(57)【要約】【課題】波長選択スイッチの出力ポートの数を増大させるとともに、マッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して小型化する。【解決手段】１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、波長分割多重信号を分波して、出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第１のアレイ導波路回折格子と、前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラと、前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力し、Ｍ本の出力ポートに出力する第２のアレイ導波路回折格子とを備えた。【選択図】図２
2014160216.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個の波長分割多重信号を１本の入力ポートから入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数）の出力ポートから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力するマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチであって、
前記１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、前記波長分割多重信号を分波して、前記出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第１のアレイ導波路回折格子と、
前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、
前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラと、
前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力し、Ｍ本の出力ポートに出力する第２のアレイ導波路回折格子と
を備えたことを特徴とするマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項２】
Ｎ個の波長分割多重信号を１本の入力ポートから入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数）の出力ポートから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力するマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチであって、
前記１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、前記波長分割多重信号を分波して、前記出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第３のアレイ導波路回折格子と、
前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、
前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラを備え、
前記第３のアレイ導波路回折格子は、前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力する入力導波路とＭ本の出力ポートとをさらに含み、前記Ｎ個の光信号を前記Ｍ本の出力ポートに出力することを特徴とするマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項３】
前記１×Ｍ光スイッチは、２×２対称型マッハツェンダ干渉計を縦続接続することにより構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項４】
前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、Ｚ×１波長カプラ（Ｚ＝１〜Ｍ）のＭ種類の波長カプラであって、０番目からＮ＋Ｍ−２番目のＮ＋Ｍ−１個の波長カプラを含み、
ｋ番目の１×Ｍ光スイッチのＭ個の出力ポートのそれぞれが、ｋ−１，ｋ，ｋ＋１，…，ｋ＋Ｍ−２番目の波長カプラの入力導波路に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項５】
前記Ｚ×１波長カプラは、非対称型マッハツェンダ干渉計により構成されることを特徴とする請求項４に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項６】
前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、Ｎ＋Ｍ−１個のＭ×１波長カプラを含み、
ｋ番目の１×Ｍ光スイッチのＭ個の出力ポートのそれぞれが、ｋ−１，ｋ，ｋ＋１，…，ｋ＋Ｍ−２番目の波長カプラの入力導波路に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項７】
前記Ｍ×１波長カプラは、非対称型マッハツェンダ干渉計により構成されることを特徴とする請求項６に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項８】
前記非対称型マッハツェンダ干渉計は、前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に複数の周波数間隔２Δνの非対称型配置マッハツェンダ干渉器が縦続接続されていることを特徴とする請求項５または７に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【請求項９】
前記出力ポートの数Ｍは、ｎは波長カプラを構成するマッハツェンダ干渉計の段数、ａは波長選択スイッチの最大出力ポート数から減ずるポート数とすると、
【数１】
2014160216.tif 000008
の関係にあることを特徴とする請求項８に記載のマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチに関し、より詳細には、光通信ネットワークノードにおいて光スイッチとして機能する波長選択スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信デバイスの分野では波長選択スイッチ（ＷＳＳ：Wavelength Selective Switch）の研究が盛んに行われている。ＷＳＳは、次世代のＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer）ノードを構成するために必要不可欠である。入力された波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）信号のうちの任意の波長を任意の出力ポートに選択的に出力できるデバイスであり、２種類に大別される。第１に、回折格子と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）等の面型スイッチング素子とを空間光学系で接続した空間光学型ＷＳＳである。第２に、光導波路技術に基づく集積型ＷＳＳである。空間光学型ＷＳＳは、集積型ＷＳＳに比べ、多くのポートを収容でき、光学特性も良いことから主流となっている。しかしながら、サイズが大きく、製造工程の複雑さから高価であるという欠点がある。一方、集積型ＷＳＳは、空間光学型ＷＳＳに比べ、多くのポートを収容することが困難であるが、省スペース、コストの面で有利である。
【０００３】
図１に、従来の集積型ＷＳＳである光回路型１×２波長選択スイッチを示す。波長選択スイッチ１００は、Ｎ個の波長を含む波長分割多重信号を、１本の入力ポートＩＮ１から入力し、２本の出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２から選択された波長を含む波長分割多重信号を出力する。波長選択スイッチ１００は、１個の入力導波路およびＮ個の出力導波路を含むアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）１０１と、Ｎ個の１×２光スイッチ１０２と、Ｎ−１個の２×１波長カプラ１０３と、Ｎ＋１個の入力導波路および２個の出力導波路を含むＡＷＧ１０４とを備える（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
入力ポートＩＮ１に入力された波長分割多重信号は、ＡＷＧ１０１によって分波され、出力導波路Ａ１〜ＡＮ（最も長いアレイ導波路に近い側からＡ１，Ａ２，…，ＡＮとする）の各々に、各波長λ１〜λＮの光信号が出力される。各波長の光信号は、１×２光スイッチ１０２によってスイッチされ、図の上側の出力導波路Ｂ１または下側の出力導波路Ｂ２のいずれかに出力される。各々の波長カプラ１０３は、１×２光スイッチ１０２の選択によって、（ａ）隣り合う波長の光信号を合波する、（ｂ）一方の波長の光信号のみを通す、（ｃ）隣り合う波長のいずれも通さない、の３つの動作をする。
【０００５】
ＡＷＧ１０４の入力導波路を、最も長いアレイ導波路に近い側からＨ１，Ｈ２，…，ＨＮ＋１とする。ＡＷＧの対称性から、例えば、入力導波路Ｈ２〜ＨＮ＋１のそれぞれに、各波長λ１〜λＮの光信号が入射されると、波長λ１〜λＮを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ１に出力される。入力導波路Ｈ１〜ＨＮのそれぞれに、各波長λ１〜λＮの光信号が入射されると、波長λ１〜λＮを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ２に出力される。このようにして、任意の波長の光信号を、出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２のどちらかに出力させることができる。
【０００６】
しかしながら、従来の集積型ＷＳＳでは、出力ポート数が２と少なく、空間光学型WSSと比べてポート数の点で性能が劣っていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Yuichiro Ikuma, Takayuki Mizuno, Hiroshi Takahashi, Hiroyuki Tsuda, “Wavelength selective switches using silica optical waveguide,” The Institute Of Electronics, Information And Communication Engineers, OPE2012-125, October 26, 2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の集積型ＷＳＳにおいて、出力ポート数Ｍを増やすためには、光スイッチのポート数を増やし、Ｎ＋Ｍ−１個の波長カプラを備えなければならず、回路が大型化してしまうという問題があった。
【０００９】
また、従来の集積型ＷＳＳでは、１×２波長選択スイッチの構成においては交差導波路を含まないのに対し、１×Ｍ波長選択スイッチの構成とすると、光回路中に交差導波路を多く含んでしまう。交差導波路は、交差角が小さいほど、交差する導波路間でクロストークを生じ、伝搬する光信号の特性を劣化させることになる。交差導波路を設ける場合は、クロストークを低減するために、交差導波路の交差角をできるだけ９０度に近づけることが望ましい。
【００１０】
本発明の目的は、集積型ＷＳＳの出力ポートの数を増大させるとともに、マッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して小型化することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、Ｎ個の波長分割多重信号を１本の入力ポートから入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数）の出力ポートから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力するマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチであって、前記１本の入力ポートとおよびＮ個の出力導波路を含み、前記波長分割多重信号を分波して、前記出力導波路の各々に各波長の光信号を出力する第１のアレイ導波路回折格子と、前記Ｎ個の出力導波路の１つから出力された光信号を入力し、Ｍ個の出力ポートのいずれかに出力するＮ個の１×Ｍ光スイッチと、前記Ｎ個の１×Ｍ光スイッチから出力されたＮ個の光信号を入力し、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する複数の波長カプラからなるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラと、前記マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラから出力されたＮ個の光信号をＮ＋Ｍ−１個の入力ポートのいずれかに入力し、Ｍ本の出力ポートに出力する第２のアレイ導波路回折格子とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
第２の実施態様は、前記第１のアレイ導波路回折格子と前記第２のアレイ導波路回折格子とを、１つのアレイ導波路回折格子に集約したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、複数のマッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラを構成することにより、光回路の小型化を図るとともに、マッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチの出力ポート数Ｍ（Ｍは３以上の整数）を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の集積型ＷＳＳである光回路型１×２波長選択スイッチを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。
【図３】アレイ導波路回折格子の構成を説明するための図である。
【図４】１×Ｍ光スイッチの構成を説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長カプラの構成を示す図である。
【図６】マッハツェンダ干渉計型波長カプラの他の構成を示す図である。
【図７】マッハツェンダ干渉計型波長カプラの透過帯域を比較するための図である。
【図８】マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラの構成を示す図である。
【図９】マッハツェンダ干渉計の段数と出力ポートの数の関係を示す図である。
【図１０】マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラの実装方法を説明するための図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。
【図１２】１×Ｍ光スイッチとマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラとの接続方法を示す図である。
【図１３】１×Ｍ光スイッチとマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラとの接続方法を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。
【図１５】本発明の第４の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（第１の実施形態）
図２に、本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。波長選択スイッチ２００は、Ｎ個（図はＮ＝９の場合を示す）の波長を含む波長分割多重信号を、１本の入力ポートＩＮ１から入力し、Ｍ本（Ｍは３以上の整数、図はＭ＝４の場合を示す）の出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２，…，ＯＵＴＭから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力する。波長選択スイッチ２００は、１個の入力導波路およびＮ個の出力導波路Ａ１〜ＡＮ（最も長いアレイ導波路に近い側からＡ１，Ａ２，…，ＡＮとする）を含むＡＷＧ２０１（第１のアレイ導波路回折格子）と、Ｎ個の１×Ｍ光スイッチ２０２（ＡＷＧ２０１の最も長いアレイ導波路に近い側からＳ１，Ｓ２，…，ＳＮとする）と、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）２０３と、Ｎ＋Ｍ−１個の入力導波路（最も長いアレイ導波路に近い側からＥ１，Ｅ２，…，ＥＮ＋Ｍ−１とする）およびＭ個の出力導波路を含むＡＷＧ２０４（第２のアレイ導波路回折格子）とを備えている。
【００１７】
ＭＺＣ２０３は、２個の１×１波長カプラ（すなわち１本のスルー光導波路）、２個の２（Ｍ−２）×１波長カプラ、２個の３（Ｍ−１）×１波長カプラ、Ｎ−Ｍ＋１個の４（Ｍ）×１波長カプラを含むように構成されている。波長カプラは、ＭＺＣ２０３の最も長いアレイ導波路に近い側からＣ１，Ｃ２，…，ＣＮ＋Ｍ−３とする。最も長いアレイ導波路に近い側のスルー光導波路をＣ０、最も短いアレイ導波路に近い側のスルー光導波路をＣＮ＋Ｍ−２とする。これにより、Ｎ個の１×Ｍ光スイッチ２０２からのＮ×Ｍ本の入力を、Ｚ×１波長カプラ（Ｚ＝１〜Ｍ）のＭ種類の波長カプラに入力して、Ｎ＋Ｍ−１本の出力に合成する。
【００１８】
図３を参照して、アレイ導波路回折格子の構成を説明する。アレイ導波路回折格子は、第１の入出力導波路３０１、第１のスラブ導波路３０２、アレイ導波路３０３、第２のスラブ導波路３０４、および第２の入出力導波路３０５から構成されている。ｄ１は、第１のスラブ導波路３０２のアレイ導波路側の導波路設置間隔であり、ｄ２は、第２のスラブ導波路３０４のアレイ導波路側の導波路設置間隔である。Ｄ１は、第１のスラブ導波路３０２の入出力導波路側の導波路設置間隔であり、Ｄ２は、第２のスラブ導波路３０４の入出力導波路側の導波路設置間隔である。ｆ１は、第１のスラブ導波路３０２の長さであり、ｆ２は、第２のスラブ導波路３０４の長さである。アレイ導波路回折格子は、（式１）を満たしているとする。
【００１９】
【数１】
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【００２０】
図２のＡＷＧ２０４が（式１）を満たしているとき、ＡＷＧの基本的特性から、ＡＷＧ２０４の入力導波路の位置に応じて、出力ポートＯＵＴ１〜ＯＵＴ４に振り分けられる。従って、ＡＷＧ２０１によって分波された、ある波長の光信号を、出力ポートＯＵＴ１から出力ポートＯＵＴ２に変更するには、この光信号が入射されているＡＷＧ２０４の入力導波路を、図中の１つ上側の入力導波路に変更すればよい。
【００２１】
図４を参照して、１×Ｍ光スイッチの構成を説明する。１×Ｍ光スイッチ２０２は、２×２対称型マッハツェンダ干渉計を組み合わせることによって構成される。２×２対称型マッハツェンダ干渉計４００ａは、２つの２×２カプラ４０１ａ，４０１ｂの間を接続する、等長の２本のアーム導波路４０２ａ，４０２ｂからなり、片方のアーム導波路４０２ｂに、位相を制御する位相シフタ４０３を備えている。位相シフタ４０３は、光導波回路上に集積されたヒータであり、光導波路の熱光学効果を利用して、光導波路内で生じる位相を制御する。
【００２２】
アーム導波路４０２ａ，４０２ｂ間に位相差が無い場合は、入力ポート４０４から入力された光信号は、クロスポート４０５に出力される。アーム導波路４０２ａ，４０２ｂ間位相差がπである場合は、入力された光信号は、バーポート４０６に出力される。クロスポート４０５およびバーポート４０６のそれぞれに、さらに２×２対称型マッハツェンダ干渉計４００ｂ，４００ｃを縦続接続することにより、Ｍ個（図はＭ＝４の場合を示す）の出力のスイッチングを行うことができる。
【００２３】
第１の実施形態の１×Ｍ光スイッチ２０２は、Ｎ個の１×Ｍ光スイッチＳｋを含み、１×Ｍ光スイッチＳｋは、Ｍ（＝４）本の出力ポートＰｋ１，Ｐｋ２，…，ＰｋＭのいずれかに、波長λｋの光を出力する。
【００２４】
ＭＺＣ２０３は、２本のスルー光導波路（Ｃ０，ＣＮ＋Ｍ−２）、２個の２（Ｍ−２）×１波長カプラ（Ｃ１，ＣＮ＋Ｍ−３）、２個の３（Ｍ−１）×１波長カプラ（Ｃ２，ＣＮ＋Ｍ−４）、Ｎ−Ｍ＋１個の４（Ｍ）×１波長カプラ（Ｃ３〜ＣＮ＋Ｍ−５）を含む。１×Ｍ光スイッチＳｋのＭ（＝４）本の出力ポートＰｋ１，Ｐｋ２，…，ＰｋＭは、それぞれ順に、ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラＣｋ−１，Ｃｋ，Ｃｋ＋１，Ｃｋ＋２に接続される。ＭＺＣ２０３の詳細については、後述する。
【００２５】
図２の波長選択スイッチ２００の動作を説明する。入力ポートＩＮ１に入力された波長分割多重信号は、ＡＷＧ２０１によって分波され、出力導波路Ａ１〜ＡＮの各々に、添え字に対応する各波長λ１〜λＮの光信号がそれぞれ出力される。各波長の光信号は、１×Ｍ光スイッチ２０２によって、Ｍ個の出力ポートＰｋ１，Ｐｋ２，…，ＰｋＭのいずれかにスイッチされ、ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラＣｋ−１，Ｃｋ，Ｃｋ＋１，Ｃｋ＋２のいずれかに出力される。ＭＺＣ２０３に含まれる各々の波長カプラは、１×Ｍ光スイッチから入力された光信号を合波して、ＡＷＧ２０４の入力導波路Ｅ１〜ＥＮ＋Ｍ−１に出力する。
【００２６】
ＡＷＧ２０１，２０４が（式１）を満たしているとき、ＡＷＧの基本的特性から、入力導波路ＥＭ〜ＥＮ＋Ｍ−１にそれぞれ波長λ１〜λＮの光が入射したとすると、波長λ１〜λＮを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ１に出力される。入力導波路Ｅ１〜ＥＮにそれぞれ波長λ１〜λＮの光が入射したとすると、波長λ１〜λＮを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴＭに出力される。このようにして、１×Ｍ光スイッチＳｋに導波された波長λｋの光が、出力ポートＰｋ１にスイッチされたとすると、ＡＷＧ２０３の波長カプラを介して、ＡＷＧ２０４の出力ポートＯＵＴＭから出力される。また、波長λｋの光が、出力ポートＰｋＭにスイッチされたとすると、ＡＷＧ２０４の出力ポートＯＵＴ１から出力される。
【００２７】
第１の実施形態において、アレイ導波路回折格子、光スイッチを構成する光導波回路は、例えば、石英またはシリコンからなる基板上に形成された、石英からなるクラッド層とコアとからなる。第１の実施形態では、Ｎ＝９、Ｍ＝４としたが、さらなる大規模化が可能であることは明らかである。
【００２８】
（マッハツェンダ干渉計型波長カプラ）
図５に、本発明の第１の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長カプラの構成を示す。ＭＺＣ２０３は、２×２非対称型マッハツェンダ干渉計を組み合わせることによって構成される。非対称型マッハツェンダ干渉計５００は、図５（ａ）に示すように、２つの２×２カプラ５０１ａ，５０１ｂの間を接続する、長さの異なる２本のアーム導波路５０２ａ，５０２ｂからなる。非対称型マッハツェンダ干渉器５００は、上下のアーム導波路間で位相差が波長λｋに対しては０となり、波長λｋ＋１に対してはπとなるように設計されているので、波長λｋの光信号はクロスポートに、波長λｋ＋１の光信号はバーポートに出力される。従って、波長λｋとλｋ＋１の光信号を、それぞれ異なる入力ポートに入力した場合には、２つの光信号が同じ出力ポートから出力される。光回路における入出力の対称性から、入力と出力とを入れ替えれば、異なる波長の光信号を合波する波長カプラとなる。
【００２９】
出力ポートが切り替わる周波数間隔は、長いアーム導波路と短いアーム導波路の長さの差ΔＬによって定まる。合波する２つの波長の差を周波数単位で表したものをΔν、真空中の光速をｃ、導波路の群屈折率をｎｇとする。出力ポートが切り替わる周波数間隔がΔνとなるためのΔＬは、式（２）で与えられる。
【００３０】
【数２】
2014160216.tif 000004
【００３１】
しかし、式（２）で表されるΔＬをそのまま用いると、一般的には透過帯域が合波する波長に一致しない。そこで、ΔＬを式（２）からわずかに増減させる必要がある。この増減分の長さをＬｓとする。波長λｋがクロスポートに透過するようにするには、上下のアーム導波路間の位相差が０であればよいので、ｍを正の整数として、式（３）を満たすようなΔＬ’を用いる。Ｌｓは、最大でも１波長以下にすることができ、Δνに与える影響は十分に小さい。
【００３２】
【数３】
2014160216.tif 000005
【００３３】
非対称型マッハツェンダ干渉器を組み合わせて波長カプラを構成する方法を、Ｍ＝４の場合を例に取り説明する。図５（ｂ）の波長カプラは、周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器５００と、非対称型マッハツェンダ干渉器５００の出力ポート５０５に接続された周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器５１０と、非対称型マッハツェンダ干渉器５００の出力ポート５０６に接続された周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器５２０とから構成されている。
【００３４】
次に、波長カプラの動作を説明する。非対称型マッハツェンダ干渉器５００の片方の入力ポート５０４に、周波数間隔Δνの波長λ１〜λ４を入射する。入力ポートに対してクロスポートとなる出力ポート５０５には、波長λ１，λ３の光信号が出力され、入力ポートに対してバーポートとなる出力ポート５０６には、波長λ２，λ４の光信号が出力される。非対称型マッハツェンダ干渉器５１０のクロスポートから波長λ１、バーポートから波長λ３の光信号が出力され、非対称型マッハツェンダ干渉器５２０のクロスポートから波長λ４、バーポートから波長λ２の光信号が出力される。
【００３５】
図５（ｂ）のように、光回路上において、非対称型マッハツェンダ干渉器５１０，５２０の長いアーム導波路を、対向するように配置することにより、波長カプラの占有する面積を小さくすることができる。また、非対称型マッハツェンダ干渉器５１０，５２０の後段に交差導波路５３０を設けることにより、波長カプラの出力ポート５４０において、波長λ１〜λ４の光信号を添え字の順番に出力することができる。
【００３６】
光回路における入出力の対称性から、出力ポート５４０に１×Ｍ光スイッチ２０２の入力を接続し、入力ポート５０４にＡＷＧ２０４を接続することにより、波長カプラとして機能することができる。
【００３７】
図６を参照して、非対称型マッハツェンダ干渉器の異なる組み合わせ方法について説明する。周波数間隔が２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器６００を前段に置き、片方の入力ポート６０４に、周波数間隔Δνの波長λ１〜λ４を入射する。入力ポートに対してクロスポートとなる出力ポート６０５には、波長λ１，λ２の光信号が出力され、入力ポートに対してバーポートとなる出力ポート６０６には、波長λ３，λ４の光信号が出力される。次に、クロスポート６０５に周波数間隔Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器６１０を接続し、バーポート５０６にも周波数間隔Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器６２０を接続する。波長カプラの出力ポート６４０において、波長λ１〜λ４の光信号を添え字の順番に出力することができる。
【００３８】
図７に、図５（ｂ）に示した波長カプラと図６に示した波長カプラの透過帯域を示す。図７（ａ）は、図５（ｂ）に示した波長カプラの透過率であり、透過帯域が合波する波長に一致し、ピーク損失は約０ｄＢ、クロストークは約−４０ｄＢとなる。一方、図７（ｂ）は、図６に示した波長カプラの透過率であり、透過帯域が合波する波長に一致せず、ピーク損失は約０．５ｄＢ、クロストークは約−１２ｄＢとなる。図５（ｂ）に示した波長カプラは、交差導波路５３０を含むものの、伝送特性は、図６に示した波長カプラよりも優れている。本実施形態では、マッハツェンダ干渉計型波長カプラとして、前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器を配置する構成とした。
【００３９】
図８に、波長選択スイッチ２００に適用されるマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＣＺ）の構成を示す。ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラのうち、４（Ｍ）×１波長カプラＣ３〜Ｃ６を示す。説明の便宜上、異なる波長の光信号を分波する波長カプラとして説明する。前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に周波数間隔２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器を配置する構成とした。アーム導波路長の差がΔＬ１、周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器８０１は、波長λ１〜λＮの光信号を入力すると、添え字の奇数番目の波長の光信号をクロスポートに、添え字の偶数番目の光信号をバーポートに出力する。アーム導波路長の差がΔＬ２、周波数間隔が２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器８０２は、波長λ１，λ５，λ９，…の光信号をクロスポートに、波長λ３，λ７，λ１１，…の光信号をバーポートに出力する。アーム導波路長の差がΔＬ３、周波数間隔が２Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器８０３は、波長λ４，λ８，λ１２，…の光信号をクロスポートに、波長λ２，λ６，λ１０，の光信号をバーポートに出力する。このようにして、残りの４（Ｍ）×１波長カプラＣ７〜ＣＮ＋Ｍ−５も構成することができる。
【００４０】
このようなマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、式（４）の場合に成り立つ。
【００４１】
【数４】
2014160216.tif 000006
【００４２】
ここで、ｎは波長カプラを構成するマッハツェンダ干渉計の段数、２ｎは波長選択スイッチの最大出力ポート数（２出力のマッハツェンダ干渉計をｎ段接続すると、２のｎ乗となる）、ａは波長選択スイッチの最大出力ポート数から減ずるポート数である。交差導波路における交差の数は、ｎが増えるに従って増大し、ｎ＝２，ａ＝０で１個、ｎ＝３，ａ＝０で８個、ｎ＝４，ａ＝０で９個、ｎ＝５で２１個となる。
【００４３】
図９に、マッハツェンダ干渉計の段数と出力ポートの数の関係を示す。出力ポート数が３以上波長選択スイッチを実現したいので、マッハツェンダ干渉計の段数はｎ≧２となる。各段において、アーム導波路長の差と周波数間隔との関係から、減らすことのできるポート数ａは決まっており、ａの最大値ａｍａｘ＝２（ｎ−１）−１となる。
【００４４】
マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラは、前段に周波数間隔がΔνの非対称型マッハツェンダ干渉器、後段に複数の周波数間隔２Δνの非対称型配置マッハツェンダ干渉器を縦続接続する。図９に示したように、ｎとａとＭの関係から、マッハツェンダ干渉計の段数ｎとａとを選択することにより、１×Ｍ（Ｍは３以上の整数）波長選択光スイッチのいずれの入力ポート数Ｍも、構成することができる。
【００４５】
図１０を参照して、マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラの、より小型な実装方法を説明する。隣接する波長カプラにおいて、前段の周波数間隔Δνの非対称型マッハツェンダ干渉器９０１ａ，９０１ｂの長いアーム導波路が対向するように配置することにより、図８に示した構成よりも、さらに波長カプラの占有する面積を小さくすることができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
図１１に、本発明の第２の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。波長選択スイッチ１０００は、Ｎ個（図はＮ＝９の場合を示す）の波長を含む波長分割多重信号を、１本の入力ポートＩＮ１から入力し、Ｍ本（Ｍ≧３、Ｍ＝整数、図はＭ＝４の場合を示す）の出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２，…，ＯＵＴＭから選択された波長を含む波長分割多重信号を出力する。波長選択スイッチ１０００は、第１の実施形態のマッハツェンダ干渉計型波長カプラ２００のＡＷＧ２０１とＡＷＧ２０４とを、１つのＡＷＧ１００１に集約した形態である。
【００４７】
ＡＷＧ１００１は、１本の入力ポートＩＮ１と、ＡＷＧ２０４の入力導波路に相当するＮ＋Ｍ−１個の入力導波路とを有する（最も長いアレイ導波路に近い側からＦ１，Ｆ２，…，ＦＮ＋Ｍとする）。また、ＡＷＧ２０１の出力導波路に相当するＮ個の出力導波路と、ＡＷＧ２０４の出力ポートＯＵＴ１，ＯＵＴ２，…，ＯＵＴＭに相当する出力ポートとを有する（最も長いアレイ導波路に近い側からＧ１，Ｇ２，…，ＧＮ＋Ｍとする）。ＡＷＧ１００１は、（式１）を満たしているものとする。
【００４８】
入力ポートＩＮ１に入力された波長分割多重信号が入力導波路Ｆ１に入力されたとき、ＡＷＧの基本的特性から、出力導波路ＧＮ＋Ｍに中心波長が出力される。出力導波路ＧＭ＋１〜ＧＮ＋Ｍに出力される光の波長をそれぞれλ１〜λＮとすると、波長λＮがＡＷＧ１００１の中心波長となる。したがって、ＡＷＧ１００１は、波長分割多重信号のうち、最も長波長の波長を中心波長として選択して設計する。
【００４９】
図１１の波長選択スイッチ１０００の動作を説明する。入力ポートＩＮ１に入力された波長分割多重信号は、ＡＷＧ１００１によって分波され、出力導波路ＧＭ＋１〜ＧＮ＋Ｍの各々に、各波長（λ１〜λＮ）の光信号が出力される。各波長の光信号は、１×Ｍ光スイッチ（Ｓｋ）２０２によって、出力ポートＰｋ１，Ｐｋ２，…，ＰｋＭのいずれかにスイッチされ、ＭＺＣ２０３に含まれる波長カプラＣｋ−１，Ｃｋ，Ｃｋ＋１，Ｃｋ＋２のいずれかに出力される。ＭＺＣ２０３に含まれる各々の波長カプラは、１×Ｍ光スイッチから入力された光信号を合波して、ＡＷＧ１００１の入力導波路Ｆ２〜ＦＮ＋Ｍに出力する。
【００５０】
ＡＷＧの基本的特性から、入力導波路ＦＭ＋１〜ＦＮ＋Ｍにそれぞれ波長λ１〜λＮの光が入射したとすると、波長λ１〜λＮを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴ１に出力される。入力導波路Ｆ２〜ＦＮ＋１にそれぞれ波長λ１〜λＮの光が入射したとすると、波長λ１〜λＮを含む波長分割多重信号が出力ポートＯＵＴＭに出力される。このようにして、１×Ｍ光スイッチＳｋに導波された波長λｋの光が、出力ポートＰｋ１にスイッチされたとすると、ＭＺＣ２０３の波長カプラを介して、ＡＷＧ１００１の出力ポートＯＵＴＭから出力される。また、波長λｋの光が、出力ポートＰｋＭにスイッチされたとすると、ＡＷＧ１００１の出力ポートＯＵＴ１から出力される。
【００５１】
本実施形態によれば、アレイ導波路回折格子型波長選択スイッチの出力ポートの数を増大させることができ、複数個の波長カプラを１個のＡＷＧで置き換えることより、回路の小型化も実現することができる。
【００５２】
（光導波路の設置方法）
図１２および１３を参照して、１×Ｍ光スイッチとマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラとの接続方法を説明する。図１１の波長選択スイッチにおいて、各波長の光信号は、１×Ｍ光スイッチ（Ｓｋ）１２０２によって、出力ポートＰｋ１，Ｐｋ２，…，ＰｋＭのいずれかにスイッチされ、ＭＺＣ１２０３に含まれる波長カプラＣｋ−１，Ｃｋ，Ｃｋ＋１，Ｃｋ＋２のいずれかに出力される。出力ポートＰｋ１，Ｐｋ２，…，ＰｋＭの最小導波路間隔をｐとし、等間隔とする。隣接する２つの１×Ｍ光スイッチ１２０２の間の最小導波路間隔をｓとする。同様に、ＭＺＣ１２０３の入力ポートの最小導波路間隔をｐとし、等間隔とする。隣接する２つのＭＺＣ１２０３の最小導波路間隔をｓとする。
【００５３】
図１３において、波長カプラＣｋ−１，Ｃｋ，Ｃｋ＋１，Ｃｋ＋２の入力ポートをＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４とする。１×Ｍ光スイッチ（Ｓｋ）１２０２出力ポートＰｋ１を、ＭＺＣ１２０３の波長カプラＣｋ−１の入力ポートＵ４に接続し、出力ポートＰｋ２を波長カプラＣｋの入力ポートＵ３に接続し、出力ポートＰｋ３を波長カプラＣｋ＋１の入力ポートＵ２に接続し、
出力ポートＰｋＭを波長カプラＣｋ＋２の入力ポートＵ１に接続する。このようにして接続された４本の光導波路は、１×Ｍ光スイッチ（Ｓｋ）１２０２の出力ポートの中心を通るｘ軸に対して対称となっている。
【００５４】
一実施例として、ｓ＝１７００μｍ、ｐ＝５０μｍとし、光導波路の曲げ半径Ｒ＝３０００μｍとすると、
【００５５】
【数５】
2014160216.tif 000007
【００５６】
として求められ、θ１＝約９０°となる。このとき、θ２＝約７０°となる。１本の光導波路は、他の３本の光導波路と交差することになるが、図１２に示したように、２本の光導波路との交差角を９０度に、他の１本の光導波路の交差角を９０度に近づけるように光導波路を設置することができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
図１４に、本発明の第３の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。図２示した第１の実施形態においては、４種類の波長カプラを含むマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）を用いた。第３の実施形態では、１種類の４（Ｍ）×１波長カプラのみを使ってＭＺＣ１３０３を構成する。すなわち、Ｎ＋Ｍ−１個のＭ×１波長カプラのみにより、ＭＺＣ１３０３を構成する。
【００５８】
２個の１×１波長カプラ（すなわち１本のスルー光導波路）、２個の２（Ｍ−２）×１波長カプラ、および２個の３（Ｍ−１）×１波長カプラに相当するＭ×１波長カプラは、入力ポートの一部が、１×Ｍ光スイッチ２０２の出力ポートに接続されない。これにより、波長カプラにおける透過特性は、光信号がどの経路を伝搬しても等しくなるので、挿入損失を均一化することができる。
【００５９】
（第４の実施形態）
図１５に、本発明の第４の実施形態にかかるマッハツェンダ干渉計型波長選択スイッチを示す。図１１示した第２の実施形態においては、４種類の波長カプラを含むマッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）を用いた。第４の実施形態では、１種類の４（Ｍ）×１波長カプラのみを使ってＭＺＣ１４０３を構成する。すなわち、Ｎ＋Ｍ−１個のＭ×１波長カプラのみにより、ＭＺＣ１４０３を構成する。これにより、波長カプラにおける透過特性は、光信号がどの経路を伝搬しても等しくなるので、挿入損失を均一化することができる。
【００６０】
本実施形態によれば、波長選択スイッチの出力ポートの数を増大させるとともに、マッハツェンダ干渉計型波長カプラを集積して小型化することができる。また、光スイッチと波長カプラとを適切に配置することにより、交差導波路の交差角をできるだけ９０度に近づけることができ、導波路交差で交差方向へのクロストークを低減することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１００，２００，１０００，１３００，１４００  波長選択スイッチ
１０１，１０４，２０１，２０４，６０１，１００１  ＡＷＧ
１０２，２０２，１２０２  １×２光スイッチ
１０３  波長カプラ
２０３，１２０３，１３０３，１４０３  マッハツェンダ干渉計型複合波長カプラ（ＭＺＣ）
３０１  第１の入出力導波路
３０２  第１のスラブ導波路
３０３  アレイ導波路
３０４  第２のスラブ導波路
３０５  第２の入出力導波路
４００  対称型マッハツェンダ干渉計
４０１，５０１  ２×２カプラ
４０２，５０２  アーム導波路
４０３  位相シフタ
４０４，５０４，６０４  入力ポート
４０５，５０５，６０５  クロスポート
４０６，５０６，６０６  バーポート
５００，５１０，５２０，６００，６１０，６２０，８０１〜８０３，９０１〜９０３  非対称型マッハツェンダ干渉計
５３０  交差導波路
５４０，６４０  出力ポート
【図１】
2014160216.tif 000009
【図２】
2014160216.tif 000010
【図３】
2014160216.tif 000011
【図４】
2014160216.tif 000012
【図５】
2014160216.tif 000013
【図６】
2014160216.tif 000014
【図７】
2014160216.tif 000015
【図８】
2014160216.tif 000016
【図９】
2014160216.tif 000017
【図１０】
2014160216.tif 000018
【図１１】
2014160216.tif 000019
【図１２】
2014160216.tif 000020
【図１３】
2014160216.tif 000021
【図１４】
2014160216.tif 000022
【図１５】
2014160216.tif 000023