。
【００３９】
一般に、作製誤差により方向性結合器の結合率が均一にずれた場合でも、光合分波素子のスルー出力ポートの透過特性とクロス出力ポートの透過特性は異なることが知られている。本発明の光合分波器が作製誤差の影響を受けない理由は、この光合分波素子のスルー出力ポートの透過特性とクロス出力ポートの透過特性の作製誤差による差異を、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートと通過し、前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートと通過することにより均等化するためである。
【００４０】
一方、図９に示した従来の光分波器について、同様の考察をおこなうと、従来の光分波器では、前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポート及び前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートとなるように回路構成がなされている。前段と後段とは、同じ光合分波素子を用いている。前述した表記を用いると、前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポートの伝達関数（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ２ｃ）はＧ(z) Ｇ＊(z)となり、前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートの伝達関数（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ４ｃ）はＨ(z) Ｈ＊(z)となる。従って、前段と後段の群遅延の相殺効果により、常に群遅延特性が零であることがわかる。特に、式１のインターリーバ条件では、前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートの伝達関数がＨ(z) Ｈ＊(z) ＝Ｇ＊(-z)Ｇ(-z)と表されることから、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポートの特性が半周期ずれた前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートの特性に等しくなることがわかる。
【００４１】
しかし、作製誤差によりインターリーバ条件からはずれると、前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポートの特性が半周期ずれた前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートの特性に等しくなくなる。つまり、光合分波素子の前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポートの特性と前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートの特性との作製誤差による差異が、前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポートと通過し、前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートと通過することにより拡大される傾向にある。このことが、従来の光合分波器が作製誤差の影響を受けやすかった理由である。
【００４２】
従来の光合分波器と本発明にかかる光合分波器とを比較すると、従来の光合分波器では、常に群遅延が零になるという良い特徴をもつ。しかしながら、作製誤差が存在すると、光合分波素子のスルー出力ポートの透過特性とクロス出力ポートの透過特性の作製誤差による差異が、前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポートと通過し、前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートと通過することにより拡大される傾向にあり、作製誤差の影響を受けやすかった。
【００４３】
一方、本発明にかかる光合分波器では、作製誤差が存在する時にも、光合分波素子のスルー出力ポートの透過特性とクロス出力ポートの透過特性の作製誤差による差異が、前段スルー出力ポートと後段スルー出力ポートと通過し、前段クロス出力ポートと後段クロス出力ポートと通過することにより均等化されるため、作製誤差の影響を受けにくい。また、本発明の光合分波器では、群遅延特性は本質的に零ではないが、光合分波素子のスルー出力ポートとクロス出力ポートで逆の群遅延特性を持たせることにより、前段と後段での群遅延特性の相殺効果により、群遅延特性を零に近い値になるように工夫している。この前段と後段での群遅延特性を相殺する効果は、インターリーバ条件（作製誤差が零）の時に最も大きく、群遅延はほぼ零となる。
【００４４】
（作製と評価）
図１に示した光分波器を、石英系平面光波回路で作製した。基板は４インチのＳｉウェハを用い、火炎堆積法と反応性イオンエッチング技術を駆使して、基板上に石英薄膜の回路パターンを作製した。導波路直上に作製したヒータを加熱することにより、熱光学効果を用いて、位相量の調整を行った。
【００４５】
光合分波素子は、透過域、阻止域において等リップル特性を有するように設計された。方向性結合器は、３個の光合分波素子とも同じ結合率を有し、各光合分波素子の方向性結合器の結合率は、入力ポート側から、１３−１，１３−４，１３−７が５０％、１３−２、１３−５、１３−８が３４．８％、１３−３，１３−６，１３−９が９．６％である。前段の光合分波素子における２個の位相シフタの位相量は０であり、後段の２個の光合分波素子は、ともに光路長差が１のマッハツェンダ回路における位相シフタの位相量はπ、光路長差が２のマッハツェンダ回路における位相シフタの位相量は０とした。
【００４６】
本実施形態では、光カップラとして方向性結合器を用いているが、ＭＭＩ（Multi Mode Interference）カップラなど他の光カップラを用いることも可能である。また本実施形態では石英系の平面回路で光分波器を作製したが、ＳｉＯＮなどの他の材料系で回路を作製することも可能である。また、光導波路として平面光回路だけでなく、光ファイバを用いても作製可能である。また、位相シフタとして熱光学効果を利用したヒータを用いているが、電気光学結晶などの他の原理の位相シフタを使用することも可能である。このように、本発明は光合分波器の回路構成に関するものであり、その実現手段には拘束されない。また、本発明で使用している回路パラメータは、一設計値であり、設計条件により異なる値となる。よって、本発明は回路パラメータ値にも拘束されない。
【００４７】
一般に、平面光回路において、作製誤差は、方向性結合器の結合率が主であり、同一ウエハ上では全て方向性結合器の結合率が同一方向に同程度の誤差が生じることが知られている。位相シフタは、ヒータ加熱により実現しており、そのシフト量を可変に設定できるため、ここでは位相シフト量を作製誤差要因とは考えていない。本実施形態では、実際に作製誤差依存性を調べるために、わざと結合率誤差のある光分波器を作製した。
【００４８】
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかる光分波器の透過特性の測定結果である。光分波器において、全ての方向性結合器の結合率を、それぞれ０％、５％、１０％程度小さくした場合の透過特性を調べた結果である。図３（ｂ）は、従来の光分波器の透過特性の測定結果である。比較のために、図９に示した従来型の光分波器を作製し、作製誤差依存性を調べた結果である。
【００４９】
周期周波数は１００ＧＨｚである。本実施形態にかかる光分波器では、前段スルー出力ポート、後段クロス出力ポート（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）の透過特性（以下、スルークロス透過特性と略す。）と前段クロス出力ポート、後段スルー出力ポート（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）の透過特性（以下、クロススルー透過特性と略す。）の作製誤差に関する変動量は同程度である。例えば、１０％結合率誤差の場合、阻止域の阻止値は、約−２２ｄＢ位である。一方、従来の光分波器の場合、前段クロス出力ポート、後段クロス出力ポート（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ４ｃ）の透過特性（以下、クロスクロス透過特性と略す。）は作製誤差があってもほとんど変動しないが、前段スルー出力ポート、後段スルー出力ポート（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ２ｃ）の透過特性（以下、スルースルー透過特性と略す。）は大きい。例えば、１０％結合率誤差の場合、スルースルー透過特性の阻止域の阻止値は約−１０ｄＢ位である。このように、スルースルー透過特性とクロスクロス透過特性で作製誤差に差が現れるのは、構成要素である光合分波素子のスルー出力ポートの透過特性とクロス出力ポートの透過特性に作製誤差依存性に差があるためである。
【００５０】
例えば、全て結合率が小さくなるというように方向性結合器の結合率が同一方向にずれた場合、光合分波素子のスルー出力ポートの透過特性の阻止値は悪くなるが、クロス出力ポートの透過特性の作製誤差はあまり変化しない。このため、従来の光分波器では、スルースルー透過特性では、作製誤差が累積されて大きな作製誤差が生じてしまう。本発明では、スルー出力ポートの透過特性の大きな作製誤差を、スルークロス透過特性とクロススルー透過特性で均等に分け合うので、全体としてそれほど大きな透過特性の作製誤差が生じない。
【００５１】
図４は、本発明の第１の実施形態にかかる光分波器の群遅延分散特性の測定結果を示した図である。従来は、群遅延分散は自動的に零になる構成を採用しているが、本実施形態にかかる光分波器では、前段と後段で群遅延分散が相殺されるように設計されている。図４には、各光合分波素子の群遅延分散の測定結果も合わせて示す。
【００５２】
ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃの群遅延分散（以下、スルークロス群遅延分散と略す。）の場合、前段の光合分波素子１０−１のスルー出力ポートの群遅延分散（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ）と、後段の光合分波素子１０−２のクロス出力ポートの群遅延分散（ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）とが逆特性であるので、作製誤差が無い場合には、全体の光分波器のスルークロス群遅延分散はほぼ零になる。同様に、前段の光合分波素子１０−１のクロス出力ポートの群遅延分散（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ）と、後段の光合分波素子１０−３のスルー出力ポートの群遅延分散（ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）とが逆特性であるので、作製誤差が無い場合には、ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃの群遅延分散（以下、クロススルー群遅延分散と略す。）は、ほぼ零になる。
【００５３】
作製誤差がある場合には、前段の光合分波素子１０−１のスルー出力ポートの群遅延分散と、後段の光合分波素子１０−２のクロス出力ポートの群遅延分散とが逆特性からずれるため、作製誤差が大きくなるに従い、全体の光分波器のスルークロス群遅延分散が零でなくなる。しかし、図４からわかるように、この作製誤差にともなう群遅延分散の大きさは、１０％結合率誤差の場合でも、最大で約５０ｐｓ／ｎｍ程度である。この値は、作製誤差の無い場合における１段の光合分波素子の群遅延分散値とほぼ同程度であり、それほど大きな値ではない。
【００５４】
これまで図１に示した光分波器の回路構成を基本に述べてきた。本発明は、図１の回路構成には限られないことから、以下、他の実施形態について述べる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる光分波器の回路構成を示した図である。この回路構成は、図１に示した光分波器の回路構成と比較して、光合分波素子５０−２と光合分波素子５０−３の光路長差が異なっている。ここでは、光合分波素子５０−２と光合分波素子５０−３の光路長差を、ともに−２：１としている。
【００５６】
光合分波素子５０−２の方向性結合器は、図１の１３−４，１３−５，１３−６が図５の５３−６，５３−５，５３−４にそれぞれ対応し、光合分波素子５０−３の方向性結合器は、図１の１３−７，１３−８，１３−９が図５の５３−９，５３−８，５３−７にそれぞれ対応している。また、光合分波素子５０−２の位相シフタは、図１の１４−３，１４−４が図５の５４−４，５４−３にそれぞれ対応し、光合分波素子５０−３の位相シフタは、図１の１４−５，１４−６が図５の５４−６，５４−５にそれぞれ対応している。
【００５７】
図５の光合分波素子５０−２は、図１の光合分波素子１０−２を光路長差−２：１となるように対称操作したものになっている。同様に、図５の光合分波素子５０−３は、図１の光合分波素子１０−３を光路長差−２：１となるように対称操作したものになっている。
【００５８】
図６は、対称操作された回路構成に対する伝達関数行列を示した図である。図６を用いて、図５に示した回路構成が本発明の要求を満たす回路構成であることを示す。図５の回路構成において、スルークロス透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）は、光合分波素子５０−１のスルー出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ）Ｇ(z)と、光合分波素子５０−２のクロス出力ポートの透過特性（ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）Ｈ(-z)との積で表される。よって、スルークロス透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）は、Ｇ(z) Ｈ(-z)となる。
【００５９】
同様に、クロススルー透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）は、光合分波素子５０−１のクロス出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ）Ｈ(z)と、光合分波素子５０−３のスルー出力ポートの透過特性（ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）Ｇ(-z)との積で表される。よって、クロススルー透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）は、Ｈ(z) Ｇ(-z)となる。
【００６０】
光合分波素子が式１で記載されたインターリーバ条件を満たす時には、光合分波器５０−１のスルー出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ）はＧ(z) と、光合分波器５０−２のクロス出力ポートの透過特性（ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）Ｇ＊(z) と表され、これらは逆群遅延特性をもつことがわかる。また、光合分波器５０−１のクロス出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ）はＧ＊(-z)と、光合分波器５０−３のスルー出力ポートの透過特性（ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）はＧ(-z) で表され、これらも逆群遅延特性をもつことがわかる。
【００６１】
全体の光分波器のスルークロス透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）はＧ(z) Ｇ＊(z)となり、クロススルー透過特性はＧ＊(-z)Ｇ(-z)となって、群遅延特性が相殺されて零群遅延分散になる。
【００６２】
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態にかかる光分波器の回路構成を示した図である。本実施形態においては、前段スルー出力ポートと後段クロス出力ポート及び前段クロス出力ポートと後段スルー出力ポートに接続されている。図６を参考にしながら図７の特性を計算する。スルークロス透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）は、光合分波素子７０−１のスルー出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ）Ｇ＊(z)と、光合分波素子７０−２のクロス出力ポートの透過特性（ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）Ｈ＊(-z)との積で表される。式１で記載されたインターリーバ条件が満たされる場合には、光合分波素子７０−１のスルー出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ）はＧ＊(z)と、光合分波素子７０−２のクロス出力ポートの透過特性（ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）はＧ(z) と表され、逆群遅延特性を有する。よって、スルークロス透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）はＧ＊(z) Ｇ(z)となり、零群遅延分散を有する。
【００６３】
同様に、クロススルー透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）は、光合分波素子７０−１のクロス出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ）Ｈ(z)と、光合分波素子７０−３のスルー出力ポートの透過特性（ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）Ｇ(-z)との積で表される。インターリーバ条件が満たされる場合には、光合分波素子７０−１のクロス出力ポートの透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ）はＧ＊(-z)と、光合分波素子７０−３のスルー出力ポートの透過特性（ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）はＧ(-z)と表され、逆群遅延特性をもつ。よって、クロススルー透過特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）はＧ＊(-z)Ｇ(-z)となり、零群遅延分散を有する。
【００６４】
このように、本発明の要求を満たす回路構成は、図１に示した回路構成に限られず、図５または図７に示した回路構成などを含めて他にも複数個存在する。
【００６５】
（第４の実施形態）
第１の実施形態においては、全ての光合分波素子が阻止域、透過域において等リップル特性をもつように設計された。しかし、本発明かかる光合分波器は、全ての光合分波素子が同じ特性をもつ必要はない。ここでは、前段の光合分波素子が最大平坦透過特性をもち、後段の２個の光合分波素子が阻止域、透過域において等リップル特性をもつ場合について述べる。
【００６６】
回路構成は、図１に示した回路構成と同様に、構成要素の光合分波素子は、２段マッハツェンダ構成である。前段の最大平坦特性をもつ光合分波素子の方向性結合器の結合率は、入力ポート側から、５０％、２５％、６．７％である。後段の等リップル透過特性をもつ光合分波素子の方向性結合器の結合率は、入力ポート側から、５０％、３４．８％、９．６％である。光路長差、位相シフタの位相量は図１に示した回路構成と同様である。また、入出力ポートの接続関係も図１と同様にした。
【００６７】
図８は、本発明の第４の実施形態にかかる光分波器の透過特性と群遅延分散の測定結果を示した図である。石英系平面光回路を用いて作製した光分波器の透過特性と群遅延分散特性であり、図８（ａ）が透過特性、図８（ｂ）がスルークロス群遅延分散特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ１ｂ→ＯＵＴ１ｃ）、図８（ｃ）がクロススルー群遅延分散特性（ＩＮ１ａ→ＯＵＴ２ｂ→ＯＵＴ３ｃ）である。
【００６８】
本実施形態では、前段の光合分波素子が最大平坦透過特性をもち、後段の２個の光合分波素子が等リップル透過特性をもつように設計されているが、このように異なる特性を選んだのは、透過特性の阻止域における阻止値の向上のためである。図８（ａ）の作製誤差の無い場合（結合率誤差０％）において、阻止値は約−４６ｄＢ位である。図３（ａ）に示した第１の実施形態の光分波器の阻止値は約−３２ｄＢ程度であるので、第４の実施形態では大幅な阻止値の改善が見られる。これは、前段と後段で異なる透過特性をもつ光合分波素子を組み合わせることにより、図３（ａ）に見られる阻止帯の中央にある透過の山を除去することに成功したためである。本実施形態でも図１の接続関係を採用することにより、作製誤差がスルークロス透過特性、クロススルー透過特性で均等に分割されていることがわかる。
【００６９】
図８（ｂ）に示したように、本実施形態では、作製誤差が無い場合でも、群遅延分散は零になっていない。これは前段と後段で異なる特性をもつ光合分波素子を用いたためである。しかし、本実施形態においても、基本的には前段と後段の光合分波素子がともにスルー出力ポート、クロス出力ポートでほぼ逆の群遅延分散をもち、前段と後段で群遅延分散の相殺効果が存在することから、群遅延分散値は零ではないが小さな値となる。作製誤差が存在する場合も、例えば１０％結合率誤差の場合群遅延分散は最大６０ｐｓ／ｎｍ程度であり、群遅延分散はそれほど大きくならない。
【００７０】
本実施形態によれば、回路の作製誤差による特性のずれを、透過特性と群遅延特性に分配して、群遅延特性を許容値以下に抑え、良好な透過特性を維持することができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、作製誤差がある場合にも群遅延は許容値以下に抑えられ、比較的よい透過特性が得ることができ、ある程度の作製誤差が許容されるので、歩留まりのよい量産性に優れた光合分波器を作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光分波器の回路構成を示した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる光合波器の回路構成を示した図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第１の実施形態にかかる光分波器の透過特性の測定結果を示した図であり、（ｂ）は、従来の光分波器の透過特性の測定結果を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる光分波器の群遅延分散特性の測定結果を示した図である。
【図５】本発明の第２の実施形態にかかる光分波器の回路構成を示した図である。
【図６】対称操作された回路構成に対する伝達関数行列を示した図である。
【図７】本発明の第３の実施形態にかかる光分波器の回路構成を示した図である。
【図８】本発明の第４の実施形態にかかる光分波器の透過特性と群遅延分散の測定結果を示した図である。
【図９】従来の光分波器の回路構成を示した図である。
【符号の説明】
１０−１〜１０−３，２０−１〜２０−３，５０−１〜５０−３，７０−１〜７０−３，９０−１〜９０−３    光合分波素子
１１，１２，２１，２２，５１，５２，９１，９２    光導波路
１３−１〜１３−９，２３−１〜２３−９，５３−１〜５３−９，９３−１〜９３−９    方向性結合器
１４−１〜１４−６，２４−１〜２４−６，５４−１〜５４−６，９４−１〜９４−６    位相シフタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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