(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を分波して複数の光出射用ポートのそれぞれから出射する波長分波回路であって、
少なくとも１個の光入射用ポートと複数の光出射用ポートと、少なくとも一つの光入射用光導波路と光分配用スラブ導波路と複数のアレイ導波路と光合波用スラブ導波路と複数の光出射用光導波路を含み、前記各入出射光導波路を通過できるバンド波形を表す透過スペクトルがガウス型である第１の波長分波回路と、
少なくとも一つの光入射用光導波路と光分配用スラブ導波路と複数のアレイ導波路と光合波用スラブ導波路と複数の光出射用光導波路とを含み、前記各光入出射用光導波路を通過できる光周波数の幅を示す透過バンド幅が、前記第１の波長分波回路の透過バンド幅と異なるアレイ導波路回折格子型である少なくとも２個の第２の波長分波回路とを具備し、
前記第１および第２の波長分波回路が光ファイバまたは光導波路で光学的に接続され、前記第２の波長分波回路における最終段の光出射用光導波路を前記波長分波器の光出射用ポートとし、
前記第１の波長分波回路が、隣接する光出射用光導波路から得られる隣接した２つの透過スペクトルがそのピーク値から３ｄＢ程度下降した地点で交差するアレイ導波路型回折格子であり、かつ
前記第１の波長合分波回路として、前記光入射用光導波路が前記光分配用スラブ導波路に接する部分のテーパ導波路Ａの幅が、前記複数の光出射用光導波路が前記光合波用スラブ導波路と接する部分のテーパ導波路Ａ１，Ａ２・・・Ａｎ（ｎは出射光導波路の数）の幅と異なるか、
または前記光分配用スラブ導波路の焦点距離Ｌｉｎと前記光合波用スラブ導波路の焦点距離Ｌｏｕｔが異なり、
前記テーパ導波路ＡおよびＡｋ（ｋ＝１，２・・・ｎ）におけるモードフィールドのスポットサイズをそれぞれＷｉｎおよびＷｋ、隣接するテーパ導波路ＡｋとＡｋ＋1の間隔をＤｋとし、Ｗ０＝ＷｉｎＬｏｕｔ／Ｌｉｎとして、
Ｄｋ２／（Ｗ０２＋Ｗｋ２）＝２ｌｎ２    （ｌｎ２は２の自然対数）
の関係を有することを特徴とする階層構成の光合分波回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を分波して複数の光出射用ポートのそれぞれから出射する波長分波回路に係わり、特にバンド幅の異なる波長分波回路を光学的に接続して、利用できるチャネル数を拡大する構成を特徴とする階層構成の光合分波回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、階層構成を利用した多チャネル光合分波回路を示す。ここで、１は光ファイバ入射ポート、２は１入力で３出力の前段光合分波回路、３，４，５は前段光合分波回路２の出射ポート、６，７，８は後段のアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）から、９，１０，１１は後段ＡＷＧの６，７，８のそれぞれの入射光導波路から、入射して各出射光導波路に出射するときの透過バンド群、１２，１３，１４は前段光合分波回路２の光ファイバ入射ポート１から入射してそれぞれ３，４，５の出射ポートを光が通過するときの前段の透過バンド群、１５と１６は前段の隣接バンドが交差する地点、１７は６，７，８の後段ＡＷＧから得られるバンド群を周波数軸上に並べたもの、および１８と１９は、前段の隣接バンドが交差する部分から得られるバンドである。
【０００３】
光ファイバ入射ポート１から入力した光は前段光合分波回路２で３分割されて３，４，５のそれぞれの出射ポートから出射する。６，７，８の後段ＡＷＧの透過バンド波形を示す９，１０，１１は、前段光合分波回路２の透過バンド１２，１３，１４よりもバンド幅が狭いので、前段光合分波回路２で分割されたそれぞれの光は、６，７，８の後段ＡＷＧ３台で更に細かいバンドに分割されて、それぞれの出射用光導波路から抽出される。
【０００４】
後段ＡＷＧ６，７，８の各出射用光導波路から抽出され波形を周波数軸上で並べたものが１７である。従って、前段光合分波回路２の隣接する透過バンドである１２と１３および１３と１４が、それぞれのピークに対してαｄＢだけ低下した地点である１５と１６で交差した場合に、その交差部分から得られるバンド（図の１８と１９）は、他部分から得られるバンドに比べてα（ｄＢ）だけ損失が大きくなる。
【０００５】
以上の構成で通常の市販されているＡＷＧを用いると、α＝７ｄＢ程度の損失が発生する。このため、隣接バンドが半分ずつ光パワーを受け取る条件であるα＝３ｄＢ交差のバンドを用いることにより、交差部分から得られるバンドの損失を最小限に抑えることができる。以上の理由から、図１に示した階層構成の光合分波回路においては、その隣接バンドが３ｄＢで交差する前段光合分波回路が不可欠である。
【０００６】
上述の通り、通常のＡＷＧではその各バンドはピークに対して７ｄＢ程度下降した地点で隣接バンドと交差している。これを３ｄＢ地点で交差せしめるには、基本的に、各バンドの幅を広げることが不可欠である。
【０００７】
図２は、その隣接バンドが３ｄＢ下降した地点で交差する従来の前段ＡＷＧの構成を模式的に示す図である。ここで、２０は入射光導波路のテーパ導波路部、２１はその部分２０での出射光のモードフィールド、２２はテーパ導波路部２０から発散する光のビーム、２３は入射側スラブ光導波路が果たすレンズ機能をスラブレンズとして表現したもの、２４はスラブレンズ２３で並行に広げられたビームがアレイ導波路２５に結合するときのモードフィールド、２６はアレイ導波路２５に損失を与える部分（例えば、導波路をずらせて損失を発生させる）、２７はアレイ導波路を伝播した光が出射側スラブレンズ２８に入射するときのモードフィールド、２９は出射側スラブレンズ２８により集光される光ビーム、３０は出射側のテーパ導波路３１における集光された光ビームのモードフィールド、３２と３３は隣接する出射用テーパ導波路である。
【０００８】
入射用テーパ導波路２０から入射した光は、スラブレンズ２３で広げられ、そのモードが２１から２４に拡大されて、各アレイ導波路２５に分配される。ここで、モードフィールド２１はガウス型をしているので、アレイ導波路２５に分配される光の振幅分配比はやはりガウス型をしている。このため、２６の損失部分で、各アレイ導波路２５に損失を与え、これにより各アレイ導波路２５の位相関係を調整することにより、２７に示すように、アレイ導波路出射部での光振幅分配比をＳＩＮＣ型（ｓｉｎｃ関数型）に変換する。
【０００９】
スラブレンズ２８で集光されて出射テーパ導波路３１に集光する光ビームのモードフィールド３０は、ＳＩＮ型振幅分布のフーリエ変換であるフラット型に変換されるので、テーパ導波路３１に結合されて出射する光の透過バンドはフラット型となる。フーリエ変換の基本的性格から、２７のモードフィールドを狭くすればするほど、集光ビームのモードフィールド３０の幅は広くなるので、隣接バンドと３ｄＢで交差するようになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなＳＩＮＣ型をベースにして３ｄＢ交差のバンドを有するＡＷＧを作製した場合、モードフィールド２７を狭くするために、アレイ導波路のほとんどの部分に損失を与えねばならないので、図３に示すように、ピーク値でのバンドの損失が１０ｄＢ程度になってしまうという、解決すべき点があった。
【００１１】
本発明は、従来技術における上述の解決すべき点に鑑みてなされたもので、その目的は、透過バンド幅の異なる前段と後段を光学的に接続して多チャネル化を実現する階層構成の光合分波回路において、その主たる損失原因であった前段用の光合分波回路の損失を低減することにより、階層構成の光合分波回路の損失を低減することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の階層構想の光合分波回路は、入射光を分波して複数の光出射用ポートのそれぞれから出射する波長分波回路であって、少なくとも１個の光入射用ポートと複数の光出射用ポートと、少なくとも一つの光入射用光導波路と光分配用スラブ導波路と複数のアレイ導波路と光合波用スラブ導波路と複数の光出射用光導波路を含み、前記各入出射光導波路を通過できるバンド波形を表す透過スペクトルがガウス型である第１の波長分波回路と、少なくとも一つの光入射用光導波路と光分配用スラブ導波路と複数のアレイ導波路と光合波用スラブ導波路と複数の光出射用光導波路とを含み、前記各光入出射用光導波路を通過できる光周波数の幅を示す透過バンド幅が、前記第１の波長分波回路の透過バンド幅と異なるアレイ導波路回折格子型である少なくとも２個の第２の波長分波回路とを具備し、前記第１および第２の波長分波回路が光ファイバまたは光導波路で光学的に接続され、前記第２の波長分波回路における最終段の光出射用光導波路を前記波長分波器の光出射用ポートとし、前記第１の波長分波回路が、隣接する光出射用光導波路から得られる隣接した２つの透過スペクトルがそのピーク値から３ｄＢ程度下降した地点で交差するアレイ導波路型回折格子であり、かつ前記第１の波長合分波回路として、前記光入射用光導波路が前記光分配用スラブ導波路に接する部分のテーパ導波路Ａの幅が、前記複数の光出射用光導波路が前記光合波用スラブ導波路と接する部分のテーパ導波路Ａ１，Ａ２・・・Ａｎ（ｎは出射光導波路の数）の幅と異なるか、または前記光分配用スラブ導波路の焦点距離Ｌｉｎと前記光合波用スラブ導波路の焦点距離Ｌｏｕｔが異なり、前記テーパ導波路ＡおよびＡｋ（ｋ＝１，２・・・ｎ）におけるモードフィールドのスポットサイズをそれぞれＷｉｎおよびＷｋ、隣接するテーパ導波路ＡｋとＡｋ＋1の間隔をＤｋとし、Ｗ０＝ＷｉｎＬｏｕｔ／Ｌｉｎとして、
Ｄｋ２／（Ｗ０２＋Ｗｋ２）＝２ｌｎ２    （ｌｎ２は２の自然対数）
の関係を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明では、階層構成の光合分波回路において、入出射スラブ導波路部分でのテーパ幅、または、入出射用のスラブ導波路の焦点距離を、一定の条件を満たすように設定することで、隣接した２つの透過スペクトルがそのピーク値から３ｄB程度降下した地点で交差する前段光合分波回路を実現できるので、透過バンドの幅を広げて、隣接バンドを３ｄＢに交差せしめることができ、これによりバンドの幅を広げても、損失を数ｄＢ程度に抑えられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の一実施形態における階層構成の光合分波回路の前段ＡＷＧの構成を模式的に示す図である。ここで、３４は入射光導波路のテーパ導波路部、３５はその出射光のモードフィールド、３６はテーパ導波路部３４から出射する光の発散ビーム、３７は入射側のスラブレンズ、３８はスラブレンズ３７で広げられたビームがアレイ導波路３９に入射するときのモードフィールド、４０は出射側スラブレンズ４１に光が入射するときのモードフィールド、４２は出射側スラブレンズ４１により集光される光ビーム、４３は出射側のテーパ導波路部４４における集光ビームのモードフィールド、４５，４６はそのテーパ導波路部４４に隣接する出射用光導波路のテーパ導波路部、４７はその出射用テーパ導波路４５、４６のモードフィールドを示す。
【００１５】
上記のスラブ導波路やアレイ導波路の配置は左右対称に設計してあるので、２個のスラブレンズ３７と４１の焦点距離は同じである。
【００１６】
入射用テーパ導波路３４から入射した光は、スラブレンズ３７で広げられ、そのモードフィールドは３５から３８に拡大され、各アレイ導波路３９に分配される。ここで、モードフィールド３５はガウス型をしているので、アレイ導波路３９に分配される光の振幅はやはりガウス分布をしている。本実施形態ではアレイ導波路３９に損失を与える部分は存在しないので、アレイ導波路伝播後の振幅分布は、アレイ導波路入射直後の振幅分布と同じであり、さらに、入出射用スラブ導波路やアレイ導波路は左右対称に配置しているので、モードフィールド４０がスラブレンズ４１により集光されたときの集光ビームのモードフィールド４３は、入射テーパ導波路のモードフィールド３５と同じである。
【００１７】
光がテーパ導波路４４に結合して出射用光導波路（図示しない）を通過する時の透過スペクトルは、モードフィールド４３と４７の重なり積分として以下の式で与えられる。
【００１８】
【数１】
0003754362.tif 000002
【００１９】
ここで、ｆは光周波数であり、バンドの中心を原点に選んである。Ｗ１，Ｗ２はモードフィールド４３（すなわち３５）と４７のそれぞれのスポットサイズ、Δχは出射用テーパ導波路４４の間隔、Δνは隣接する透過バンドの間隔である。
【００２０】
このため、隣接バンドと３ｄＢで交差するための条件は、ｆ＝Δν／２でのＰ（ｆ）の値がＰ（０）の半分となればよいので、３ｄＢ交差の条件は、
【００２１】
【数２】
0003754362.tif 000003
【００２２】
となる。ここで、ｌｎ２は２の自然対数を示す。
【００２３】
実験では、Ｗ１＝２７μｍ、Ｗ２＝１０μｍ、Δχ＝１０μｍ、Δν＝２．５ＴＨｚとして、（２）式の条件が満足されるようにパラメータを決定した。図５はこのようにして作製したＡＷＧの透過バンドを示す。隣接バンドは、設計の通り、１．５５μｍ近辺でピーク値に対して３ｄＢ下降した地点で交差した。また、各バンドのピーク値の損失は２．５ｄＢとなり、図３に示した従来の事例よりも７．５ｄＢの損失改善が可能になった。
【００２４】
図６は、図４で示した本実施形態の構成のものを前段とし、後段に２００チャネルで２５ＧＨｚ間隔のＡＷＧを１０台接続した結果得られた１，０８０チャネルの透過バンドを示す。図６から分かるように、各バンドの損失は４．５−１０ｄＢの範囲に収まり、従来事例の図２の構成のものを前段とし、後段に２００チャネルで２５ＧＨｚ間隔のＡＷＧを１０台接続した結果（１３−１８ｄＢの損失範囲）よりもかなりの損失低減が可能になった。
【００２５】
また、入射用スラブレンズ３７の焦点距離をＬｉｎ、出射用スラブレンズ４１の焦点距離をＬｏｕｔとして、ＬｉｎとＬｏｕｔが異なる場合には、集光ビーム４２のモードフィールド４３はＷ１１＝Ｗ１Ｌｏｕｔ／Ｌｉｎで与えられるので、（２）式においてＷ１の代わりにＷ１１と置き換えて、次式（３）が得られる。
【００２６】
【数３】
0003754362.tif 000004
【００２７】
上記（３）式が成立するように、入出射スラブレンズ３７、４１の焦点距離および入出射用テーパ導波路３４、４４の幅を選ぶことで、テーパ幅が異なり、かつ、スラブ導波路の焦点距離が異なるようなＡＷＧでも同様な効果が期待できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように  本発明によれば、階層構成の光合分波回路において、入出射スラブ導波路部分でのテーパ幅、または、入出射用のスラブ導波路の焦点距離を、一定の条件（上記（２）式または（３）式）を満たすように設定することで、隣接した２つの透過スペクトルがそのピーク値から３ｄB程度降下した地点で交差する前段光合分波回路を実現できるので、透過バンドの幅を広げて、隣接バンドを３ｄＢに交差せしめることができ、これによりバンドの幅を広げても、損失を数ｄＢ程度に抑えられる。
【００２９】
このように、本発明によれば、低損失で３ｄＢ交差するＡＷＧを前段とする階層構成の光合分波回路を作製することができるので、合分波回路全体の損失改善が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の階層構成の光合分波回路の構成を示す説明図である。
【図２】従来の３ｄＢ交差ＡＷＧの構成を示す模式図である。
【図３】従来の３ｄＢ交差ＡＷＧの透過バンド波形を示す波形図である。
【図４】本発明の一実施形態における階層構成の光合分波回路の３ｄＢ交差ＡＷＧの構成を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態における３ｄＢ交差ＡＷＧの透過バンド波形を示す波形図である。
【図６】本発明の一実施形態におけるＡＷＧを前段、２５ＧＨｚＡＷＧを後段とする階層構成光合分波回路から得られた１０８０チャネルの透過バンド波形を示す波形図である。
【符号の説明】
１  光ファイバ入射ポート
２  １入力で３出力の前段合分波回路
３−５  出射ポート
６−８  後段のアレイ導波路型回折格子（ＡＷＧ）
９−１１  後段ＡＷＧの透過バンド群
１２−１４  前段光合分波回路の透過バンド群
１５，１６  前段の隣接バンドが交差する地点
１７  ６−８の後段ＡＷＧから得られるバンド群を周波数軸上に並べた結果
１８，１９  前段の隣接バンドが交差する部分から得られるバンド
２０  入射用光導波路のテーパ導波路部
２１  テーパ導波路２０のモードフィールド
２２  ２０から出射する光の発散ビーム
２３  入射側スラブレンズ
２４  モードフィールド
２５  アレイ導波路
２６  アレイ導波路に損失を与える部分
２７  モードフィールド
２８  出射側スラブレンズ
２９  集光ビーム
３０  集光ビームのモードフィールド
３２，３３  隣接する出射用光導波路のテーパ導波路部
３４  入射光導波路のテーパ導波路部
３５  出射光のモードフィールド
３６  発散する光ビーム
３７  入射側のスラブレンズ
３８  モードフィールド
３９  アレイ導波路
４０  モードフィールド
４１  出射側のスラブレンズ
４２  集光する光ビーム
４３  集光ビームのモードフィールド
４４  出射用光導波路のテーパ導波路部
４５−４６  ４４に隣接する出射用光導波路のテーパ導波路部
４７  出射側テーパ導波路のモードフィールド
【図１】
0003754362.tif 000005
【図２】
0003754362.tif 000006
【図３】
0003754362.tif 000007
【図４】
0003754362.tif 000008
【図５】
0003754362.tif 000009
【図６】
0003754362.tif 000010