(57)【要約】  低次数波長ルータとして有用な平面光デバイスが、反対に湾曲した２つの湾曲アレイを有する導波路グレーティングを用いて実現される。回折次数が２つの湾曲アレイの回転角によって決定され、例えば約３０未満の任意の非ゼロ次数を実現することができる。この配置は３つの湾曲アレイの組み合わせを用いた従来のグレーティングより小型で性能がよい。【選択図】  図３
2011513779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力カプラと、
出力カプラと、
当該グレーティングのアームを形成する複数の導波路を有するグレーティングと、
を含み、
前記グレーティングの連続アームが、前記グレーティングの各アームから直ぐ隣接するアームまで実質的に一定の値を有する経路長差ΔＬを有し、
前記グレーティングは、ラジアル導波路からなる入力アレイと、第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含み、
前記第１及び第２の湾曲アレイは同一であり、かつ反対に湾曲し、前記第１及び第２の湾曲アレイの回転角が非ゼロ回折次数を生成するように選択される、平面ルータ。
【請求項２】
前記中心アレイの前記導波路は、実質的に一定の導波路間隔を有する、請求項１に記載の平面ルータ。
【請求項３】
前記第１の湾曲アレイは、第１の最小曲率半径を有する第１の主導波路を含み、前記第１の主導波路は第１のグレーティング開口内に位置付けられ、
前記第２の湾曲アレイは、第２の最小曲率半径を有する第２の主導波路を含み、前記第２の主導波路は第２のグレーティング開口内に位置付けられ、
前記第１及び第２の半径は、前記グレーティング開口のエッジにおいて生成される半径より実質的に小さく、
前記第１及び第２の主導波路の回転角θ０及びθ´０は、条件θ０＞θ´０を満たし、
経路長差ΔＬは、式：
ｔａｎ（θ０／２）・（ｓｍａｘ＋ｓｍｉｎ）−ｔａｎ（θ´０／２）・２ｓｍａｘ
の値より大きく、また、ΔＬは、
ｔａｎ（θ０／２）・２ｓｍａｘ−ｔａｎ（θ´０／２）・（ｓｍａｘ＋ｓｍｉｎ）
の値より小さく、ただし、ｓｍａｘ及びｓｍｉｎは、各々、前記第１及び第２の湾曲アレイ及び前記中心アレイを含む中心グレーティング領域における最大及び最小導波路距離間隔である、請求項１に記載の平面ルータ。
【請求項４】
１つの入力導波路のみをさらに含み、前記入力ラジアルアレイの角度周期が前記出力ラジアルアレイの角度周期より大きい、請求項１に記載の平面ルータ。
【請求項５】
前記出力ラジアルアレイは、前記出力カプラとの接合点において、前記第２の湾曲アレイとの接合点における角度周期の半分に実質的に等しい角度周期を有する、請求項１に記載の平面ルータ。
【請求項６】
１つの入力導波路とＮ個の出力導波路をさらに含み、前記Ｎ個の出力導波路の前記ルータの出力サークル上の位置は、
前記ルータの２つの連続サイクルが、前記入力導波路と前記出力導波路との間に、前記２つのサイクルによって各々生成される２つの別個の波長間隔λ１＜λ＜λ２及びλ３＜λ＜λ４において実質的に最大の伝送を与え、かつ、
スペクトル効率
【数４０】
2011513779.tif 000042
が０．７より大きくなるように選択される、請求項５に記載の平面ルータ。
【請求項７】
請求項５に記載される第１のルータと、
１つの入力導波路及びＮ個の出力導波路を有する第２のルータであって、前記Ｎ個の出力導波路の前記第２のルータの出力サークル上の位置は、前記第２のルータの２つの連続サイクルが前記入力導波路と前記出力導波路との間に、前記２つのサイクルによって各々生成される２つの別個の波長間隔λ１＜λ＜λ２及びλ３＜λ＜λ４において実質的に最大の伝送を与え、かつ、スペクトル効率
【数４１】
2011513779.tif 000043
が０．７より大きくなるように選択される、第２のルータと、
を含み、
前記第１及び第２のルータ間にファイバが結合され、
前記第１のルータは、２Ｎ個の入力ポートと１つの出力ポートを含み、
２Ｎ個の波長チャネルが、第１のルータの１つのサイクル内で伝送される、光配置。
【請求項８】
前記第１のルータの前記グレーティングの前記アームの各々が、異なる実効屈折率を有するセクションを含む、請求項７に記載の光配置。
【請求項９】
入力信号を受信するための入力カプラ手段と、
前記受信した入力信号の成分を複数のアームの各々において伝播させるためのグレーティング手段であって、ラジアル導波路からなる入力アレイと、第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含む、グレーティング手段と、
前記アーム内を伝播された前記成分を出力信号に合成するための出力カプラ手段と、
を含み、
前記第１及び第２の湾曲アレイは同一であり、かつ反対に湾曲している、ルータ装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２の湾曲アレイの回転角が、非ゼロ回折次数を生成するように選択される、請求項９に記載のルータ装置。
【請求項１１】
前記グレーティング手段の前記アームの各々が、異なる実効屈折率を有するセクションを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記グレーティング手段の連続アームが、各アームから隣のアームまで実質的に一定の値を有する経路長差ΔＬを有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記中心アレイの前記導波路は、実質的に一定の導波路間隔を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力及び出力アレイ内の前記ラジアル導波路は、導波路間に一定のラジアル距離間隔を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１５】
入力カプラにおいて入力光信号を受信することと、
前記受信した入力信号の成分を、グレーティングの複数のアームの各々において伝播させることと、
前記アーム内を伝播された前記成分を出力カプラにおいて出力信号に合成することと、
を含み、
前記グレーティングは、ラジアル導波路からなる入力アレイと、第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含み、
前記第１及び第２の湾曲アレイは同一であり、かつ反対に湾曲している、方法。
【請求項１６】
前記第１及び第２の湾曲アレイの回転角を、非ゼロ回折次数を生成するように配置することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記グレーティングの前記アームの各々に、異なる実効屈折率を有するセクションを与えることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記グレーティングの連続アームに、各アームから隣のアームまで実質的に一定の値を有する経路長差ΔＬを与えることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記中心アレイの前記導波路に、実質的に一定の導波路間隔を与えることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記入力及び出力アレイにおける前記ラジアル導波路に、導波路間の一定のラジアル距離間隔を与えることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本願は、２００８年５月７日に出願し、「IMPROVED WAVEGUIDE GRATING OPTICAL ROUTER SUITABLE FOR CWDM」なる名称の米国特許出願第１２／１５１，４６９号の優先権を主張し、この出願は、２００８年２月２８日に出願し、「IMPROVED LOW ORDER GRATING」なる名称の米国仮特許出願第６１／０６７，３９５号の優先権を３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づき主張する。これらの出願は共に、本願と同じ譲受人に譲渡され、その全体を本願に参照として組み込む。
【０００２】
本開示は、概して、光デバイスに関わり、排他的にではないがより具体的には、例えば、低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ）に適した、小さい回折次数を有する導波路グレーティングルータ（ＷＧＲ）に関する。
【背景技術】
【０００３】
現在の光ネットワークにおける１つのコンポーネントは、１９９２年８月４日に発行され、「IMPROVED OPTICAL SWITCH, MULTIPLEXER AND DEMULTIPLEXER」なる名称の米国特許第５，１３６，６７１号に記載される導波路グレーティングルータである。このルータは、現在、光ネットワーク内で用いられて光ファイバの長距離容量を、各ファイバにおいて同時に送信される波長チャネルの数を増加することによって増やしている。通常、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）を用いる光ネットワークでは、各ルータの次数は３０より大きく、その場合、グレーティングは、図１に示すようにグレーティングの次数に等しく寄与する２つの同一セクションＡ及びＢの対称配置を単純に用いるだけで実現される。その一方で、低密度波長分割多重（ＣＷＤＭ）を用いるローカルアクセスネットワークでは、次数は３０よりかなり小さくすることができ、また、グレーティングの形状は、例えば１９９３年５月１８日に発行された米国特許第５，２１２，７５８号に示されるように変更される。当該特許では、グレーティングは、反対に湾曲した２つのセクションＡ及びＢを含み、また、追加のセクションＣが、図２に示すように、ＡとＢとの間に含まれる。この配置の欠点は、セクションＣがグレーティングのサイズを実質的に大きくしてしまう点であり、したがって、損失及びクロストークを増加し、また、各ウェーハ内に含むことができるデバイスの最大数が小さくなる。
【発明の概要】
【０００４】
一態様では、入力カプラと、出力カプラと、当該グレーティングのアームを形成する複数の導波路を有するグレーティングとを含み、グレーティングの連続アームが、グレーティングの各アームから隣のアームまで実質的に一定の値を有する経路長差ΔＬを有し、グレーティングは、ラジアル導波路からなる入力アレイと、第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含み、第１及び第２の湾曲アレイは同一であり、かつ反対に湾曲し、第１及び第２の湾曲アレイの回転角が非ゼロ回折次数を生成するように選択されるタイプの平面ルータを提供する。
【０００５】
別の態様では、入力信号を受信するための入力カプラ手段と、受信した入力信号の成分を複数のアームの各々において伝播させるためのグレーティング手段であって、ラジアル導波路からなる入力アレイと、第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含む、グレーティング手段と、アーム内を伝播された成分を出力信号に合成するための出力カプラ手段とを含み、第１及び第２の湾曲アレイは同一であり、かつ反対に湾曲する、ルータ装置を提供する。
【０００６】
さらに別の態様では、入力カプラにおいて入力光信号を受信することと、受信した入力信号の成分を、グレーティングの複数のアームの各々において伝播させることと、アーム内を伝播された成分を出力カプラにおいて出力信号に合成することとを含み、グレーティングは、ラジアル導波路からなる入力アレイと、第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含み、第１及び第２の湾曲アレイは同一であり、かつ反対に湾曲する、方法を提供する。
【０００７】
この概要のセクションの内容は、簡易化した導入部分として与えているに過ぎず、特許請求の範囲を解釈又は限定するために用いられるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
非限定的及び非包括的な実施形態を、以下の図面を参照して説明する。図中、同様の参照番号は、特に明記されない限り様々な図面において同様の部分を指し示す。
【図１】図１は、従来の高次数の導波路グレーティングルータを示す。このグレーティングは、各グレーティング回折次数に等しく寄与する２つの同様のセクションＡ及びＢを含む。
【図２】図２は、セクションＢを（垂直方向に）反転させかつＡとＢとの間に追加のセクションＣを挿入することによって図１から導き出される従来の低次数の導波路グレーティングルータを示す。この配置では、各次数は、中心セクションＣのみによって決定される。
【図３】図３は、セクションＣを取り外しかつセクションＡ及びＢにおいて異なるパラメータ（回転角）を選択することによって図２から導き出される、一実施形態による配置を示す。
【図４】図４は、一実施形態による、図３のセクションＡの詳細を示す。
【図５】図５は、一実施形態による、図４の湾曲アレイのパラメータΔｓ、Ｒ、Δｙ０の、θに伴う変動を示す。パラメータΔｓは初期の導波路間隔であり、Δｙ０は最終間隔であり、Ｒは導波路の曲率半径である。
【図６】図６は、一実施形態による、図４における湾曲アレイのレイアウトを示す。明確にするために幾つかの導波路のみを示す。
【図７】図７は、１２５０ＧＨｚのチャネル間隔を有する１×１６波長ルータのマスクレイアウトを示す。
【図８】図８は、一実施形態による、図３の配置を用いて設計された２つのルータの双方向配置を用いるローカルアクセスネットワークを示す。一実施形態による２つのルータのマスクレイアウトも示す。
【図９】図９は、出力周期の２倍に等しい入力周期Δθ´０によって特徴付けられるルータ移行部９１４を含めることによって実現した２つの連続サイクル９１６及び９１７を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下の説明では、多数の具体的な詳細を実施形態の完全なる理解のために与えている。これらの実施形態は、１つ以上のこれらの具体的な詳細がなくとも、又は、他の方法、コンポーネント、材料等を用いて実施することができる。その他の場合では、周知の構造、材料、又は動作は、実施形態の特徴を曖昧にすることを回避すべく詳細には図示又は説明していない。
【００１０】
本明細書全体にわたって「１つの実施形態」又は「一実施形態」との参照は、ある実施形態に関連して説明した特定の機能、構造、又は特徴が少なくとも１つの実施形態に含まれるということを意味する。したがって、本明細書の様々な場所に記載される「１つの実施形態において」又は「一実施形態において」なる表現は必ずしもすべて同じ実施形態について参照しているわけではない。さらに、特定の機能、構造、又は特徴は１つ以上の実施形態において任意の好適な方法で組み合わせてもよい。
【００１１】
特に明記されない限り、本明細書及びそれに続く特許請求の範囲において、単語「含む」及びその変形は、開放的かつ包括的な意味、つまり「次に限定されないが…を含む」の意味に解釈されるべきである。
【００１２】
本明細書中に与えた見出しは便宜のために過ぎず、実施形態の範囲又は意味を解釈するものではない。
【００１３】
以下の説明では、各要素の記号表示における最初の数字は、当該要素が記載される図面を指す（例えば２０１は図２に記載される）。さらに、残りの数字は異なる図面に登場する同様の要素に対して同じである。
【００１４】
上述したように、図２の配置は、セクションＣの追加による特定の不利点を有する。したがって、本開示において、一実施形態では、セクションＣは取り外され、セクションＡ及びＢを適切に変更することによって非ゼロの次数が実現される。この新規の配置は、より小型であり、図２の従来の配置より性能が良い。また、次数は、例えば３０ほどにすることができる。この新規の配置は、例えば約３０未満の回折次数を必要とする低密度分割多重（ＣＷＤＭ）といった特定の応用に用いることができる。
【００１５】
一実施形態では、改良型の低次数グレーティングが、２つの湾曲アレイからなる非対称配置を用いることで低次数導波路グレーティングの損失及びサイズを減少する。これら２つのアレイは反対に湾曲し、それにより反対の回転角が生成される。回転角は小さい回折次数を生成するように適切に選択される。
【００１６】
一実施形態では、改良型の低次数光ルータは、３つの湾曲アレイからなる従来の配置のサイズを実質的に減少しかつその性能を向上させる改良型のグレーティング配置を含む。３つの湾曲アレイの代わりに、新規の配置は、反対に湾曲する２つの湾曲アレイのみを含み、次数は例えば３０ほどにすることができる。一実施形態のグレーティングは、全体として、１）入力ラジアルアレイ、２）第１の湾曲アレイ、３）直線導波路からなるアレイ、４）第１の湾曲アレイとは反対に湾曲する第２の湾曲アレイ、及び５）出力ラジアルアレイを含む導波路アレイである。別の実施形態では、２つの湾曲アレイは、各々、グレーティング開口内で生成される最小曲率半径によって特徴付けられる。別の実施形態では、スペクトル効率が向上された双方向ルータが、出力ラジアルアレイに専用の移行部（transition）を含めることによって実現される。この移行部の出力周期はアレイ周期の半分に等しい。
【００１７】
一実施形態では、平面光導波路グレーティング配置は、グレーティングのアームを形成しかつ本質的に２つの円弧間に接続される複数の導波路から構成され、これら２つの円弧の中心は、各々、グレーティングの２つの焦点を決定する。アームは各アームから隣のアームまでの一定の長さ増加ΔＬによって実質的に特徴付けられ、各アームは反対の符号の湾曲を有する２つの湾曲セクションＡ及びＢを含み、それによりこれら２つのセクションは反対の符号の回転角によって特徴付けられ、グレーティング全体は２つの部分Ａ及びＢを含み、これら２つの部分は隣接するアーム間の一定間隔Δｙによって実質的に特徴付けられる線に沿って互いに結合され、各部分は一定の長さ増加によって実質的に特徴付けられ、長さ増加は反対の符号を有する部分Ａ及びＢによってもたらされ、それにより全増加ΔＬによってもたらされるグレーティングの次数はゼロより大きく２０未満の小さい整数であり、非ゼロ次数は２つの部分Ａ及びＢにおいて様々な回転角を適切に選択することによって実現される。
【００１８】
一実施形態では、湾曲セクションＡ及びＢの各々は、２つの可変曲率の湾曲移行部間に接続された一定曲率の中心弧を含み、グレーティングの部分Ａ及びＢの各々は、最小曲率半径のアームを含み、このアームはグレーティング開口の中心付近に配置される。
【００１９】
ルータの説明
図１は、導波路グレーティングが関連する従来のイメージング配置１００の基本構造を示す。なお、このイメージング配置は本願ではルータとも呼ぶことに留意されたい。イメージング配置１００は、複数のＭ個の導波路１１５（グレーティングのアームと呼ぶ）によって形成されるグレーティング１５０によって離間されかつ相互接続された入力セクション１０１及び出力セクション１０２を含む。入力及び出力セクション（カプラとも呼ぶ）は、通常、各々、自由空間スラブ導波路であり、また、この配置は、点放射源として作用する入力導波路１０７によって与えられる波エネルギーが、複数の出力像（そのうちの２つの出力像を図１にＩ、Ｉ´´として示す）を形成するという特性を有する。光導波路アーム１１５は、通常、平面シリコンウェーハ上に支持されるシリカコアの薄く細い層（平面ストリップ）である。
【００２０】
従来のイメージング配置又はルータでは、入力ポート及び出力ポートは、通常、ルータの入力サークル１２１及び出力サークル１４１と呼ばれる２つのサークルの一部に沿って入力カプラ１０１及び出力カプラ１０２に接続される。簡単にするために、図１では、１つの入力ポート１０７と２つの出力ポート１０８のみを図示する。
【００２１】
グレーティングは、幾つかのセクションから構成される導波路アレイである。第１のセクション１０３及び最後のセクション１０４はラジアルアレイであり、これらは、グレーティングの入力サークル１２２及び出力サークル１４２と呼ぶ２つのサークルの一部に沿って入力カプラ１０１及び出力カプラ１０２に接続される。２つのラジアルアレイの焦点Ｆ及びＦ´がルータの入力サークル及び出力サークル上に配置されることに留意されたい。グレーティングは、全体として、２つの部分Ａ（１６０）及びＢ（１６１）を含み、各々、ラジアルアレイ（１０３又は１０４）と湾曲アレイ（１０５又は１０６）を含み、これら２つの部分は、平行導波路からなるアレイ１０９によって互いに結合される。
【００２２】
結果として、各入力信号の、波長に依存する出力像を生成するルータがもたらされる。各出力像の位置はその波長λによって決定され、したがって、特定の入力ポートからの様々な波長の信号は、様々な出力ポートによって受け取られる別個の像を生じさせる。通常、光ファイバを用いて入力ポートに入力信号を与えかつ出力ポートから出力信号を抽出する。実際には、ルータが多くの様々な宛先に信号を送る場合、多くの出力ポートが実装されうる。同様に、様々な入力からの信号を受け取るために幾つかの入力ポートが実装されうる。波長分割光ネットワークでは様々な波長が様々な通信チャネルを表すことになる。
【００２３】
図１の配置の特性は、入力導波路１０７に与えられた可変波長λの入力信号に応じた、そのイメージング特性を検討することによって次に最良に説明される。図１における入力信号は、グレーティング１５０を形成するアーム１１５の受け取り開口に向かって導波路位置から放射される。前述したように、グレーティング１５０内には適切な数Ｍのアームがある。特定の入力波長において、各アームは入力信号の一成分を受け取る。したがって、入力信号は多数の成分に分割され、各々、特定のアームに沿って進行する。各アームはその成分に波長に依存する適切な位相シフトを与え、また、位相シフトはアームの光路長に比例する。従来のルータでは、連続アームは一定の経路長差によって良好な近似に特徴付けられている。結果として、この配置は、出力湾曲部１４１上に入力信号の等間隔の像Ｉ、Ｉ´´のセットを生成する。これらの像は、アームによって放射された様々な信号成分が、２πの整数倍数内で、同相で加算されるそれらの特定の位置において生成される。様々な像は異なる次数（２πの異なる整数倍数）を表し、これらの像は３つの特性を有する。第一に、それらの位置は波長λによって変動する。第二に、それらの強度も変動し、強度は出力周期アレイ１０４の放射特性によって決定される。第三に、像はアレイ要素の角度間隔Δθによって決定される間隔Ω：
【数１】
2011513779.tif 000003
で等間隔にされる。ここで、ｎは屈折率である。従来のルータにおいて留意すべきことは、最も高い強度の中心像Ｉである。これはアームの焦点Ｆ´に最も近い像であり、主像と呼ばれる。この像は、Ｆ´を中心にした幅Ωの間隔Ｐ１、Ｐ２である中心ゾーン内に生成される。Ｉ´´といった（異なる次数の）残りの像はこの中心ゾーンの外側に生成される。これらの像は、通常、中心ゾーンの境界Ｐ１、Ｐ２の近くである場合以外のあらゆる場合ではかなり小さい強度を有する。
【００２４】
従来のルータでは、すべての出力ポート又は導波路が、中心ゾーン（図１では、ルータの視野Ｐ１、Ｐ２を表す）の内側に位置付けられ、中心ゾーン内で生成された像を受け取る。図１では、簡単にするために、２つの出力導波路１０８のみを示し、また、入力信号は、主像位置が導波路位置と一致する波長の特定の導波路に効率よく伝送される。前述したように、Ｉは中心ゾーンＰ１、Ｐ２内の特定の像として定義される。したがって、Ｉの変動は、信号波長の周期（周期的）関数である。各周期において、変動は中心ゾーンＰ１、Ｐ２全体を厳密にカバーする。結果として、伝送係数（transmission coefficient）は、等間隔の最大値から構成される周期挙動を有する。各最大値は、像Ｉが出力導波路位置と一致する波長に対応する。最大値間の波長間隔λｆによって与えられるこの周期は自由スペクトル領域と呼ばれる。従来のルータでは、中心ゾーンの外側で生成される像（例えば、図１のＩ´´）は無用と考えられているので望ましくない。したがって、それらの強度を最小化にすることは、通常、ルータを最適化することになる。このために、２００５年３月２９日に発行された米国特許第６，８７３，７６６Ｂ２号及び２００６年６月２７日に発行された米国特許第７，０６８，８８８Ｂ１号に示されるような好適な移行部をグレーティングに含めることによって周期アレイ１０４の放射特性を最適化する。
【００２５】
まとめると、可変波長の入力信号に対するルータ応答は可変主像であり、その位置は信号波長λの関数である。結果として、同じ入力導波路に同時に与えられる様々な波長は、様々な出力導波路に伝送されることが可能である。しかし、上記の配置は、通常３０超の大きい回折次数にのみ適している。より小さい次数については、上記の配置は変更され、また、可能な選択としては、１９９３年５月１８日に発行された米国特許第５，２１２，７５８号に既に提案されている配置が挙げられる。
【００２６】
図１と同様に、図２における配置は、部分Ａ（２６０）及び部分Ｂ（２６１）と、入力セクション２０１及び出力セクション２０２と、１つの入力ポート２０７及び２つの出力ポート２０８と、入力サークル２２１及び出力サークル２４１と、第１セクション２０３及び最後のセクション２０４と、入力サークル２２２及び出力サークル２４２を含む。
【００２７】
図２に示すこの配置は、３つの湾曲アレイ２０５、２４３、２０６を含み、図１の配置から以下のようにして導き出すことができる。図１のグレーティングは、２つの同一の部分Ａ及びＢを含む。さらにこのグレーティングは、一般に、すべての湾曲導波路に対して同じ曲率を仮定して設計されており、その結果、グレーティングの中心領域における直線導波路は均一に間隔があけられていない（ただし、図１では、簡単にするために、導波路は等間隔にあるように示されている）。その一方で、図２では中心領域における導波路は均等に間隔があけられ、この場合のグレーティングは、３つの部分Ａ、Ｃ、Ｂを含む。したがって、図２のグレーティングは、図１のグレーティングから３つのステップを経て得られる。すなわち、まず、図１においてグレーティングの中心領域において同じ導波路間隔を選択し、次に、第２の部分Ｂを垂直方向に反転させ、また次に、ＡとＢとの間に、等間隔の（湾曲）導波路から構成される追加アレイＣを含めることで得られる。これにより、３つの湾曲アレイ２０５、２４３、２０６を含む図２の配置が得られる。第１のアレイ２０５及び最後のアレイ２０６は（主像の）次数には寄与しないので、次数は、中間のアレイ２４３によってのみ生成される。この配置の特徴は、中間アレイ２４３の回転角２４４を適切に選択することによってあらゆる次数を実現できることである。その一方で、中間アレイ２３４は、グレーティングのサイズを実質的に増加し、各ウェーハに含めることのできるデバイスの最大数を減少し、また、損失及びクロストークも増加してしまう。したがって、本開示では、一実施形態では、図３に示すように、中間アレイ２４３を取り外しかつ図示するように２つのアレイ２０５、２０６を適切に変更することによって、サイズと性能の両方が実質的に向上される。図３の新規のグレーティングは、一般に、次数が例えば約３０未満である場合に用いることのできる配置である。
【００２８】
図３では、ルータの配置３００は、部分Ａ（３６０）及び部分Ｂ（３６１）を含む。配置３００はさらに、１つの入力ポート３０７及び２つの出力ポート３０８を含む。
【００２９】
図３のグレーティングは、幾つかの点で図１の高次数グレーティングに類似する。どちらの場合も、グレーティングは２つの部分Ａ及びＢを含み、各々、ラジアルアレイ（３０３又は３０４）と湾曲アレイ（３０５又は３０６）を含み、どちらの場合も、２つの部分は、平行導波路からなるアレイ３０９によって互いに結合される。さらに、各部分は、どちらの場合も各アームから隣のアームまでの一定の経路長差によって特徴付けられる。その一方で、図１の高次数グレーティングは設計するのが簡単である。これは、グレーティングの中心領域における直線導波路が均一に間隔があけられる必要がなく、その結果、すべての湾曲導波路に対して同じ曲率を選択することができるからである。その代わり、その他の場合、図３の中心領域における直線導波路は等間隔にされる。その結果、図３における湾曲導波路は異なる曲率を有し、部分Ａ及びＢにおける曲率変動は本願に図示し説明するように最小にされる。
【００３０】
図１において見られるように、図３におけるルータは、第１のカプラ３０１と、長さＬ１、Ｌ２、…、ＬＭのＭ個のアームからなる導波路グレーティング３５０と、第２のカプラ３０２を含む。前述したように、グレーティングは、連続アーム（導波路）が、各アームから隣のアームまで長さの一定の増加ΔＬ＝Ｌ２−Ｌ１＝Ｌ３−Ｌ２等によって特徴付けられる。図１において見られるように、図３におけるグレーティングは、全体で５つのアレイ、すなわち、入力ラジアルアレイ３０３と、第１の湾曲アレイ３０５と、平行導波路からなる中間アレイ３０９と、第２の湾曲アレイ３０６と、出力ラジアルアレイ３０４を含む。入力及び出力ラジアルアレイは、各々、グレーティングの入力サークル３２２及び出力サークル３４２に沿って、入力カプラ３０１及び出力カプラ３０２に接続される。一実施形態においてグレーティング効率を最大にするために、ラジアル導波路は、各カプラの付近において強力にカップリングされる。その一方で、一実施形態では、グレーティングの中心セクションでは、カップリングは基本的にゼロである。図１において見られるように、各ラジアルアレイの導波路は、一定の角度距離Δθ０によって特徴付けられ、それらの焦点Ｆ及びＦ´は、各々、ルータの入力サークル３２１及び出力サークル３４１上に位置付けられる。
【００３１】
一実施形態の各グレーティングアームは、通常、少し異なる実効屈折率によって特徴付けられる幾つかのセクションを含むことに留意されたい。したがって、各セクションの光路長は、長さを乗じた当該セクションの実効屈折率に等しい。したがって、全光路長は、全長を乗じた平均屈折率である。以下において、結果の実質には影響を与えないので、簡単にするために、各アームには一定の屈折率があると仮定する。
【００３２】
上記の条件下において、入力導波路に与えられる可変波長λの入力信号に対する波長応答を考える。入力導波路は入力カプラ３０１内でラジアル波を生成し、グレーティングは入射信号に３つの変換を行う。第一に、入射信号は、第１のラジアルアレイ３０３によってＭ個の別個の成分に分割され、各成分はグレーティングの特定の導波路（アーム）内を伝播する。第二に、グレーティングは隣接する成分間に波長に依存する位相シフト：
【数２】
2011513779.tif 000004
を与える。この位相シフトは、経路長差ΔＬ、波長λ、及びアーム実効屈折率ｎによって決定される。第三に、Ｍ個の成分が出力ラジアルアレイ３０４によって再合成され、それにより、出力カプラ３０２内で、出力サークルの特定の出力位置に向かって集束するラジアル波が生成され、それによりその位置に入力信号の出力像が形成される。この像の位置は位相シフトΔφによって決定され、したがって、この像の位置は信号波長の関数である。具体的には、ΔＬ／λが整数であり、入力導波路が焦点Ｆに位置付けられる場合、出力像も（出力）焦点Ｆ´において生成される。前述したように、グレーティングは不所望の像も生成するが、これらの不所望の像は、前述したように好適な出力移行部をグレーティングに含めることによって基本的に排除されるので、ここでは無視することにする。
【００３３】
一般に、１つ以上の実施形態のルータの設計において、幾つかの問題が考えられる。第一に、上記の２つの特許において既に示されているようにグレーティング効率が最適化される。第二に、曲げ部分における放射損失を最小にするために、各曲げ部分における曲率半径Ｒは、屈折率コントラストによって決定される最小値Ｒｍｉｎより小さくない。第三に、グレーティングの湾曲領域では、隣接するアーム間の間隔は最小変動によって特徴付けられる。第四に、各ウェーハ上のデバイス数を最大にすべくルータのサイズが最小にされ、それにより各デバイスのコストも減少される。最後に、損失及びクロストークも最小にされる。最後の２つの条件は、図１の配置において見られるような２つのセクションＡ及びＢの代わりに３つの別個のセクションＡ、Ｂ、及びＣを必要とするという欠点を有する図２では満たすことが難しい。図２の従来の配置では、経路長差ΔＬは、追加の湾曲セクションＣによってのみもたらされることに留意されたい。他の２つのセクションＡ及びＢはΔＬに寄与しない。これらの２つのセクションは、１８０°の回転以外は同一であり、それによりΔＬへのそれらの寄与は互いに相殺される。したがって、図２では、非ゼロΔＬを生成するためには湾曲導波路からなる追加のセクションＣが必要である。このセクションＣはグレーティングのサイズをかなり増加し、その結果、損失及びクロストーク（これらは主にアームの湾曲セクションにおける製造誤差によっても部分的に引き起こされる）も増加する。
【００３４】
本願では、一実施形態において、この問題は、図３に示すように中心セクションＣを取り外すことによって解決される。このセクションが取り外されると、図２の従来の配置から得られるグレーティングは、互いに対して１８０°で回転される２つの同一のセクションＡ及びＢのみを含む。したがって、これら２つのセクションは反対に湾曲するので、それらのΔＬへの寄与は反対の符号を有し、また、全経路長差ΔＬはゼロとなる。その一方で、上記の２つのセクションのうち１つを適切に変更することによって、本開示において示すように非ゼロΔＬを実現することができる。中心セクションＣが取り外されると、２つのセクションＡ及びＢは、図３に示すようにΔｙ０によって均一に間隔があけられる直線導波路からなるアレイによって互いに接合されることに留意されたい。
【００３５】
前述したように、ラジアル導波路は、一実施形態では、各カプラ３０１又は３０２の付近において強力にカップリングされる。その一方で、湾曲アレイ３０５及び３０６では、一実施形態では、カップリングは基本的にゼロである。これらの２つの条件は、次の通りに説明することができる。例えば、ラジアルアレイ３０３を検討する。このアレイは、定数Δθ０によって特徴付けられるので、周期Δθ０で周期的である。その結果、このアレイは、カプラのラジアル波に類似したスーパーモードをサポートし、また、この場合、実質的なカップリングがカプラの付近において有用である。これは、カップリングがラジアル方向に非常にゆっくりと減少する（カプラからの距離が増加する）場合、グレーティング効率が向上するからである。その一方で、ラジアルアレイに接続された湾曲アレイ３０５は周期的ではない。この場合、特定のアーム内を伝播する各信号成分は、他のアームへの、無視できる電力伝達を生成する。あらゆる電力伝達は、アームによって生成される位相シフトに影響を及ぼし、したがって、高い損失及びクロストークをもたらす位相収差を引き起こす。例えば、０．６％の屈折率コントラストと、約６μｍの導波路幅を仮定すると、各湾曲アレイにおける導波路間隔は約３５μｍより大きく、したがって、間隔Δｙ０はこの値よりかなり大きいことが分かる。例えば、後で検討する例では、Δｙ０＝４５μｍである。図３では、導波路は、低屈折率のストリップによって離されることに留意されたい。製造プロセスによって、通常、これらのストリップにおける屈折率が導波路間隔に少し依存するようになる。したがって、各湾曲アレイにおける導波路間隔は、すべての導波路に対して、同じ長さ方向の変動によって大体特徴付けられる。後述するように、この条件は、グレーティングパラメータを適切に選択することによって正確に満たされる。最後に、本願において検討されるルータは、図２の形状を用いて既に実現されているルータとはかなり異なることに留意されたい。そのルータは、２つの出力導波路のみを含み、アーム数は約１０であった。その一方で、一実施形態による通常のローカルアクセス応用では、出力導波路の数は、例えば３２より多くてよく、アームの数も例えば１００より多くてよい。そして本開示に記載したようにサイズ及び性能の両方が最適化される。
【００３６】
図３の実施形態におけるグレーティングは、全体として、５つのアレイ、すなわち、入力ラジアルアレイ３０３と、第１の湾曲アレイ３０５と、直線導波路からなる中心アレイ３０９と、第２の湾曲アレイ３０６と、出力ラジアルアレイ３０４から構成される。
【００３７】
以下において、プライム記号（）´は、セクションＢのパラメータを指す。しかし、２つのセクションＡ及びＢは類似した特性を有するので、第１のセクションＡのみを最初に検討する。
【００３８】
低次数ルータの設計例
図４に示すように、セクションＡ（４６０）は、３つの部分、すなわち、ラジアル導波路からなるアレイ４０３と、続いて湾曲導波路（曲げ部分）からなるアレイ４０５と、続いて（等間隔の）直線導波路からなるアレイを含む。したがって、セクションＡにおける各アーム４３０は、湾曲導波路に接続されたラジアル導波路を含む。以下において、Ｐはこれら２つの導波路間の接続点を示し、θはｘ方向に対する最初の角度を示し、ｒは焦点ＦからのＰのラジアル距離を示し、ｘ、ｙは湾曲導波路の端部における座標を示す。さらにΔθ０はラジアルアレイにおける導波路の（一定）角度距離間隔を示し、Δｙ０はセクションＡの端部における直線導波路の（一定）距離間隔を示す。アーム座標θはさらに、湾曲導波路によって生成される回転角に等しいことに留意されたい。
【００３９】
各曲げ部分において、可変曲率を有する適切な移行部を含めることによって最初及び最後の曲率不連続部分を除去する（又は実質的に減少する）ことが一般的であり、各曲げ部分は一定半径Ｒの中心セクションと、可変曲率の２つの（比較的短い）端部移行部を含む。その一方で、この２つの移行部はここでは無視する。無視することにより、結果に実質的に影響を及ぼすことなく導出が簡単になるからである。したがって、各曲げ部分は、一定曲率半径Ｒを有すると仮定する。前述したように、Ｒの値は、屈折率コントラストによって決定される最小値Ｒｍｉｎより小さくない。例えば、最小半径は、０．６％の屈折率コントラストに対して約
【数３】
2011513779.tif 000005
である。したがって、グレーティングは、制約Ｒ＞Ｒｍｉｎ下で設計される。なお、ここでは、Ｒは、アーム座標θの関数として相当な変動によって特徴付けられることに留意されたい。図４におけるＲのこの変動は、湾曲アレイ４０５の端部における一定導波路間隔Δｙ０の結果であり、また、これは、グレーティングのサイズを増加しかつグレーティング性能を下げるので、通常、望ましくない。したがって、Ｒの上記変動は、次に示すように最小にされる。
【００４０】
角度θに対するＲの二次導関数は、本明細書にて検討するタイプの配置では正であることが分かる。Ｒの二次導関数のこの特性によって、図５に示すように、座標θによって決定されるグレーティング開口角５７０内に、略最小値Ｒの中心領域を生成することができる。このためには、Ｒの一次導関数が中心アーム近くの特定のアームに対して消失するようにグレーティングを設計することで十分であり、このアームは主アームと呼ばれる。次に、このアームに対してＲ＝Ｒｍｉｎを選択することによって、主アームの付近における角度θの関数としてのＲの変動は、略不動であり（図５に示すように一次導関数は略ゼロとなる）、Ｒの値は最小値Ｒｍｉｎに近くなる。以下の検討事項は、セクションＡ及びＢの両方に適用される。どちらの場合も、下付き文字（）０は、主アームを示す。具体的には、Δｓ０はラジアルアレイ４０３の端部における導波路間隔Δｓ＝ｒΔθ０の主値を示す。
【００４１】
一実施形態のグレーティングの特性は、セクションＡ及びＢは共に、パラメータＲ、ｒ、θが主アームに対して指定されると、所与の回折次数及びΔθ０、Δｙ０の所与の値に関して一意に決定されることである。したがって、設計は、湾曲領域における隣接するアーム間での顕著なカップリングを引き起こすことなくルータのサイズを最小にするように、主アームのパラメータを適切に選択することによって最適化される。各湾曲領域において、隣接する導波路間の間隔は、各導波路の全長に沿った良好に挙動する変動（well behaved variation）によって特徴付けられる。具体的には、各ラジアルセクションの湾曲セクションとの接合点において、導波路間隔Δｓ＝ｒΔθ０は、Δｙ０より小さいべきである。さらに、最適化されたグレーティングについて、Δｓの最小値は、最小のθに対して生じることが示され、また、Δｓのこの最小値は、隣接するアーム間の無視できる相互カップリングを確実にするよう十分に大きいべきである。その一方で、最大のΔｓは、通常、上部アームの付近で生じ、また、Δｙ０より小さい。上記の２つの条件は、Δｙ０及びΔｓ０を適切に選択することによって簡単に満たされる。一例を図５に示し、ここでは、アームの総数Ｍ＝１１１であり、
【数４】
2011513779.tif 000006
である。
【００４２】
この例では、グレーティングの部分Ａの開口角は、間隔５７０：
【数５】
2011513779.tif 000007
に及び、最小Ｒは開口の中心θ０＝６０°において生成され、したがって、前述したように、Ｒの一次導関数はθ０＝６０°に対してゼロである。Δｓの最小値は、下部アームの付近で生成され、Δｓはθ＞θ０に対して略一定であることに留意されたい。間隔Δｓの変動全体は約７μｍであり、これは、２つの条件、Δｓ＞３５μｍ及びΔｙ０＞Δｓを満たす。前者の条件は、Δｓ０の十分に大きい値を選択することによって実現され、後者の条件は、Δｙ０の十分に大きい値を選択することによって実現される。図６は、部分Ａにおける湾曲導波路のマスクレイアウト６０５を示す。明確にするために幾つかの導波路のみを示す。導波路間隔は、すべての場合において良好に挙動する変動によって特徴付けられることが分かる。
【数６】
2011513779.tif 000008
についても同様の結果が得られることが確認できる。
【００４３】
次に、グレーティングの連続アーム間の経路長差ΔＬを検討する。前述したように、設計は、ここでは、主アームの位置においてＲのゼロ次導関数を指定することによって最適化され、それにより、図５に示すように当該位置でＲ＝Ｒｍｉｎを生成する。上記の条件下で、セクションＡは、経路長差：
【数７】
2011513779.tif 000009
に寄与することが分かる。
【００４４】
同様に、Ｂは、
【数８】
2011513779.tif 000010
に寄与する。これは、図３におけるＢは、Ａに対して１８０°回転されているので符号は負となる。全経路長差ΔＬは、上記の２つの寄与の合計：
【数９】
2011513779.tif 000011
であり、これは、
【数１０】
2011513779.tif 000012
を与える。
【００４５】
具体的には、Δｓ´０＝Δｓ０を選択することによって
【数１１】
2011513779.tif 000013
であり、また、次数ｎΔＬ／λは、
【数１２】
2011513779.tif 000014
と、中心波長λ＝１．４４２μｍを仮定する場合、３０より大きくてよいことを確認できる。
【００４６】
上記の設計は、結果の実質に影響を及ぼすことなく多くの方法で変更できることに留意されたい。上記の式は、各曲げ部分において、一定の曲率であることを仮定して導出したが、同様の結果をこの制約なしでも得ることができる。さらに、上記の式は部分Ａ及びＢにおいて異なる主アームが選択されても影響を受けない。異なる主アームが選択される場合、主座標θ０及びθ´０は異なるグレーティングアームに対応する。
【００４７】
パラメータΔθ０、Δθ´０は、上記の式では明示的には登場しない。しかし、これらのパラメータは、グレーティングの入力開口ＭΔθ０及び出力開口ＭΔθ´０を決定し、グレーティングのサイズ及び性能に影響を及ぼし、さらに、ルータの倍率（Δθ０／Δθ´０に等しい）を決定するので、ルータ設計において影響を与える。１／Δθ０及び１／Δθ´０の値は、各々、入力導波路及び出力導波路の間隔（及び幅）を決定する。後述する一応用例は、１×Ｎルータの設計であり、その出力効率は、前述した２つの特許に基づいた好適な移行部を含めることによって最適化される。この場合、セクションＢでは小さい周期Δθ´０が望ましく、また、Δθ０＞Δθ´０を選択することによってグレーティングのサイズを最小にすることが有利でありうる。
【００４８】
図７は、１２５０ＧＨｚのチャネル間隔によって特徴付けられ、ローカルアクセス応用に好適な例えば１×１６のルータのレイアウトを示す。この場合、グレーティングは、
【数１３】
2011513779.tif 000015
によって特徴付けられ、また、０．６％の屈折率コントラストを仮定し、かつ、
【数１４】
2011513779.tif 000016
を選択することによって最適化された。
【００４９】
好適な移行部が曲げ部分内に含められ、したがって、上記の値ΔＬ＝７．９５μｍは、移行部なしで式（４）から得られた値７．８６μｍとは少し異なる。上記の配置では、ルータ効率は、上記の２つの特許に示したように専用の出力移行部をグレーティングに含めることによって最適化された。全損失は約３ｄＢであると期待され、これは、図１に示す市販される単純なタイプルータの典型的な損失である。
【００５０】
図７のルータの実施形態は、薄くかつ長く、また、１５個より多いデバイスを例えば６インチウェーハ上に収めることができる。その一方で、図２の配置を用いると、デバイスの数は１０個ほどに少なくなり、高い損失及びクロストークが生成される。
【００５１】
次に、Ｓｍａｘ及びＳｍｉｎが、各々、２つの湾曲アレイと、直線導波路からなる中心アレイとから構成される中心グレーティング領域における最大導波路距離間隔及び最小導波路距離間隔を示すとする。次に、Δθ０＞Δθ´０と仮定すると、一般式（３）を用いて、路長差ΔＬは、
【数１５】
2011513779.tif 000017
より大きく、かつ、
【数１６】
2011513779.tif 000018
より小さいことが確認できる。
【００５２】
前述したように、条件（３）は、各曲げ部分が一定の曲率を有する場合にのみ適用されるが、その一方で、上記の２つの条件（８）及び（９）は、上記の制約なしに、あらゆる場合を含む。上記の条件は、本開示が対象とする一実施形態のルータパラメータの範囲を画定する。
【００５３】
ここまでは一定のΔＬを仮定したが、ある実施形態では、幾つかの理由からこの条件を変更することが有利でありうる。ここまでは入力信号が入力導波路位置から発生する入力ラジアル波を生成すると仮定した。実際には、入力波は小さい収差の影響を受けて、アームの長さを少し変更することによって補正可能な位相誤差が引き起こされる。伝送の方向を反対にすることによって確認できるように、同様の収差が出力導波路によっても引き起こされうる。さらに、収差がない場合でも、ある実施形態では、例えば通過帯域を広げるためにアームの長さを少し変更することが有利でありうる。その場合、グレーティングも適宜変更される。
【００５４】
応用例
上記のルータの例示的な実施形態は、例えば次世代のローカルアクセスネットワークに役立つことが期待されている。この場合、初期のファイバ導入が初期費用の大部分を占めるので、各アクセスファイバによってサービス提供されるユーザ数を増やすことで、ユーザ１人あたりの費用を実質的に減少する。例えば、中央局と、特定のアクセスエリアにサービス提供するアクセスノードとの間に接続されたアクセスファイバを検討する。次に、図８に示すように中央局とアクセスノードの各々に位置付けられた２つのルータを用いることにより、ユーザ１人あたりのファイバ導入費用は、ファイバの利用可能な帯域幅Ｂ（約３６０ナノメートル）全体をカバーする多くのチャネルをファイバ内で伝送することにより最小限に抑えられる。さらに、導波路グレーティングルータの周期特性を用いることにより、各ファイバにおける双方向伝送は、アクセスルータの２つの連続サイクルを用いることにより簡単に実現でき、それにより、ネットワーク内のファイバの総数をさらに減少できる。
【００５５】
しかし、上記の技術の特徴は、２つの連続サイクルがファイバ帯域幅Ｂ全体に亘って許容効率を提供できないということである。代わりに、１つのサイクルによって各々生成される２つの別個の伝送帯域を得る。これら２つの帯域は、実質的に低い効率の帯域によって離される。その結果、従来の設計では、６７％未満のファイバ帯域幅Ｂに亘ってのみ効率のよい伝送が提供される。本明細書では、この問題は次に示すようにルータ効率を最大にすることによって解決される。
【００５６】
図８では、単一のファイバがアクセスノードと中央局との間の双方向伝送を提供し、また、同様に、単一のドロップファイバがアクセスノードと各ユーザとの間で用いられる。この配置では、下流方向及び上流方向での同時伝送が、アクセスノードにおけるルータの様々なサイクルを用いることで実現される。３つのパラメータは、各方向に伝送されるチャネル数Ｎ、チャネル間隔ΔＢ、及びファイバが利用可能な帯域幅Ｂである。後述するように、双方向ルータは２つの別個の伝送帯域において効率がよく、各伝送帯域はＮΔＢに等しい幅を有する。これら２つの帯域は、低効率の中間帯域によって離され、ファイバ帯域幅Ｂの範囲はこれら３つの帯域を正確にカバーする。この場合のパラメータは、双方向ルータによって実際に使用される利用可能な帯域幅Ｂの分数によって決定されるルータスペクトル効率：
【数１７】
2011513779.tif 000019
である。
【００５７】
通常、上記の例示的な配置では、各ルータの次数は１０未満であり、また、各方向におけるチャネル数Ｎが少なくとも１６であることが望まれる。またチャネル間隔も、アクセスルータが温度制御なく野外で使用できるように十分大きいことが望まれる。この理由から、積ＮΔＢは、一実施形態では、次に説明するように上記のスペクトル効率Ｅを最大にすることによって所与のＢに対して最大にされる。
【００５８】
図１において、入力導波路に与えられる増加波長λの入力信号に対するルータ応答を検討し、また、次数Ｑ及びＱ−１の２つの連続サイクルを検討する。簡単にするために、中心ゾーン幅Ｐ１Ｐ２の波長依存は無視する。次数Ｑの第１のサイクルは、特定の波長λａ（この波長に対して（次数Ｑの）像Ｉが中心ゾーンＰ１Ｐ２の第１のエッジＰ１において生成される）おいて開始し、このサイクルは、波長λｂ（この波長に対して（次数Ｑの）像が中心ゾーンＰ１Ｐ２のもう１つエッジＰ２に位置付けられる）において終了する。この波長において、（次数Ｑ−１の）新しいサイクルがＰ１において開始し、より高い波長λｃにあるＰ２において再び終了する。各サイクルでは像強度がかなり変動する。通常、像は、焦点Ｆ´において最大強度を有し、中心ゾーンＰ１Ｐ２のエッジにおいて強度は少なくとも２分の１小さい。この変動は、出力ラジアルアレイ１０４の効率変動に主に因るものであり、出力ラジアルアレイ１０４の効率Ｅｏｕｔは、主像に伝達されるグレーティング出力電力の分数として定義される。通常、従来のアレイでは、効率Ｅｏｕｔは、焦点Ｆ´の付近においてのみ１に近く、その結果、出力導波路は焦点の付近において、中心ゾーン幅Ｐ１Ｐ２より実質的に小さい領域内に含まれる。この領域の外側では、損失は、出力ラジアルアレイの端部の不連続部の第１の高調波に因るものであることが分かる。ここでは、この不所望の高調波は、米国特許第６，８７３，７６６Ｂ２号に既に示されているように、図９に示すように、出力ラジアルアレイに専用の移行部を含めることによって、実質的に減少されなければならない。これらの移行部を含めることによって、アレイの端部９４７における出力周期９４６は、入力周期９４５に比べて２分の１に減少される。その結果、上記の第２の高調波は、接合不連続部９４７において除去される。これらの移行部９１４は、図９に示すように各サイクル（９１６及び９１７）の８０％超に亘って、略１にマッチした（nearly unity matching）効率（９２３及び９２４）によって特徴付けられる。
【００５９】
図９の下部は、一実施形態による、グレーティングの出力ラジアルアレイ９０４と、出力カプラ９０２と、グレーティングの中心ゾーンＰ１Ｐ２内に位置付けられた出力導波路からなるアレイを示す。前述したように、グレーティングの出力効率は、中心ゾーン間隔９３１の幅Ωより（図９に示すようにγ倍）小さい間隔９３２内では１に近い。出力導波路はこの間隔９３２内に配置され、γの値は次の通りに最大にされる。
【００６０】
図９では、ラジアルアレイ９０４の各要素は、２つの同一の導波路から構成される移行部９１４を含む。その結果、カプラ９０２とのアレイ接合点９４７において、端部周期９４６は、移行部の入力における周期９４５より２分の１小さい。これによりラジアルアレイの接合不連続部９４７の第２の高調波が除去され、その結果、移行部９１４は、通常、λ＞０．８によって特徴付けられることが分かる。つまり、略１にマッチした（nearly unity matching）効率が８０％超の中心ゾーン９３１に亘って実現される。その一方で、移行部９１４なしでは、通常、λ＜０．５であることが分かる。
【００６１】
図９の上部は、主像Ｉの２つの連続サイクルにおける出力効率の変動を示す。上述したように、第１のサイクル９１６はλａにおいて開始し、このサイクルはλｂにおいて終了する。λｂは次のサイクル９１７の始まりである。図９に示すように、各サイクルの幅Ｃは、
【数１８】
2011513779.tif 000020
によって与えられる。
【００６２】
図９にはさらに、移行部９１４によって生成される出力効率Ｅｏｕｔを示す。各サイクルにおいて、効率変動は、中心ゾーンにおける対応変動を再現したもの（replica）である。したがって、効率Ｅｏｕｔは、間隔９３２において略１に近いので、同じ結果が、対応する間隔９２３及び９２４においても得られる。したがって、ルータは、略１に近い効率Ｅｏｕｔによって特徴付けられる２つの伝送帯域９２３及び９２４によって特徴付けられ、各伝送帯域は幅（９１８及び９１９）：
【数１９】
2011513779.tif 000021
を有する。なお、２つの帯域９２３及び９２４は、サイクル幅Ｃによって互いから離され、したがって、
【数２０】
2011513779.tif 000022
である。
【００６３】
さらに、前述したように、２つの伝送帯域は、低効率の間隔９２５によって離される。ルータのスペクトル効率Ｅを最大にするために、ファイバ帯域幅Ｂは上記の３つの間隔と一致し、したがって、
【数２１】
2011513779.tif 000023
である。
【００６４】
さらに、出力導波路が、最大効率の中心ゾーン間隔９３２を完全にカバーする（図９の下部参照）ように、
【数２２】
2011513779.tif 000024
を選択する。上記の条件下ではλ４−λ１＝Ｃ＋γＣが得られ、また、すべての上記の関係から
【数２３】
2011513779.tif 000025
が得られる。ここで、分子は２つの伝送帯域から決定され（１１）、分母はファイバ帯域幅から決定される（１２）。上記の式では、スペクトル効率Ｅはパラメータγによって簡単に決定され、図８では、Ｅは、γを最大にすることによって最大にされる。移行部９１４のない従来設計を用いることによって、通常γ＜０．５であり、その場合、効率Ｅは６７％未満であることが分かる。代わりに移行部９１４を用いると、効率Ｅは、γ＜０．８に対して８９％以上となる。次に示すように、図８では、野外での使用にアクセスルータが適するように、結果としてチャネル間隔が増加される。
【００６５】
図８におけるパラメータは、各ルータの１−ｄＢ通過帯域幅Ｗである。大きいＷは、温度制御することなくアクセスルータを野外で用いることを可能にするので、また、この場合、大きいＷはレーザ波長に対する許容範囲を減少することにより送信器が単純化されるので、有用である。Ｗの値はチャネル間隔ΔＢによって決定され、また、この値はルータ設計に依存して変動する。ガウシアン設計では、ＷはΔＢ／４に略等しいが、この値は（１９９５年５月２１日に発行された米国特許第５，４１２，７４４号に示されるような最大に平坦な応答を生成するために）約２．５ｄＢの損失ペナルティを有する設計を変更することによって２倍にすることができる。前者の場合、γ＝０．８及びＢ＝３６０ｎｍに対して
【数２４】
2011513779.tif 000026
が得られる。
【００６６】
この式から、Ｎ＝１６の場合、
【数２５】
2011513779.tif 000027
が得られ、これはルータを温度制御なしで使用可能にするのに十分に大きい。実際に、
【数２６】
2011513779.tif 000028
は、０．０１２ｎｍ／℃のルータ温度感度によって、−４０℃〜＋７５℃の温度範囲に亘って、引き起こされる波長変動の略２倍である。その一方で、Ｎ＝３２に対して同じ結果を得るためには、最大に平坦な応答が２．５ｄＢの損失ペナルティと共に用いられる。なお、上記の大きい幅Ｗは、図８では、図９の移行部９１４を用いて得られることに留意されたい。
【００６７】
図８の実施形態では、上流信号及び下流信号を分離及び合成するために２Ｎ×１ルータが中央局において用いられ、また、１つのルータサイクルがここでは用いられることに留意されたい。図８のアクセスノードにおけるルータの実施形態は、薄くかつ長く、また、約１５個のデバイスを例えば６インチウェーハ上に収めることができる。（中央局における）別のルータはより大型で、したがって、例えばデバイス数は約１０である。前述したように、どちらの場合も、損失はガウシアン設計では約３ｄＢである。
【００６８】
他の実施形態
一実施形態では、θＡ、ΔθＡ、ΔＬＡ、ｒＡが、セクションＡの主アームのパラメータを示すとする。次に、経路長差ΔＬＡと回転角θＡとの間に以下の関係：
【数２７】
2011513779.tif 000029
を導出することができる。
【００６９】
さらに、
【数２８】
2011513779.tif 000030
も見出せる。
【００７０】
１８０°の回転によって式（ａ）における経路長差が−ΔＬＢとなること以外は同様の関係がセクションＢにおいても得られる。したがって、例えば２つのアレイＡ、Ｂは上記の式において同じ値のΔθ、ｒによって特徴付けられるとする。次に、ΔＬＡ、θＡ及びΔＬＢ、θＢによって、２つの場合におけるΔＬ、θの値を示すことによって、完全な配置に対する光路長差ΔＬは、
【数２９】
2011513779.tif 000031
によって与えられる。ここでは、ｒ＝ｒＡ＝ｒＢ及びΔθ＝ΔθＡ＝ΔθＢである。したがって、ΔＬの任意の指定値は、２つの角度θＡとθＢとの間に好適な差を導入することによって実現することができる。なお、後述するように、一部の場合では、セクションＡ及びＢにおいてｒ、Δθに少し異なる値を選択することが有利でありうる。その場合、上記の式（ｃ）は適宜変更される。この設計において（θＡ＋θＢ）／２の値は、グレーティングの均一性を最適化するように適切に選択される。この値は、各セクションにおいて、導波路間隔ｒΔθの変動によって決定される。
【００７１】
次に、１０００ＧＨｚのチャネル間隔によって特徴付けられ、例えばローカルアクセス応用に適している１×１８ルータ（例えば、６ｃｍの長さ×１ｃｍの幅のサイズ）のレイアウトの一例を説明する。この場合、グレーティングは、
【数３０】
2011513779.tif 000032
によって特徴付けられ、また、このグレーティングは、０．０６％の屈折率コントラストを仮定し、また、
【数３１】
2011513779.tif 000033
を選択することによって最適化される。
【００７２】
好適な移行部が曲げ部分に含められ、したがって上記の値ΔＬ＝９．６μｍは、移行部なしで式（ｃ）から得られる値とは少し異なる。グレーティングは、最初に、θＡ＝θＢで２つの同一のセクションを仮定することによって最適化することができる。その後、前に最適化された値（θＡ＋θＢ）／２を変更することなく特定のΔＬを生成する適切なθＡ−θＢが選択される。間隔Δｙ及びｒΔθの値は次の通りに選択することができる。前述したように、Δｙの値は、隣接する導波路間の無視できるカップリングを確実にするために十分に大きい。上記の例における妥当な選択は、Δｙ＝４５μｍであった。曲げ部分の始点Ｐにおける導波路間隔であるパラメータｒＡθは、曲げ部分の終点における間隔Δｙより幾分小さい。したがって、上記の例では、ｒΔθは４０μｍと等しいように選択された。上記の配置では、ルータ効率は、上述したようにグレーティングに専用の移行部を含めることによって最適化される。これらの移行部はさらにルータのサイズも減少する。具体的には、アーム数は約６０％減少される。全損失は、市販される（高次数）ルータにおいて見られるように約３ｄＢであると期待される。
【００７３】
上記の例では、同じ値のΔθが両セクションＡ及びＢに対して選択され、また、条件
【数３２】
2011513779.tif 000034
が中心アームに対して両方の場合に指定された。しかし、一般に２つのセクションは異なるΔθによって特徴付けられてもよく、また、様々なアームが
【数３３】
2011513779.tif 000035
によって特徴付けられてもよい。
【００７４】
本実施例でのルータは、薄くかつ長く、また、約１５個のデバイスを例えば６インチウェーハ上に収めることができる。その一方で、図１の配置を用いると、デバイスの数は１０個ほどに少なくなり、高い損失及びクロストークが生成される。
【００７５】
追加の設計検討事項として、例えば、奇数の導波路を仮定し、中心アームを最小曲率によって特徴付けるとする。以下の検討はセクションＡ及びＢの両方に適用されるので、ここではセクションＡのみを検討する。
【数３４】
2011513779.tif 000036
が、θ、ｒ、Ｒ、Δｒ、ΔＲのｉ番目の値を示し、
【数３５】
2011513779.tif 000037
とする。
【００７６】
ｉ番目のアームの端部における間隔はｒｉΔθに等しく、また、各湾曲セクションにおける間隔は初期値ｒｉΔθから最終値Δｙまで徐々に増加することが望ましい。したがって、すべてのアームが、次の条件：
【数３６】
2011513779.tif 000038
を満たすことが望ましい。
【００７７】
さらに、一実施形態のグレーティングは、各湾曲セクションの始点において、その隣接セクションとの基本的にゼロの相互カップリングによって特徴付けられる。したがって、十分に大きい間隔ｒｉΔθが選択される。例えば、１つの例では、
【数３７】
2011513779.tif 000039
が指定された。通常、間隔ｒｉΔθは下部アームでは最小であり上部アームの付近では最大であることが見出される。したがって、２つの条件：
【数３８】
2011513779.tif 000040
が得られる。これらの条件は、中心アームに対してΔｙ及び差Δｙ−ｒΔθを適切に選択することによって満たすことができる。上記の例では、Δｙ＝４５μｍ及びｒΔθ＝４０μｍと選択することによって、上記の２つの条件は、
【数３９】
2011513779.tif 000041
で満たされ、また、同様の値がセクションＢについても得られる。
【００７８】
一実施形態のグレーティングは以下の手順によって設計される。検討下のルータの実施形態は、必ずしも単一倍率によって特徴付けられないイメージング配置である。したがって、Δθの入力値は、倍率によって割られる出力値に等しいので、この配置は必ずしもΔθの同じ入力値及び出力値によって特徴付けられない。Δθの出力値が、出力導波路の距離間隔（したがって幅）を簡単に決定し、また、同様に入力Δθが、入力導波路幅を決定する。Δθの値が選択されると、設計は次のように進められる。セクションＡでは、主アームと呼ぶ特定のアームにおいてＲ＝Ｒｍｉｎを選択する。同様に、セクションＢにおいて、セクションＡにおけるのとは必ずしも同じでなくてよい主アームを選択する。しかし、最初は、主アームは両セクションにおいて同じであると仮定することが好都合であり、また、主アームは単純に中心アーム又は中心に近い１つのアームである。上述したように、式（ｃ）によって近似的に与えられる単純な関係が、各セクションにおいて、主アームのパラメータｒ、θ、Δθ、Δｙと、そのセクションによるΔＬへの寄与との間に存在する。したがって、ΔＬ＝ΔＬＡ−ΔＬＢの指定値を生成する適切な角度差（θＡ−θＡ）／２を簡単に決定することができる。さらに、グレーティング全体（ｒｉ、Ｒｉの値）を簡単に決定することができる。前述したように、間隔ｒｉΔθは、一実施形態では、最大値及び最小値が条件（ｆ）を満たして良好な挙動で変動しうる。したがって、最適なパラメータが、通常、連続的な反復によって最良に決定される。
【００７９】
なお、一実施形態では、接合線において２つのセクションＡ及びＢが適合するために、セクションは接合点において一定の距離間隔Δｙを有する。
【００８０】
ここまで、一実施形態では、隣接するアーム間に一定の長さ差を指定していた。より一般的には、この条件は、前の設計を実質的に変更することなく少し変更してもよい。例えば、一定の長さ差を生成する代わりに、一実施形態では、ΔＬに小さい変動があってもよく、それにより例えば各通過帯域の平坦性を向上させる。
【００８１】
本明細書にて参照した及び／又は出願データシートに記載したすべての米国特許、米国特許出願公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、及び非特許文献はその全体を本願に参考として組み込む。
【００８２】
例示的な実施形態の上記の記載は、要約に記載されることも含めて、限定的であることを意図せず、また、開示した形態そのものに限定されることを意図しない。具体的な実施形態及び実施例を例示的に記載したが、様々な等価の変形も可能でありかつそれら作成することができる。
【００８３】
これらの及び他の変形を、上記の詳細な説明に基づいて作成することができる。特許請求の範囲に使用する用語は、請求項を本明細書に開示する具体的な実施形態に限定すると解釈すべきではない。むしろ、請求項の範囲は確立された請求項の解釈論に従って決定されるべきである。
【図６】
2011513779.tif 000044
【図７】
2011513779.tif 000045
【図１】
2011513779.tif 000046
【図２】
2011513779.tif 000047
【図３】
2011513779.tif 000048
【図４】
2011513779.tif 000049
【図５】
2011513779.tif 000050
【図８】
2011513779.tif 000051
【図９】
2011513779.tif 000052
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月13日(2010.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を受信するための入力カプラ手段と、
前記受信した入力信号の成分を複数のアームの各々において伝播させるためのグレーティング手段であって、ラジアル導波路からなる入力アレイと、導波路からなる第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、導波路からなる第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含むグレーティング手段と、
前記アーム内を伝播された前記成分を出力信号に合成するための出力カプラ手段と、
を含み、
前記第１及び第２の湾曲アレイは反対に湾曲し、
前記第１の湾曲アレイの各導波路は、当該導波路の回転角θの関数として変動する曲率半径Ｒにより特徴付けられ、Ｒの変動は、前記第１の湾曲アレイのパラメータを選択することによって最小化されて、前記第１の湾曲アレイの開口中における特定の主回転角θ＝θ０のとき前記Ｒの変動の導関数は実質的にゼロであり、前記回転角θ０に対応した主導波路の半径が前記第１の湾曲アレイにおける最小曲率半径であり、
前記第２の湾曲アレイの各導波路は、当該導波路の回転角θ´の関数として変動する曲率半径Ｒ´により特徴付けられ、Ｒ´の変動は、前記第２の湾曲アレイのパラメータを選択することによって最小化されて、前記第２の湾曲アレイの開口中における特定の主回転角θ´＝θ´０のとき前記Ｒの変動の導関数は実質的にゼロであり、前記回転角θ´０に対応した主導波路の半径が前記第２の湾曲アレイにおける最小曲率半径である、装置。
【請求項２】
前記主回転角θ０及びθ´０は、非ゼロ回折次数を生成するように選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記グレーティング手段の前記アームの各々が、異なる実効屈折率を有するセクションを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記グレーティング手段の連続アームが、各アームから隣のアームまで実質的に一定の値を有する経路長差ΔＬを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記中心アレイの前記導波路は、実質的に一定の導波路間隔を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記入力及び出力アレイ内の前記ラジアル導波路は、導波路間に一定のラジアル距離間隔を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の半径は、前記グレーティング手段の開口のエッジにおいて生成される半径より実質的に小さい、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
ルータを構成する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ラジアル導波路の前記入力アレイの角度周期が前記ラジアル導波路の角度周期より大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ラジアル導波路の前記出力アレイは、前記出力カプラ手段との接合点において、前記第２の湾曲アレイとの接合点における角度周期の半分に実質的に等しい角度周期を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２の主導波路の前記最小曲率半径は、前記グレーティング手段の開口のエッジにおいて生成される半径より実質的に小さく、
前記第１及び第２の主導波路の前記主回転角θ０及びθ´０は、各々、条件θ０＞θ´０を満たし、
経路長差ΔＬは、式：
ｔａｎ（θ０／２）・（ｓｍａｘ＋ｓｍｉｎ）−ｔａｎ（θ´０／２）・２ｓｍａｘ
の値より大きく、また、ΔＬは、
ｔａｎ（θ０／２）・２ｓｍａｘ−ｔａｎ（θ´０／２）・（ｓｍａｘ＋ｓｍｉｎ）
の値より小さく、ただし、ｓｍａｘ及びｓｍｉｎは、各々、前記第１及び第２の湾曲アレイ及び前記中心アレイを含む中心グレーティング領域における最大及び最小導波路距離間隔である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
１つの入力導波路とＮ個の出力導波路をさらに含み、前記Ｎ個の出力導波路の前記装置の出力サークル上の位置は、前記装置の２つの連続サイクルが、前記入力導波路と前記出力導波路との間に、前記２つのサイクルによって各々生成される２つの別個の波長間隔λ１＜λ＜λ２及びλ３＜λ＜λ４において実質的に最大の伝送を与え、かつ、
スペクトル効率
【数４０】
2011513779.tif 000053
が０．７より大きく、
λ１、λ２、λ３、及びλ４が、前記波長間隔の領域を画定する波長を示し、
当該装置が複数のファイバに結合されている、請求項１または１０に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１または１０に記載の装置を含む第１のルータと、
１つの入力導波路とＮ個の出力導波路をさらに含み、前記Ｎ個の出力導波路の当該第２のルータの出力サークル上の位置は、前記第２のルータの２つの連続サイクルが、前記入力導波路と前記出力導波路との間に、前記２つのサイクルによって各々生成される２つの別個の波長間隔λ１＜λ＜λ２及びλ３＜λ＜λ４において実質的に最大の伝送を与え、かつ、
スペクトル効率
【数４１】
2011513779.tif 000054
が０．７より大きく、前記第１及び第２のルータ間にファイバが結合される第２のルータと、を含み、
λ１、λ２、λ３、及びλ４が、前記波長間隔の領域を画定する波長を示し、
前記第１のルータは、２Ｎ個の入力ポートと１つの出力ポートを含み、
２Ｎ個の波長チャネルが、第１のルータの１つのサイクル内で伝送される、光配置。
【請求項１４】
当該装置は、ローカルアクセスノードにおいて、当該装置に結合されている各々のファイバの中で、前記装置の２つの連続サイクルによって各々生成される２つの別個の波長間隔λ１＜λ＜λ２及びλ３＜λ＜λ４内の下流方向及び上流方向の信号の効率のよい伝送を提供する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
入力カプラにて入力光学信号を受信し、
ラジアル導波路からなる入力アレイと、導波路からなる第１の湾曲アレイと、基本的に直線の導波路からなる中心アレイと、導波路からなる第２の湾曲アレイと、ラジアル導波路からなる出力アレイとを含むグレーティングの複数のアームの各々において、前記受信した入力信号の成分を伝播させ、
前記第１及び第２の湾曲アレイを反対に湾曲させ、
前記第１の湾曲アレイの各導波路を、当該導波路の回転角θの関数として変動する曲率半径Ｒにより特徴付け、Ｒの変動を、前記第１の湾曲アレイのパラメータを選択することによって最小化し、前記第１の湾曲アレイの開口中における特定の主回転角θ＝θ０のとき前記Ｒの変動の導関数を実質的にゼロとし、前記回転角θ０に対応した主導波路の半径を前記第１の湾曲アレイにおける最小曲率半径とし、
前記第２の湾曲アレイの各導波路を、当該導波路の回転角θ´の関数として変動する曲率半径Ｒ´により特徴付け、Ｒ´の変動を、前記第２の湾曲アレイのパラメータを選択することによって最小化し、前記第２の湾曲アレイの開口中における特定の主回転角θ´＝θ´０のとき前記Ｒの変動の導関数を実質的にゼロとし、前記回転角θ´０に対応した主導波路の半径を前記第２の湾曲アレイにおける最小曲率半径とし、
前記アーム内を伝播された前記成分を出力カプラにおいて出力信号に合成する、方法。
【国際調査報告】
2011513779.tif 000055
2011513779.tif 000056