(57)【要約】【課題】  光分岐回路における分岐にともなう損失を低減する。【解決手段】  仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、３つ以上のポートのうち１のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、２次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、空間的な屈折率分布を、他のポートから出射される各々の光信号が互いに直交するように、ポートにおける光信号の位相を設定する。【選択図】  図９
2005202241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、３つ以上のポートのうち１のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、２次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、
前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定されていることを特徴とする光分岐回路。
【請求項２】
仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、３つ以上のポートのうち１のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、２次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、
前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定できない場合に、前記他のポートにおける各々の光信号のフィールドの重なり積分が最小となるように位相が設定されていることを特徴とする光分岐回路。
【請求項３】
前記１のポートから前記他のポートへの分岐比率は、それぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の光分岐回路。
【請求項４】
前記ポートの各々に、増幅素子が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光分岐回路。
【請求項５】
前記増幅素子の増幅率は、前記１のポートにおける光強度と前記他のポートにおける光強度とが、一定となるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の光分岐回路。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の光分岐回路と、
該光分岐回路の前記１のポートに接続され、前記他のポートの各々と相互に光信号の送受信を行う光送受信素子と
を備えたことを特徴とする光送受信回路。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載の光分岐回路と、
該光分岐回路の各々のポートに接続されたネットワーク構成要素とを備え、
前記ネットワーク構成要素が相互に光信号の送受信を行えるように構成されことを特徴とする光ネットワーク。
【請求項８】
請求項１ないし５のいずれかに記載の光分岐回路を接続した複数のネットワーク構成要素を、前記光分岐回路の１のポートの各々を接続して、縦続接続することにより構成されたことを特徴とする光ネットワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分岐回路、光送受信回路および光ネットワークに関し、より詳細には、２次元的な屈折率分布に応じた多重散乱によりホログラフィックに波動を伝達させるホログラフィック波動伝達媒体を用いた光分岐回路、光送受信回路および光ネットワークに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信分野においては、光の分岐、干渉を容易に実現できる光回路として、光導波路構造を利用した集積光部品が開発されてきた。光の波動としての性質を利用した集積光部品は、光導波路長の調整により光干渉計の作製を容易にしたり、半導体分野における回路加工技術を適用することにより、光部品の集積化が容易になる。
【０００３】
光回路として、図１（ａ）に示したＹ分岐回路、図１（ｂ）に示した方向性結合器などが知られている。Ｙ分岐回路と方向性結合器とを組み合せることにより、図２（ａ）に示した１ｘＮ分岐回路、図２（ｂ）に示したＮｘＭ方向性結合器を構成することができる。図３は、ＭＭＩ（Multi Mode Interference）方向性結合器であり、ＮｘＭの接続を１つの回路で構成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の光回路を組み合わせてＮｘＮメッシュ型の光分岐回路、すなわちＮ個の全てのポートが互いに接続される回路を構成する場合には、接続時の損失が大きいという問題があった。この問題について具体的に説明する。
【０００５】
図４に、３個のＹ分岐回路を組み合わせた３ｘ３メッシュ型光分岐回路を示す。１つのＹ分岐回路に入力された光信号は、入力側のＹ分岐回路における分岐と、出力側のＹ分岐回路における結合により、入力側と出力側の双方の結合部分において損失が発生する。分岐比は１／（Ｎ−１）（１／対向するポート数）であり、対向するポートに出力される光信号は、１／（Ｎ−１）２と小さくなってしまう。
【０００６】
図５に、４個のＭＭＩ方向性結合器を組み合わせた４ｘ４メッシュ型光分岐回路を示す。１つのＭＭＩ方向性結合器に入力された光信号は、図４に示したＹ分岐回路と同様に、入力側と出力側の双方の結合部分において損失が発生し、１／（Ｎ−１）２と小さくなってしまう。３ｘ３および４ｘ４メッシュ型光分岐回路の分岐比は、それぞれ、（１／２）２＝１／４、（１／３）２＝１／９となり、大きな損失を生じる。さらに、４ｘ４以上の光分岐回路では、図５に示したように、導波路の交差が生じるので、さらに損失が大きくなるという問題もあった。
【０００７】
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、分岐にともなう損失を低減した光分岐回路を提供するとともに、この光分岐回路を用いて端末相互接続を容易にした光送受信回路および光ネットワークを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、３つ以上のポートのうち１のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、２次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、仮想的なメッシュにより画定される仮想的なピクセルの各々が有する屈折率により、３つ以上のポートのうち１のポートから入射された光信号が多重散乱しながら分岐し、他のポートから出射されるように決定された空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を、２次元的に配置して構成された導波回路からなる光分岐回路であって、前記空間的な屈折率分布は、前記他のポートから出射される各々の光信号がベクトル的に互いに直交するように、前記ポートにおける前記光信号の位相が設定できない場合に、前記他のポートにおける各々の光信号のフィールドの重なり積分が最小となるように位相が設定されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光分岐回路において、前記１のポートから前記他のポートへの分岐比率は、それぞれ異なることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記ポートの各々に、増幅素子が接続されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の前記増幅素子の増幅率は、前記１のポートにおける光強度と前記他のポートにおける光強度とが、一定となるように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の光分岐回路と、該光分岐回路の前記１のポートに接続され、前記他のポートの各々と相互に光信号の送受信を行う光送受信素子とを備えた光送受信回路であることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の光分岐回路と、該光分岐回路の各々のポートに接続されたネットワーク構成要素とを備え、前記ネットワーク構成要素が相互に光信号の送受信を行えるように構成された光ネットワークであることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の光分岐回路を接続した複数のネットワーク構成要素を、前記光分岐回路の１のポートの各々を接続して、縦続接続することにより構成された光ネットワークであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、他のポートから出射される各々の光信号が互いに直交するように、ポートにおける光信号の位相が設定された、空間的な屈折率分布が形成された波動伝達媒体を備えたので、分岐にともなう損失を低減することが可能となる。
【００１７】
また、本発明によれば、他のポートから出射される各々の光信号が互いに直交するように、ポートにおける光信号の位相が設定できない場合であっても、他のポートにおける各々の光信号の重なりが最小となるように位相を設定するので、分岐にともなう損失を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。上述したように、従来の光回路では、光信号を単純に合分波するだけであり、ＮｘＮメッシュ型の光回路を構成すると、出力される光信号は、１／（Ｎ−１）２に減衰してしまうという問題があった。このような問題が生じる原因は、光の位相を考慮した回路設計がなされていない点にある。そこで、本願発明においては、波動伝達媒体を用いて、位相を考慮した合分波機能を実現し、低損失な光分岐回路を構成する。最初に、本願発明に用いる波動伝達媒体の基本的概念について説明する。
【００１９】
本願発明では、光回路へ適用することから、波動伝達媒体中を伝搬する「波動」は「光」である。なお、波動伝達媒体にかかる理論は、一般の波動方程式に基づいて、媒質の特性を指定するものであり、一般の波動においても原理的に成り立ち得るものである。波動伝達媒体は、コヒーレントな光のパターンを入力して所望の光のパターンを出力させるために、波動伝達媒体中を伝搬する順伝搬光と逆伝搬光の位相差が、波動伝達媒体中の何れの場所においても小さくなるように屈折率分布が決定される。屈折率分布に応じた局所的なレベルのホログラフィック制御を多重に繰り返すことにより、所望の光のパターンが出力される。
【００２０】
図６を参照して、本発明にかかる波動伝達媒体基本構造を説明する。図６（ａ）に示したように、光回路基板１の中に、波動伝達媒体により構成される光回路の設計領域１−１が存在する。光回路の一方の端面は、入力光３−１が入射する入射面２−１である。入力光３−１は、波動伝達媒体で構成された空間的な屈折率分布を有する光回路中を多重散乱しながら伝搬し、他方の端面である出射面２−２から出力光３−２として出力される。図６（ａ）中の座標ｚは、光の伝搬方向の座標（ｚ＝０が入射面、ｚ＝ｚｅが出射面）であり、座標ｘは、光の伝搬方向に対する横方向の座標である。なお、本実施形態では、波動伝達媒体は、誘電体からなるものと仮定し、空間的な屈折率分布は、波動伝達媒体を構成している誘電体の局所的な屈折率を後述する理論に基づいて設定することにより実現される。
【００２１】
入力光３−１が形成している「場」（入力フィールド）は、光回路を構成する波動伝達媒体の屈折率の空間的分布に応じて変調され、出力光３−２の形成する「場」（出力フィールド）に変換される。換言すれば、本発明の波動伝達媒体は、その空間的な屈折率分布に応じて入力フィールドと出力フィールドとを相関づけるための（電磁）フィールド変換手段である。なお、これら入力フィールドおよび出力フィールドに対して、光回路中での伝搬方向（図中ｚ軸方向）に垂直な断面（図中ｘ軸に沿う断面）における光のフィールドを、その場所（ｘ，ｚ）における（順）伝搬像（伝搬フィールドあるいは伝搬光）と呼ぶ（図６（ｂ）参照）。
【００２２】
ここで、「フィールド」とは、一般に電磁場（電磁界）または電磁場のベクトルポテンシャル場を意味している。本実施形態における電磁場の制御は、光回路中に設けられた空間的な屈折率分布、すなわち誘電率の分布を変えることに相当する。誘電率はテンソルとして与えられるが、通常は偏光状態間の遷移はそれほど大きくないので、電磁場の１成分のみを対象としてスカラー波近似しても良い近似となる。そこで、本明細書では電磁場を複素スカラー波として扱う。なお、光の「状態」には、エネルギ状態（波長）と偏光状態とがあるため、「フィールド」を光の状態を表現するものとして用いる場合には、光の波長と偏光状態をも包含し得ることとなる。
【００２３】
また、通常、伝搬光の増幅や減衰を生じさせない光回路では、屈折率の空間的分布を決めると、焦点以外の入力光３−１の像（入力フィールド）は、出力光３−２の像（出力フィールド）に対して一意的に定まる。このような、出射面２−２側から入射面２−１側へと向かう光のフィールドを、逆伝搬像（逆伝搬フィールドあるいは逆伝搬光）と呼ぶ（図６（ｃ）参照）。このような逆伝搬像は、光回路中の場所ごとに定義することができる。すなわち、光回路中での任意の場所における光のフィールドを考えたとき、その場所を仮想的な「入力光」の出射点として考えれば、上記と同様に出力光３−２の像に対して、その場所での逆伝搬像を考えることができる。このように、光回路中の各場所ごとに逆伝搬像が定義できる。
【００２４】
特に、単一の光回路において、出射フィールドが入射フィールドの伝搬フィールドとなっている場合には、光回路の任意の点で、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとは一致する。なお、フィールドは、一般的に、対象とする空間全体の上の関数であるが、「入射フィールド」または「出射フィールド」という場合は、入射面あるいは出射面におけるフィールドの断面を意味している。また、「フィールド分布」という場合でも、ある特定の断面に関して議論を行う場合には、その断面についてのフィールドの断面を意味している。
【００２５】
屈折率分布の決定方法を説明するためには記号を用いるほうが見通しがよいので、各量を表すために以下のような記号を用いることとする。なお、本発明で対象とされる光（フィールド）は、単一状態の光には限定されないので、複数の状態の光が重畳された光を対象とされ得るべく、個々の状態の光にインデックスｊを充てて一般的に表記する。  
・ψj(x)：ｊ番目の入射フィールド（複素ベクトル値関数であり、入射面において設定する強度分布および位相の分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）  
・φj(x)：ｊ番目の出射フィールド（複素ベクトル値関数であり、出射面において設定する強度分布および位相分布、ならびに、波長および偏波により規定される。）  
なお、ψj(x)およびφj(x)は、回路中で強度増幅、波長変換、偏波変換が行われない限り、光強度の総和は同じ（あるいは無視できる程度の損失）であり、それらの波長も偏波も同じである。
【００２６】
・｛ψj(x)、φj(x)｝：入出力ペア（入出力のフィールドの組み。）  
｛ψj(x)、φj(x)｝は、入射面および出射面における、強度分布および位相分布ならびに波長および偏波により規定される。
【００２７】
・{nｑ}：屈折率分布（光回路設計領域全体の値の組。）  
与えられた入射フィールドおよび出射フィールドに対して屈折率分布をひとつ与えたときに光のフィールドが決まるので、ｑ番目の繰り返し演算で与えられる屈折率分布全体に対するフィールドを考える必要がある。そこで、(x,z)を不定変数として、屈折率分布全体をnｑ(x,z)と表しても良いが、場所(x,z)における屈折率の値nｑ(x,z)と区別するために、屈折率分布全体に対しては{nｑ}と表す。  
【００２８】
・ｎcore：光導波路におけるコア部分のような、周囲の屈折率に対して高い屈折率の値を示す記号。  
・ｎclad：光導波路におけるクラッド部分のような、ｎcoreに対して低い屈折率の値を示す記号。  
・ψj(z,x,{nｑ})：ｊ番目の入射フィールドψj(x)を屈折率分布{nｑ}中をｚまで伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。  
・φj(z,x,{nｑ})：ｊ番目の出射フィールドφj(x)を屈折率分布{nｑ}中をｚまで逆伝搬させたときの、場所(x,z)におけるフィールドの値。
【００２９】
本実施形態において、屈折率分布は、すべてのｊについてψj(ze,x,{nｑ})＝φj(x)、またはそれに近い状態となるように{nｑ}が与えられる。
【００３０】
「入力ポート」および「出力ポート」とは、入射端面および出射端面におけるフィールドの集中した「領域」であり、例えば、その部分に光ファイバを接続することにより、光強度をファイバに伝搬できるような領域である。ここで、フィールドの強度分布および位相分布は、ｊ番目のものとｋ番目のものとで異なるように設計可能であるので、入射端面および出射端面に複数のポートを設けることができる。さらに、入射フィールドと出射フィールドの組を考えた場合、その間の伝搬により発生する位相が、光の周波数によって異なるので、周波数が異なる光（すなわち波長の異なる光）については、位相を含めたフィールド形状が同じであるか直交しているかの如何にかかわらず、異なるポートとして設定することができる。
【００３１】
ここで、電磁界は、実数ベクトル値の場で、かつ波長と偏光状態をパラメータとして有するが、その成分の値を一般な数学的取扱いが容易な複素数で表示し、電磁波の解を表記する。また、以下の計算においては、フィールド全体の強度は１に規格化されているものとする。図６（ｂ）および図６（ｃ）に示したように、ｊ番目の入射フィールドψj(x)および出力フィールドφj(x)に対し、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとをそれぞれの場所の複素ベクトル値関数として、ψj(z,x,{n})およびφj(z,x,{n})と表記する。これらの関数の値は、屈折率分布{ｎ}により変化するため、屈折率分布{ｎ}がパラメータとなる。記号の定義により、ψj(x)＝ψj(0,x,{n})、および、φj(x)＝φj(ze,x,{n})となる。これらの関数の値は、入射フィールドψj(x)、出射フィールドφj(x)、および屈折率分布{ｎ}が与えられれば、ビーム伝搬法などの公知の手法により容易に計算することができる。
【００３２】
以下に、空間的な屈折率分布を決定するための一般的なアルゴリズムを説明する。図７に、波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示す。この計算は、繰り返し実行されるので、繰り返し回数をｑで表し、（ｑ−１）番目まで計算が実行されているときのｑ番目の計算の様子が図示されている。（ｑ−１）番目の計算によって得られた屈折率分布{ｎｑ-1}をもとに、各ｊ番目の入射フィールドψj(x)および出射フィールドφj(x)について、伝搬フィールドと逆伝搬フィールドとを数値計算により求め、その結果を各々、ψj(z,x,{nｑ-1})およびφj(z,x,{nｑ-1})と表記する（ステップＳ２２０）。
【００３３】
これらの結果をもとに、各場所（ｚ，ｘ）における屈折率ｎｑ（ｚ，ｘ）を、次式により求める（ステップＳ２４０）。  
nｑ(z,x)＝nｑ-1(z,x)−αΣjIm[φj(z,x,{nｑ-1})*・ψj(z,x,{nｑ-1})]・・・（１）
ここで、右辺第２項中の記号「・」は、内積演算を意味し、Im[]は、［］内のフィールド内積演算結果の虚数成分を意味する。なお、記号「＊」は複素共役である。係数αは、ｎｑ(z,x)の数分の１以下の値をさらにフィールドの組の数で割った値であり、正の小さな値である。Σjは、インデックスｊについて和をとるという意味である。
【００３４】
ステップＳ２２０とＳ２４０とを繰り返し、伝搬フィールドの出射面における値ψj(ze,x,{n})と出射フィールドφj(x)との差の絶対値が、所望の誤差ｄｊよりも小さくなると（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）計算が終了する。
【００３５】
以上の計算では、屈折率分布の初期値{ｎ０}は適当に設定すればよいが、この初期値{ｎ０}が予想される屈折率分布に近ければ、それだけ計算の収束は早くなる（ステップＳ２００）。また、各ｊについてφj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})を計算するにあたっては、パラレルに計算が可能な計算機の場合は、ｊごと（すなわち、φj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})ごと）に計算すればよいので、クラスタシステム等を利用して計算の効率化を図ることができる（ステップＳ２２０）。また、比較的少ないメモリで計算機が構成されている場合は、式（１）のインデックスｊについての和の部分で、各ｑで適当なｊを選び、その分のφj(z,x,{nｑ-1})およびψj(z,x,{nｑ-1})のみを計算して、以降の計算を繰り返すことも可能である（ステップＳ２２０）。
【００３６】
以上の演算において、φj(z,x,{nｑ-1})の値とψj(z,x,{nｑ-1})の値とが近い場合には、式（１）中のIm[φj(z,x,{nｑ-1})*・ψj(z,x,{nｑ-1})]は位相差に対応する値となり、この値を減少させることで所望の出力を得ることが可能である。
【００３７】
屈折率分布の決定は、波動伝達媒体に仮想的メッシュを定め、このメッシュによって画定される微小領域（ピクセル）の屈折率を、各ピクセルごとに決定することと言い換えることもできる。このような局所的な屈折率は、原理的には、その場所ごとに任意の（所望の）値とすることができる。最も単純な系は、低屈折率（ｎＬ）を有するピクセルと高屈折率（ｎＨ）を有するピクセルのみからなる系であり、これら２種のピクセルの空間的分布により全体的な屈折率分布が決定される。この場合、媒体中の低屈折率ピクセルが存在する場所を高屈折率ピクセルの空隙として観念したり、逆に、高屈折率ピクセルが存在する場所を低屈折率ピクセルの空隙として観念したりすることができる。すなわち、本発明の波動伝達媒体は、均一な屈折率を有する媒体中の所望の場所（ピクセル）を、これとは異なる屈折率のピクセルで置換したものと表現することができる。
【００３８】
上述した屈折率分布決定のための演算内容を要約すると次のようになる。波動をホログラフィックに伝達させ得る媒体（光の場合には誘電体）に、入力ポートと出力ポートとを設け、入力ポートから入射した伝搬光のフィールド分布１（順伝搬光）と、入力ポートから入射した光信号が出力ポートから出力される際に期待される出力フィールドを出力ポート側から逆伝搬させた位相共役光のフィールド分布２（逆伝搬光）と、を数値計算により求める。フィールド分布１およびフィールド分布２を、伝搬光と逆伝搬光の各点（x,z）における位相差をなくすように、媒体中での空間的な屈折率分布を求める。なお、このような屈折率分布を得るための方法として最急降下法を採用すれば、各点の屈折率を変数として最急降下法により得られる方向に屈折率を変化させることにより、屈折率を式（１）のように変化させることで、２つのフィールド間の差を減少させることができる。このような波動伝達媒体を、入力ポートから入射した光を所望の出力ポートに出射させる光部品に応用すれば、媒体内で生じる伝搬波同士の多重散乱による干渉現象により、実効的な光路長が長くなり、緩やかな屈折率変化（分布）でも充分に高い光信号制御性を有する光回路を構成することができる。
【００３９】
図８に、光合分波器に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す。上述したアルゴリズムにしたがって、約２００回の繰り返しにより、図８に示した屈折率分布を有する光回路が得られる。ここで、図中の光回路設計領域１−１内の黒色部分は、コアに相当する高屈折率部（誘電体多重散乱部）１−１１であり、黒色部以外の部分はクラッドに相当する低屈折率部１−１２である。クラッドの屈折率は、石英ガラスの屈折率を想定し、コアの屈折率は、石英ガラスに対する比屈折率が１．５％だけ高い値を有する。光回路のサイズは縦３００μｍ、横１４０μｍである。
【００４０】
屈折率分布を求める際の計算に用いられたメッシュは、１４０×３００（＝４２０００）である。従って、屈折率分布のパラメータ数は４２０００となるから、これらのパラメータを最適化する必要がある。最急降下法を単純に適用して、これらの各々のパラメータについて１つずつ数値微分を求めることによりパラメータを最適化する場合には、１ステップ分の計算を実行するのに４２０００の光の伝搬を計算する必要がある。これに対して、本実施形態では、２回の光の伝搬を計算するだけで足りるため、実用上妨げとならない短時間の計算で光回路の設計が可能となる。
【実施例１】
【００４１】
図９に、本発明の一実施形態にかかる４ｘ４メッシュ型光分岐回路を示す。光分岐回路の４つのポート間は、上述した波動伝達媒体によって接続され、相互一斉配信・一斉受信が可能である。光ポートは入出力として使われる。図１０は、図９に示した光分岐回路の各ポート間での信号の流れを、論理ネットワークとして模式化した図である。反射光による出力も併せて光信号の伝搬する方向ごとに分けると、１ポートが光信号の進行方向によって２つに分けられる。進行方向を上付き添え字の＋、−で表した示した論理ネットワークが図１１である。光回路は４つのポートを有し、各ポートは、他の３つのポートに向けて光を出射する一方、他の３つのポートから独立に出力される信号を受信する回路構成である。
【００４２】
光分岐回路の各ポートにおいて、ある１つのポートから受信した光信号が、他の２ポートから受信した光信号とは独立に受信できるように構成すれば、上述した分岐にともなう損失を減らすことができる。以下に示すように、各光信号の位相を考慮して、各ポートへの分配を行う。
【００４３】
最初に、各ポートの位相を、４つの数の組（すなわちベクトル）として表す。ここで、振幅は１としている。ただし、特定のポートへの光の分配がない場合は、その成分を０とする。例えば位相が、ポート１が０、ポート２がπ、ポート３がπであり、ポート４には光がないとすると、  
【００４４】
【数１】
2005202241.tif 000003
【００４５】
というベクトルを考える。このような表現方法を考えると、フィールドの重なり積分はちょうどベクトルの内積として計算できるから、これを用いて所望のベクトルの組を見出せばよい。
【００４６】
いま、１つのポートから他の２つのポートに均等に信号を分配すると仮定すると、分配する側のポートに対応する成分、すなわち互いのフィールドの重なり積分は０となり、他のポートについては絶対値が、  
【００４７】
【数２】
2005202241.tif 000004
【００４８】
となるフィールドを考えればよい。各光信号の位相を、このように調整することにより全てのベクトルが互いに直交し、他のフィールドからの光信号とは、独立に各ポートが光を受けることができる。このとき、
【００４９】
【数３】
2005202241.tif 000005
【００５０】
の組み合わせが該当する。これにより、入力側での分岐にかかる損失のみとなって、出力される光信号は１／３となり、従来の４ｘ４メッシュ型光分岐回路と比較して、３倍の強度で光信号を受信することができる。
【実施例２】
【００５１】
図１２に、本発明の一実施形態にかかる３ｘ３メッシュ型光分岐回路を示す。光分岐回路の３つのポート間は、上述した波動伝達媒体によって接続され、相互一斉配信・一斉受信が可能である。３つのポートの光回路は、直交状態が存在しないので、光信号のフィールドの重なり積分を最小にする。下記に示すように、できるだけ直交状態に近い状態を選ぶことにより、損失の少ない構成を実現することができる。ここでは、  
【００５２】
【数４】
2005202241.tif 000006
【００５３】
とする。ここで、自身のポートにも出力があるが、これは反射戻り光として取り扱うことができる。これにより、出力される光信号は４／９＝３．５ｄＢとなり、従来の３ｄＢカプラを２つ組み合わせる場合に比べて２．５ｄＢ低い損失である。
【実施例３】
【００５４】
図１３に、本発明の一実施形態にかかる３ポートタップ回路を示す。タップ回路は、光信号の一部を取り出して光強度をモニタしたり、光信号に付与されたあて先情報などをモニタするために、微弱な分岐（タップ）を必要とする場合に用いられる。光信号には方向性があるので、光ファイバを有効に活用するために、１本の光ファイバに双方向の光信号を伝送する。このとき双方向の光信号を同時タップしたい場合がある。しかし、従来の非対称分岐回路を用いて構成すると、タップされた双方向の光信号を同一のポートで処理するために、合波する必要がある。合波のために光カプラを挿入すると、３ｄＢの損失が発生するので、本発明にかかる波動伝達媒体を用いた光回路を適用して、３ｄＢの損失を発生させないように構成する。
【００５５】
実施例１における図１１と同様に、光信号の進行方向を添え字で示した論理ネットワーク図を図１４に示す。光信号の位相状態に注目すると、反射出力強度の設定値ｓをポート１、ポート２ともに、  
【００５６】
【数５】
2005202241.tif 000007
【００５７】
とすればよい。ここで、入射信号の強度を１として、タップする光強度の割合（ポート１〜ポート３およびポート２〜ポート３）をタップ率ｔとした。ｓとｔの関係を示した図が図１５である。タップ率が１０％以下の場合には、２０ｄＢ以下の反射を設定すればよく、非常に弱い反射である。すなわち、光伝送システムに適用した場合でも、ほとんど主信号に影響を与えずにタップすることができ、光カプラの挿入に伴う３ｄＢの損失を解消することができる。
【実施例４】
【００５８】
図１６に、本発明の一実施形態にかかる４ポートタップ回路を示す。４ポートタップ回路は、対向するポート間を主ポート（ポート１〜ポート２）とし、直交するポートへの出力をタップポート（ポート３とポート４）とする。タップ回路のタップ率は、図１６および１７に示したように設定する。各ポートから入力された光信号の、他の３つのポートへの出力振幅を表し、全ての出力が直交するように選ぶと、
【００５９】
【数６】
2005202241.tif 000008
【００６０】
となる。これにより、損失のない２ポートへのタップが可能となる。また、タップポートを主ポートと入れ替えて利用することもできる。特に、ｔ２＝０とすると、図１８に示したように、光信号の進行方向によってタップするポートが異なるタップ回路を構成することができる。
【実施例５】
【００６１】
次に、波動伝達媒体と増幅素子とを組み合わせた回路について説明する。図１９（ａ）に、３ｘ３メッシュ型光分岐回路を示す。光分岐回路は、図１２に示した光分岐回路と同様の波動伝達媒体５１と、各ポートに接続された増幅素子５２ａ〜５２ｃとから構成される。増幅素子５２は、例えば、半導体光増幅素子を適用することができる。増幅素子５２の増幅率は、分岐比４／９（３．５２ｄＢ）の損失を、２つの増幅素子で補うために、分岐比の逆数の平方根
【００６２】
【数７】
2005202241.tif 000009
【００６３】
（１．７６ｄＢ）と、導波路の損失を加えた値である。光信号は、増幅素子５２を２度通過することにより、入出力パワーが一定となる。
【００６４】
図１９（ｂ）に、４ｘ４メッシュ型光分岐回路を示す。図９に示した光分岐回路と同様の波動伝達媒体５３と、各ポートに接続された増幅素子５４ａ〜５４ｃとから構成される。増幅素子５４の増幅率は、分岐比１／３（４．８ｄＢ）の損失を、２つの増幅素子で補うために、分岐比の逆数の平方根
【００６５】
【数８】
2005202241.tif 000010
【００６６】
（２．４ｄＢ）と、導波路の損失を加えた値である。光信号は、増幅素子５４を２度通過することにより、入出力パワーが一定となる。
【００６７】
なお、タップ率ｔの非対称分岐比とする場合には、主信号を一定とするので、増幅率を１−ｔの平方根とすればよい。また、増幅素子は、必要なポートにのみ設置してもよい。本実施例によれば、増幅素子の増幅率が比較的低いので、入出力パワーが一定の安価な光分岐回路を実現することができる。
【実施例６】
【００６８】
実施例６は、波動伝達媒体と光送受信素子とを組み合わせた回路である。図２０（ａ）は、３ｘ３メッシュ型光分岐回路６１の１つのポートに光送受信素子６２を接続した構成である。２本の光ファイバに対して、低い損失で光信号の送受信を行うことができる。図２０（ｂ）は、さらに光分岐回路６１の他の２つのポートに増幅素子６３ａ，６３ｂを接続した構成である。２本の光ファイバにおける光信号の強度を一定に保つことができる。
【００６９】
図２１（ａ）は、３ｘ３メッシュ型光分岐回路７１ａ，７２ｂを縦続接続し、それぞれに光送信素子７２と光受信素子７３とを接続した構成である。機能は、図２０（ａ）に示した光回路に同じであり、光送信素子と光受信素子とを別個に設けた構成である。図２１（ｂ）は、光分岐回路７１ａ，７２ｂの残りのポートに増幅素子７４ａ，７４ｂを接続した構成である。
【００７０】
図２２（ａ）は、４ｘ４メッシュ型光分岐回路８１の対向するポートに光送信素子８２と光受信素子８３とを接続した構成である。２本の光ファイバに対して、低い損失で光信号の送受信を行うことができる。図２２（ｂ）は、さらに光分岐回路８１の他の２つのポートに増幅素子８４ａ，８４ｂを接続した構成である。２本の光ファイバにおける光信号の強度を一定に保つことができる。図２２（ｃ）は、３ｘ３メッシュ型光分岐回路８１の１つのポートに光送受信素子８５を接続し、残りのポートに増幅素子８４ａ〜８４ｃを接続した構成である。３本の光ファイバ間の光信号の強度を一定に保ちながら通信を行うことができる。
【実施例７】
【００７１】
上述した光分岐回路を用いてスター型ネットワークを構成する。図２３に、ＮｘＮメッシュ型光分岐回路１０１の各ポートと、１心光ファイバを介して接続された端末１０２ａ〜１０２ｅとから構成されたスター型ネットワークを示す。端末１０２には、従来の１心型光送受信素子を内蔵する。この構成によれば、簡易な構成により、全ての端末が、相互に通信を行うことができる。
【００７２】
図２４に、不等分配スター型ネットワークを示す。図１３に示したタップ回路のように、不等分配型の光分岐回路１０４を中心としてスター型ネットワークを構成する。主ポートには、上位のネットワーク１０５を接続し、従ポートに端末１０２を接続する。このようにして、端末のみならず、他のネットワークを接続したり、異種ネットワークを接続するための接続装置など様々なネットワーク構成要素を接続することにより、相互通信が可能な通信ネットワークを柔軟に構成することができる。
【実施例８】
【００７３】
次に、チェイン型ネットワークについて説明する。図２０（ａ）に示した波動伝達媒体と光送受信素子とを組み合わせた光回路を適用する。図２５に示すチェイン型ネットワークは、３ｘ３メッシュ型光分岐回路または不等分配型の光分岐回路を用いた光回路１１１ａ〜１１１ｆを縦続接続し、各光回路のポートに端末１１２ａ〜１１２ｆを接続する。両端の光ファイバには、終端器１１３ａ，１１３ｂを接続して、光信号の反射を抑制する。図２０（ａ）に示した光回路を用いて、端末を接続することにより、簡易な構成で、ネットワークを構成することができ、全ての端末が、相互に通信を行うことができる。
【００７４】
図２６に、損失補償チェイン型ネットワークを示す。図２０（ｂ）に示した波動伝達媒体と光送受信素子と増幅素子とを組み合わせた光回路を適用する。図２６に示すチェイン型ネットワークは、光回路１１４ａ〜１１４ｌを縦続接続し、各光回路のポートに端末１１２ａ〜１１２ｌを接続する。両端の光ファイバには、終端器１１３ａ，１１３ｂを接続して、光信号の反射を抑制する。端末の位置によらず、光信号の強度を一定に保つことができるので、図２５に示したネットワークと比較して、より大規模のネットワークを構成することができる。
【実施例９】
【００７５】
最後に、図２７を参照して、階層型ネットワークについて説明する。図２５または図２６に示したチェイン型ネットワークを、３ｘ３メッシュ型光分岐回路１２１ａ，１２１ｂまたは４ｘ４メッシュ型光分岐回路１２２により接続し、階層型ネットワークを構成する。なお、図２７に示した光分岐回路は、増幅素子が接続された損失補償型の光回路である。全ての端末が、相互に通信を行うことができ、階層構造化が容易なネットワークを構築することができる。また、増幅素子を設けることにより、光信号の強度を一定に保つことができ、拡張性の高いネットワークとすることができる。
【００７６】
上述したＮｘＮメッシュ型光分岐回路、スター型ネットワーク、チェイン型ネットワークなどを組み合わせることにより、図２８に示したような統合型ネットワークを構築することができる。実施例７で述べたように、様々なネットワーク構成要素を、本発明にかかる光分岐回路を介して接続することにより、相互通信が可能な通信ネットワークを柔軟に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】従来のＹ分岐回路と方向性結合器の構成を示す図である。
【図２】従来の１ｘＮ分岐回路とＮｘＭ方向性結合器の構成を示す図である。
【図３】従来のＭＭＩ方向性結合器の構成を示す図である。
【図４】３個のＹ分岐回路を組み合わせた３ｘ３メッシュ型光分岐回路の構成を示す図である。
【図５】４個のＭＭＩ方向性結合器を組み合わせた４ｘ４メッシュ型光分岐回路の構成を示す図である。
【図６】波動伝達媒体の基本構造を説明するための図である。
【図７】波動伝達媒体の空間的な屈折率分布を決定するための計算手順を示すフローチャートである。
【図８】光合分波器に適用される波動伝達媒体の屈折率分布を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる４ｘ４メッシュ型光分岐回路を示す模式図である。
【図１０】４ｘ４メッシュ型光分岐回路の論理ネットワークを示す図である。
【図１１】光信号の進行方向を添え字で示した論理ネットワーク図である。
【図１２】本発明の一実施形態にかかる３ｘ３メッシュ型光分岐回路を示す模式図である。
【図１３】本発明の一実施形態にかかる３ポートタップ回路を示す模式図である。
【図１４】３ポートタップ回路の論理ネットワークを示す図である。
【図１５】反射出力強度の設定値とタップ率の関係を示す図である。
【図１６】本発明の一実施形態にかかる４ポートタップ回路を示す模式図である。
【図１７】４ポートタップ回路のタップ率の設定値を示す図である。
【図１８】光信号の進行方向によってタップするポートが異なるタップ回路を示す模式図である。
【図１９】波動伝達媒体と増幅素子とを組み合わせた光分岐回路を示す模式図である。
【図２０】光送受信素子を組み合わせた光回路の第１の例を示す図である。
【図２１】光送受信素子を組み合わせた光回路の第２の例を示す図である。
【図２２】光送受信素子を組み合わせた光回路の第３の例を示す図である。
【図２３】光分岐回路を用いて構成されたスター型ネットワークを示す図である。
【図２４】不等分配スター型ネットワークを示す図である。
【図２５】光分岐回路を用いて構成されたチェイン型ネットワークを示す図である。
【図２６】損失補償チェイン型ネットワークを示す図である。
【図２７】光分岐回路を用いて構成された階層型ネットワークを示す図である。
【図２８】光分岐回路を用いて構成された統合型ネットワークを示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
５１，５３    波動伝達媒体
５２，５４，６３，７４，８４    増幅素子
６１，７１，１２１    ３ｘ３メッシュ型光分岐回路
６２，８５    光送受信素子
７２，８２    光送信素子
７３，８３    光受信素子
８１，１２２    ４ｘ４メッシュ型光分岐回路
１０１    ＮｘＮメッシュ型光分岐回路
１０２，１１２    端末
１０４    不等分配型の光分岐回路
１０５    上位のネットワーク
１１１    光回路
１１３    終端器
【図１】
2005202241.tif 000011
【図２】
2005202241.tif 000012
【図３】
2005202241.tif 000013
【図４】
2005202241.tif 000014
【図５】
2005202241.tif 000015
【図６】
2005202241.tif 000016
【図７】
2005202241.tif 000017
【図８】
2005202241.tif 000018
【図９】
2005202241.tif 000019
【図１０】
2005202241.tif 000020
【図１１】
2005202241.tif 000021
【図１２】
2005202241.tif 000022
【図１３】
2005202241.tif 000023
【図１４】
2005202241.tif 000024
【図１５】
2005202241.tif 000025
【図１６】
2005202241.tif 000026
【図１７】
2005202241.tif 000027
【図１８】
2005202241.tif 000028
【図１９】
2005202241.tif 000029
【図２０】
2005202241.tif 000030
【図２１】
2005202241.tif 000031
【図２２】
2005202241.tif 000032
【図２３】
2005202241.tif 000033
【図２４】
2005202241.tif 000034
【図２５】
2005202241.tif 000035
【図２６】
2005202241.tif 000036
【図２７】
2005202241.tif 000037
【図２８】
2005202241.tif 000038