(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力導波路と、
前記複数の入力導波路に接続された第１の自由空間領域と、
複数の長さが等しくない導波路を含む、前記第１の自由空間領域に接続された光グレーティングと、
前記光グレーティングに接続された第２の自由空間領域と、
前記第２の自由空間領域に接続された複数の出力導波路とを有する光学装置において、
入力信号が前記複数の入力導波路に与えられたときに、前記複数の出力導波路が所定の合成振幅スペクトルを示す出力信号を提供するように、前記複数の入力導波路のうちの選択されたものは前記入力信号に入力損失を導入するための可変手段を含み、前記複数の出力導波路のうちの選択されたものは出力信号に出力損失を導入するための可変手段を含む
ことを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記出力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つが指向性カプラである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記出力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つが波長選択性フィルタである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記出力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つがＹブランチスプリッタである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
前記出力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つが、前記複数の出力導波路の第１の選択されたものと第２の選択されたものとの間の断面の違いである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記入力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つが、指向性カプラである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項７】
前記入力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つが波長選択性フィルタである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項８】
前記入力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つがＹブランチスプリッタである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項９】
前記入力損失を導入するための手段のうちの少なくとも１つが、前記複数の入力導波路の第１の選択されたものと第２の選択されたものとの間の断面の違いである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１０】
前記入力損失を導入するための手段および出力損失を導入するための手段の両方のうちの少なくとも１つが、前記複数の入力導波路のうちの第１の選択されたものと前記複数の出力導波路のうちの第１の選択されたものとの間の断面の違いである
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１１】
前記断面の違いは、次式で定義され、
0003939894.tif 000002
ｆiおよびｆkは前記複数の入力導波路の第１の選択されたものと前記複数の出力導波路のうちの第１の選択されたものの断面におけるそれぞれの放射フィールドであり、ｘおよびｙは断面における空間的座標である
ことを特徴とする請求項１０記載の光学装置。
【請求項１２】
前記複数の出力導波路のうちの第１の選択されたものと第２の選択されたものとの間の断面の違いが幅の特性である
ことを特徴とする請求項５記載の光学装置。
【請求項１３】
前記所定の合成振幅スペクトルが均一である
ことを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項１４】
前記入力損失を導入するための手段および前記出力損失を導入するための手段の両方が、それぞれ可変入力損失を導入するための手段および可変出力損失を導入するための手段である
ことを特徴とする請求項１３記載の光学装置。
【請求項１５】
前記入力信号の振幅を実質的に等化するために前記所定の合成振幅スペクトルを増幅するための増幅エレメントをさらに含む
ことを特徴とする請求項１４記載の光学装置。
【請求項１６】
前記光学装置が、１×Ｎスプリッタ、Ｎ×１スプリッタ、光スイッチ、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、検出器、ａｄｄ／ｄｒｏｐフィルタ、およびＮ×Ｎアレイからなるグループから選択されたものである
ことを特徴とする請求項１５記載の光学装置。
【請求項１７】
第１および第２の自由空間領域と、前記第１および第２の自由空間領域間に配置された光グレーティングとを有し、前記光グレーティングは複数の長さが等しくない導波路を含む導波路グレーティングルータにおいて、
前記第１の自由空間領域に接続されて少なくとも１つの入力信号を受信する少なくとも１つの入力導波路と、
前記第２の自由空間領域に接続されて複数の出力信号を送信する複数の出力導波路と、
入力信号が前記少なくとも１つの入力導波路に与えられたときに、前記出力導波路が所定の合成振幅スペクトルを示す出力信号を提供するように、前記少なくとも１つの入力導波路のうちの所定のものに入力損失を導入し、かつ、前記複数の出力導波路の所定のグループに出力損失を導入するための可変手段とを有する
ことを特徴とする導波路グレーティングルータ。
【請求項１８】
第１および第２の自由空間領域と、前記第１および第２の自由空間領域間に結合された、複数の長さが等しくない導波路を含む光グレーティングと、前記第１の自由空間領域に結合された複数の入力導波路と、前記第２の自由空間領域に結合された複数の出力導波路とを備えた導波路グレーティングルータの所定の合成出力スペクトルを形成する方法において、
前記複数の入力導波路のうちの少なくとも１つを、与えられる信号に入力損失を導入するための可変手段を備えるように構成するステップと、
前記複数の出力導波路のうちの少なくとも１つを、与えられる信号に出力損失を導入するための可変手段を備えるように構成するステップと、
前記導波路グレーティングルータの所定の合成振幅出力スペクトルを生成するために、
前記入力損失を導入するための可変手段及び前記出力損失を導入するための可変手段において、前記入力損失及び前記出力損失を変化させるステップとを有する
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光デバイスに係り、特に、導波路グレーティングルータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常の光波システムにおける導波路グレーティングルータは、光スイッチ、マルチプレクサ、デマルチプレクサ、検出器、ａｄｄ／ｄｒｏｐフィルタ、１×Ｎスプリッタ、Ｎ×１スプリッタ、およびＮ×Ｎアレイとして使用される。典型的には、そのような導波路グレーティングルータは、スターカプラの入力と通信する複数の近接して配置された入力導波路を有する相互接続装置を含む。スターカプラの出力は、グレーティング導波路の各々が、その最も近い導波路と所定の固定量だけ長さが異なる一連の光導波路を含む光グレーティングと通信する。
【０００３】
光グレーティングは、その出力がスイッチング装置、マルチプレクシング装置、およびデマルチプレクシング装置の出力を形成する第２のスターカプラの入力にもさらに接続されている。導波路グレーティングルータは、しばしば「周波数ルーティングデバイス」とも呼ばれ、米国特許第５，００２，３５０号（１９９１年３月２６日発行）、C. Dragone,“Optical Multiplexer/Demultiplexer"（以下“ドラゴン１”と称する）および米国特許第５，１３６，６７１号（１９９２年８月４日発行）、C. Dragone,“Optical Switch, Multiplexer, and Demultiplexer"（以下“ドラゴン２”と称する）に詳細に説明されている。
【０００４】
これらの導波路グレーティングルータの既知の特性は、多くの波長または周波数を含みうる出力信号の各々に対する所定の合成振幅スペクトルを十分に提供しないことである。むしろ、これらのルータは、内側導波路中の信号よりも多く外側導波路中の信号を減衰させる傾向にある。したがって、導波路中の波長スペクトルにおけるルータの振幅応答は、不均一である。
【０００５】
均一な合成振幅スペクトルを有する導波路グレーティングルータを設計する試みが成されてきたが、従来技術による設計は、均一な出力スペクトルのような所定の合成振幅スペクトルを得ることに不十分であり、そのような設計は、過酷な損失を受けることが分かった。例えば、「ループバック」光パスを導波路グレーティングルータと共に使用する１つの方法がある。「ループバック」光パス接続は、出力信号フィードバックからの所定の入力ポートへの接続であり、これは、Osamu Ishida 著の論文“Loss Imbalance Equalization of Arrayed Waveguide Grating Add-Drop Multiplexer"、Electronics Letters, Vol. 30, No. 14, July 7, 1994 に示されている。しかし、この方法は、導波路ルータ中の損失を等化するために有効ではなかった。
【０００６】
均一の出力スペクトルを得るために使用される別の方法は、隣接するルータ間のポート接続をシフトすることにより、カスケード接続されたルータにおいて導波路グレーティングルータを平均化する。これは、Osamu Ishida 等による論文 “Loss Imbalance Equalization in Arrayed Waveguide Grating (AWG) Multiplexer Cascades"、Journal of Lightwave Technology, Vol. 13, No. 6, June 1995に開示されている。しかし、そのようなシステムは、ルータをカスケード接続することによる過酷な損失を受ける。
【０００７】
さらなるチャネル均一性を得るための別の方法が、J.C. Chen および C. Dragone による論文“Waveguie Grating Router with Greater Channel Uniformity"、Electronics Letters, Vol. 33, No. 23, pp.1951-2, November 6, 1997 に示されている。ここに開示されている方法は、導波路グレーティングルータにおいて隣接するグレーティングアーム間で補助的な導波路を使用する。そのようなシステムは損失を追加しないが、均一な出力スペクトルのような所定の合成振幅スペクトルを提供しない。具体的には、補助的な導波路は、導波路グレーティングルータ中のスターカプラの放射パターンを成形し、チャネル不均一性を低減することを単純に助ける。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、所定の合成振幅スペクトルを有する導波路グレーティングルータを提供するより有効な手段を提供し、光波システムの複雑さを低減する必要性がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理により、所定の合成振幅スペクトルを有する導波路グレーティングルータが、導波路グレーティングルータの導波路に損失を導入することにより得られる。望ましい所定の合成振幅スペクトルが均一な振幅スペクトルである場合、この同じ損失が、全ての出力信号中の利得不均一性の完全な除去により損失等化を生成しうる。しかし、本発明は、平坦な振幅スペクトルの生成に限定されない。例えば、所定の合成振幅スペクトルは、サイン波状、三角形状、階段状の個別的、スロープ状、ログ関数状等であり得る。
【００１０】
本発明の一側面によれば、導波路グレーティングルータは、少なくとも１つの入力導波路および複数の出力導波路を含むように提供される。可変損失エレメントが、出力信号の所定の合成振幅スペクトルを作るために、出力導波路の所定のグループに導入される。
【００１１】
本発明の別の側面によれば、導波路グレーティングルータは、複数の入力導波路および複数の出力導波路を含むように提供される。可変損失エレメントは、所定の合成振幅スペクトルを示す出力信号を得るために、入力および出力の両方の導波路の所定のグループに導入される。両方のタイプの導波路グレーティングルータにおいて、出力導波路の断面に対して入力導波路の断面を変化させることを含む様々な方法で損失が導入されうる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のよりよい理解のためおよび従来技術との違いの理解のために、従来技術による導波路グレーティングルータの簡単な説明をする。上述したように、導波路グレーティングルータは、周波数ルーティングデバイスとしても知られている。後者の用語は、ルータを通って異なるパスをとる異なる周波数における光の動きを示す。以下の説明において、「周波数」および「波長」の用語は、ルータの動作に対して使用する場合、交換可能に使用されうる。
【００１３】
図１は、複数の入力導波路１０２i，ｉ＝１，２，…Ｎ、第１の自由空間領域１０４および第２の自由空間領域１０８、光グレーティング１０６、および複数の出力導波路１１０k，ｋ＝１，２，…Ｎを含む従来技術による導波路グレーティングルータ１００を示す。図示されているように、複数の入力導波路１０２i，ｉ＝１，２，…Ｎは、自由空間領域１０４に接続されている。複数の出力導波路１１０k，ｋ＝１，２，…Ｎは、光グレーティング１０６に結合された自由空間領域１０８から延びている。
【００１４】
光グレーティング１０６は、複数の入力導波路１０２iに対応する所定量のパス長の差を提供する複数の不均等調導波路を含む。動作において、振幅Ａの信号が、入力導波路１０２iのうちの１つ、例えば入力導波路１０２1に与えられる場合、振幅ＡＴ11，ＡＴ12，…ＡＴ1Nの信号が出力導波路１１０kにおいて生成される。ここで、Ｔikは、入力導波路１０２1および複数の出力導波路１１０kに対する伝送係数の値である。
【００１５】
図２に示されているように、導波路グレーティングルータの複数の出力導波路１１０ｋからの出力信号は、ガウス分布振幅スペクトルを形成する。図２において、波長の関数としての出力信号の合成振幅スペクトルが示されており、ルーティングデバイスに対する対応する伝送係数Ｔｉｋが示されている。ルーティングデバイスのくびれおよび動作の詳細が、Dragone １，Dragone ２，および米国特許第５，２４３，６７２号（１９９３年９月７日発行）“Planar Waveguide Having Optimized Bend"（以下、Dragone ３と称する）に詳細に説明されている。
【００１６】
図３は、本発明の一実施形態よる導波路グレーティングルータ３００を示す。導波路グレーティングルータ３００は、図１の全ての構成要素を含み、複数の入力導波路３０２、第１の自由空間領域３０４、光グレーティング３０６、第２の自由空間領域３０８、および複数の出力導波路３１０を含む。しかし、従来技術と異なり、導波路グレーンティングルータ３００は、複数の可変損失エレメント３２０も含む。
【００１７】
複数の可変損失エレメント３２０は、所定のセットの出力導波路３１０に光学的に結合されており、出力信号中に所定の合成振幅スペクトルを生成する。図示しないが、代替的に、可変損失エレメント３２０は、出力導波路３１０の代わりに、所定のセットの入力導波路３０２に光学的に結合することができ、出力信号中に、所定の合成振幅スペクトルを生成する。可変損失は、各導波路からの出力信号の形状が互いに無関係にすることができる。
【００１８】
機能的に、図３の導波路グレーティングルータは、入力導波路３０２のうちの所定の１つを介して多波長入力信号を宛てる。ここで入力信号は、波長λ1，λ2，…λnを有する多重化された信号である。入力信号は、ルータの出力導波路３０２のうちの所定の１つに宛てられる成分波長の各々を有する成分波長に分離される。
【００１９】
具体的には、入力信号は、第１の自由空間領域３０４を介して光グレーティング３０６に送信される。光グレーティング３０６内において、固定量だけ分離された各導波路の異なる長さおよび曲率のために、光グレーティング３０６は、各導波路を通して送信される各信号を位相シフトする。最終的に、他波長信号は、ルータにより宛てられて、それぞれが元の入力信号の１つの波長成分を示す多数の出力信号に分離される。
【００２０】
可変損失エレメント３２０は、各出力信号に所定量の損失を与え望ましい所定の合成振幅スペクトルを得る。任意的に、図３に示されているように、増幅器３２２が、複数の出力導波路に光学的に結合されることができ、損失が加えられた後の出力信号を増幅する。増幅器３２２は、これらの出力信号を受信しかつ増幅する。特定のパワーレベルが必要とされる場合、増幅が望ましい。
【００２１】
均一振幅スペクトルが示されている図３および図４を同時に参照する。図３の損失エレメント３２０は、そのような均一な合成振幅スペクトルを生成する出力信号を変更するように構成されうる。例えば、図２に示されているようなガウス分布振幅スペクトルを示す１×Ｎ導波路グレーティングルータが望ましい場合、中央に最も近い出力導波路に最大の損失が誘導され、かつ最も外側の導波に向かって進む各々の隣接するポート導波路においてより小さな損失が導入される。
【００２２】
損失は、様々な方法で導入されうる。１つの方法は、入力導波路の断面積に対する出力導波路の断面積を変化させることである。これは、例えば導波路幅、高さ、断面形状、位置、および傾き角を変化させることにより具現化されうる。また、出力導波路の各接続をオフセットすること、例えば、ルーティングデバイスにリンクする光ファイバと残りの多波長光波システムとの中心のオフセットまたは意図的な不正列は、同じ効果を生じる。同じ出力導波路の異なる区分において異なる段面積を有する出力導波路により、損失が導入されうる。例えば、図５において、出力導波路５１０は、自由空間領域５０８の近くで大きな断面積を有し、反対側の端部で小さな段面積を有することができる。
【００２３】
損失を導入する他の方法も利用可能である。例えば、ダミーの導波路に光をサイホニングすることにより損失が導入されうる。そのようなダミーの導波路は、短波長信号の一部がダミー導波路に結合されるように出力導波路近くに配置されうる。これは、指向性カプラまたはＹブランチスプリッタ／タップで達成されうる。損失を導入するさらに他の方法は、非対称マッハゼンダー（Mach Zehnder）干渉系のような波長選択性フィルタまたはロングピリオド、ブラッグおよび／またはチャープドのようなグレーティングにより損失を導入することである。
【００２４】
また、統合された損失は、各出力導波路上に電極を配置することにより可変にすることができる。そして、適切な信号で各電極を電気的にアドレスすることにより、屈折率変化により、損失が可変に調節されうる。任意的に、光ファイバに対してエルビウムのような希土類ドーパントに類似するドーパントを含めることは、損失エレメントが半導体デバイスである場合に、損失を調節するために有用であり得る。
【００２５】
本発明の一側面が、均一の振幅スペクトルを生成する図５中の導波路グレーティングルータの実施形態により示されている。そこに示された導波路グレーティングルータ５００は、複数の入力導波路５０２、第１の自由空間領域５０４、光グレーティング５０６、第２の自由空間領域５０８、および複数の出力導波路５１０−５１８を含む。出力導波路５１０−５１８は、入力導波路５０２の断面幅とその断面幅が異なるように設計される。
【００２６】
出力導波路の異なる断面幅のために、損失が生じする。均一な振幅スペクトルを示す出力信号を生成するために、中心の導波路に最大の損失が導入され、したがって各隣接する導波路においてより小さな損失が導入される。例えば、図５において、導波路グレーティングルータ５００は、図示されているように、中心導波路５１４および隣接導波路５１２および５１６を有する複数の出力導波路５１０−５１８を含む。
【００２７】
中心導波路５１４は、αの幅を有し、隣接導波路５１２および５１６は、δの幅を有し、導波路５１０および５１８は、ηの幅を有し、ここで、α＞δ＞ηである。各座標は、ルータの出力信号が均一の振幅スペクトルを示すように調節される。したがって、中心導波路５１４は、最大の断面幅を有する。次に、中心導波路に隣接する導波路５１２および５１６は、導波路５１４よりも断面積が小さく、導波路５１０および５１８は、導波路５１２および５１６よりも断面積は小さい。これらの出力信号は、各出力導波路の断面幅に比例する損失を受け、したがって均一の振幅スペクトルが得られる。
【００２８】
上述したように、出力導波路の断面積に対する入力導波路の断面積を変化させることにより損失が導入され得る。入力導波路および出力導波路の断面幅を相互の関係で変化させることは、フィールドの違いを生じ、したがって比例的な放射損失を生じる。数学的に、入力導波路、例えば図６中の７０２i，ｉ＝１，２，３，…Ｎと出力導波路、例えば図６中の７３０k，ｋ＝１，２，３，…Ｎとにおけるフィールド間の重複部分に依存する。
【００２９】
導波路間の伝達係数、例えばｉおよびｋとしても知られる重複部分は、次式で表される。
Ｔi,k＝∬ｆi（ｘ，ｙ）ｆk（ｘ，ｙ）ｄｘｄｙ
ここで、ｆiおよびｆkは、入力導波路ｉおよび出力導波路ｋの断面における放射フィールドであり、ｘおよびｙは、断面における空間座標である。したがって、一致または重複が良好であると、そこにおける損失が低くなる。
【００３０】
通常、２つの導波路間のフィールドは、放射フィールドおよび導波モードの組合せであり、その数、範囲、形状、特徴などは、導波路のサイズ、形状および係数に依存する。この重複部分は、傾き角および空間的位置の相対的な差も示すことができる。したがって、本発明によれば、望ましい所定の合成振幅スペクトルを作るために、出力導波路に導入される損失エレンメントとの関係で、損失エレメントを入力導波路に導入することができる。
【００３１】
Ｎ×Ｎ導波路グレーティングルータの伝達係数ＴikはＮ×Ｎ行列を形成するので、望ましい所定の合成振幅スペクトルを作るために、所望の損失を導入するために説明されなければならいＮ2独立値がある。しかし、伝達係数Ｔik値は独立であるので、導波路に対する２Ｎの調節のみを使用することにより、これらの係数は、均一な合成振幅スペクトルを得るために修正または等化されうる。
【００３２】
２Ｎ個の放射フィールド（または導波路中の２Ｎ個の断面幅）を選ぶことにより、Ｎ2個の伝達係数が、全ての放射フィールドが独特ではなく、全ての伝達係数が独特ではないので、満足されうる。望ましくは、Ｎ2個の可能な伝達係数Ｔikを有するＮ×Ｎ導波路グレーティングルータの完全な等化は、図６に示されているように、導波路に対する２（Ｎ−２）個の調節で達成されうる。
【００３３】
図６に示されているように、Ｎ個の入力導波路およびＮ個の出力導波路を有するＮ×Ｎ導波路グレーティングルータ７００の一実施形態が示されている。導波路グレーティングルータは、複数の入力導波路７０２i、第１の自由空間領域７０４、光グレーティング７０６、第２の自由空間領域７０８、および複数の出力導波路７３０kを含む。複数の多波長信号が、複数の入力導波路７０２により受信される。これらの信号は、第１の自由空間領域７０４において結合される。
【００３４】
そこで各導波路が固定量だけ分離される光グレーティング７０６中の各導波路の長さおよび曲率が異なっていることにより、光グレーティング７０６は、各出力導波路を通して送信される各信号を位相シフトする。最終的に、複数の入力導波路により受信される他波長信号は、ルータを通して送信され、それぞれが受信された信号の特定の波長成分を有する複数の出力信号に分離される。
【００３５】
複数の入力導波路７０２iの断面幅が複数の出力導波路７３０kの導波路幅と異なるので、均一な振幅スペクトルが得られるように、信号が損失を受ける。入力導波路７０２iの幅は、中心の入力導波路が最大の損失を受け、したがって隣接する導波路の各々がより小さい損失を受けるように設定されている。複数の出力導波路７３０kの幅は、中心の出力導波路が最小の損失を受け、隣接する導波路の各々がより大きい損失を受けるように設定されている。
【００３６】
上述した例示的な実施形態は、以上の説明を考慮すれば当業者にとって明らかである本発明の数多くの実施形態のうちの１つである。したがって、この説明は、例示のためのみ、および当業者が本発明の最適な実施形態を実施できるようにする目的のものであるとして解釈されるべきである。様々な他の代替的な実施形態が、本発明の教示から離れることなしに当業者により考案され得る。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、所定の合成振幅スペクトルを有する導波路グレーティングルータを提供するより有効な手段を提供し、光波システムの複雑さを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による導波路グレーティングルータを示すブロック図。
【図２】特定の波長における図１に示された導波路グレーティングルータの様々な導波路からの信号の出力の送信されるパワーの合成振幅スペクトルのグラフである。
【図３】損失等化を備えたＮ×Ｎ導波路グレーティングルータの一実施形態を示すブロック図。
【図４】特定の波長における図３に示された導波路グレーティングルータの様々な導波路からの信号の出力の送信されるパワーのグラフ。
【図５】損失等化を備えたＮ×Ｎルータの例示的な実施形態を示す図。
【図６】損失等化を備えたＮ×Ｎルータの別の例示的な実施形態を示す図。
【符号の説明】
３００，５００，７００  導波路グレーティングルータ
３０２，５０２，７０２  入力導波路
３０４，５０４，７０４  第１の自由空間領域
３０６  光グレーティング
３０８，５０８，７０８  第２の自由空間領域
３１０，５１０，５１８  出力導波路
３２０  損失エレメント
３２２  増幅器
５０６，７０６  グレーティング
５１２，５１６  隣接する導波路
５１４  中央の導波路
【図１】
0003939894.tif 000003
【図２】
0003939894.tif 000004
【図３】
0003939894.tif 000005
【図４】
0003939894.tif 000006
【図５】
0003939894.tif 000007
【図６】
0003939894.tif 000008