(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２本の光導波路と該２本の光導波路を複数Ｎ＋１箇所（Ｎは２以上の整数）の異なる位置で結合するＮ＋１個の光カップラとから構成される２入力２出力の光合分波素子を３個、２段に組み合わせることにより構成される異なる複数Ｍ波（Ｍは２以上の整数）の波長を合分波するための光合分波器であって、
１段目の１個の２入力２出力の光合分波素子の前記ＮをＮ＝３，２段目の並列２個の２入力２出力の光合分波素子の前記ＮをそれぞれＮ＝４とし、
前記２入力２出力の光合分波素子は、位相制御用の位相シフタを備えたマッハツェンダフィルタを複数個縦続接続したラティスフィルタであり、
前記２入力２出力の光合分波素子が前記光カップラの結合率と前記位相シフタの位相制御量とからなる回路パラメータを変えることにより振幅特性が同じでも異なる位相特性をもつことが可能であることを利用して、異なる位相特性をもつ複数個の前記２入力２出力の光合分波素子を組み合わせ、前記１段目の群遅延分散に対して前記２段目で逆特性の群遅延分散を与えることにより光合分波器の全てのチャンネルの群遅延分散を最小化し、
前記１段目の２入力２出力の光合分波素子の光路長差を４ΔＬ、４ΔＬ、２ΔＬ、前記２段目の２入力２出力の光合分波素子の光路長差を２ΔＬ、２ΔＬ、２ΔＬ、ΔＬ（ただし、ΔＬは周期周波数に対応する光路長差）にして、前記２入力２出力の光合分波素子の透過域／阻止域の透過特性を平坦化することにより、平坦な透過域／阻止域をもつようにした光合分波器において、
前記１段目の前記ラティスフィルタの位相シフタの位相制御量ψｎ（ｎは自然数であって各ラティスフィルタの入力ポートの順列番号）として、ψ１＝０×π，ψ２＝１×π，ψ３＝０×πを回路パラメータとして用い、前記２段目の一方の前記ラティスフィルタの位相シフタの位相制御量ψｎとして、ψ１＝０×π，ψ２＝１×π，ψ３＝１×π，ψ４＝０×πを回路パラメータとして用い、前記２段目の他方の前記ラティスフィルタの位相シフタの位相制御量ψｎとして、ψ１＝０×π，ψ２＝１×π，ψ３＝１×π，ψ４＝１×πを回路パラメータとして用い、かつ
前記１段目の前記ラティスフィルタの振幅結合の角度θｎ（ｎは自然数であって各ラティスフィルタの入力ポートの順列番号）として、θ１＝０．４６６４×π，θ２＝０．１５９１×π，θ３＝０．３７５５×π，θ４＝０．２５×πを回路パラメータとして用い、前記２段目の２個の前記ラティスフィルタの振幅結合の角度θｎとして、θ１＝０．４４０４×π，θ２＝０．０６９８×π，θ３＝０．１２９１×π，θ４＝０．３００６×π，θ５＝０．２５×πを回路パラメータとして用いたことを特徴とする光合分波器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信，光交換，光コンピューティング等の分野で使用される光合分波器に関し、特にマッハツェンダフィルタを多段縦続で構成したラティスフィルタを多段に構成した光合分波器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信，光交換，光コンピューティング等の分野、特に複数の波長の異なる光信号を多重化して通信する波長多重光通信の分野で、波長多重された信号光を異なる波長ごとに異なる出力ポートに分波する光分波器、あるいは、異なる波長が異なる入力ポートに入力されたときに１つの出力ポートに波長を多重化した光信号を出力する光合波器は重要な部品である。
【０００３】
このような要求に答えることのできる部品としては、アレイ導波路格子がある（参考文献１：H. Takahashi, S. Suzuki, and  I. Nishi, "Wavelength multiplexer based SiO2-Ta2O5 arryed-waveguide grating", J. Lightwave  Technol., vol.12, no.6, pp. 989-995, 1994）。アレイ導波路格子は１つの素子で非常に多くの信号を一括合分波できることから、波長多重通信に適したデバイスとして既に現用システムにも導入されている。
【０００４】
一方、１６波程度以下と扱える多重数は比較的少ないが、低損失で、しかも光合分波機能と併せてスイッチング機能も同時にもつ、高機能な光合分波器としては、マッハツェンダフィルタを組み合わせた光合分波器がある。
【０００５】
図３は４波を扱う従来の光分波器の構成を示す。各２入力２出力の光合分波素子としてマッハツェンダフィルタを用い、それを３個組み合わせている。入力ポートに近い第１段目のマッハツェンダフィルタ１０１の光路長差は２ΔＬ（Δは微小値を表わす）で、２段目の２個のマッハツェンダフィルタ１０２，１０３の光路長差はそれぞれΔＬである。周期波長は逆に、第１段目のマッハツェンダフィルタ１０１がΔλ、第２段目のマッハツェンダフィルタ１０２，１０３がそれぞれ２Δλである。２段目の２個のマッハツェンダフィルタ１０２，１０３は、その中心波長がΔλずらせてある。
【０００６】
本光分波器に入力された波長の異なる４波λ１，λ２，λ３，λ４は、第１段目のマッハツェンダフィルタ１０１により、λ１，λ３とλ２，λ４に分けられ、さらに２段目のマッハツェンダフィルタ１０２，１０３によりλ１，λ３，λ２，λ４にそれぞれ分けられる。また、それぞれのマッハツェンダフィルタの導波路上に設けた位相シフタ４１〜４３を駆動することにより、出力ポートに分波される波長を自由にスイッチングできる。
【０００７】
最近では、上記のようなマッハツェンダフィルタの代わりに、２段以上のマッハツェンダフィルタを縦続接続したラティスフィルタ（lattice filter）を用いて、波長平坦透過特性に優れた、より高機能な光合分波器が作られるようになってきている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなマッハツェンダフィルタを多段縦続接続したラティスフィルタを用いた光合分波器では、機能を向上させるためにはラティスフィルタの段数を大きくした方がよいが、その段数を増やすと群遅延分散が大きくなるという解決すべき課題が生じた。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、ラティスフィルタを２入力２出力の光合分波素子として用いたＭ入力Ｍ出力の高機能化な光合分波器において、ラティスフィルタの段数を増やした場合及び、組み合わせ段数を増やした場合に、光合分波器の合分波特性は変えずに、群遅延分散を最小化することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目標を達成するため、請求項１の発明は、２本の光導波路と該２本の光導波路を複数Ｎ＋１箇所（Ｎは２以上の整数）の異なる位置で結合するＮ＋１個の光カップラとから構成される２入力２出力の光合分波素子を３個、２段に組み合わせることにより構成される異なる複数Ｍ波（Ｍは２以上の整数）の波長を合分波するための光合分波器であって、１段目の１個の２入力２出力の光合分波素子の前記ＮをＮ＝３，２段目の並列２個の２入力２出力の光合分波素子の前記ＮをそれぞれＮ＝４とし、前記２入力２出力の光合分波素子は、位相制御用の位相シフタを備えたマッハツェンダフィルタを複数個縦続接続したラティスフィルタであり、前記２入力２出力の光合分波素子が前記光カップラの結合率と前記位相シフタの位相制御量とからなる回路パラメータを変えることにより振幅特性が同じでも異なる位相特性をもつことが可能であることを利用して、異なる位相特性をもつ複数個の前記２入力２出力の光合分波素子を組み合わせ、前記１段目の群遅延分散に対して前記２段目で逆特性の群遅延分散を与えることにより光合分波器の全てのチャンネルの群遅延分散を最小化し、前記１段目の２入力２出力の光合分波素子の光路長差を４ΔＬ、４ΔＬ、２ΔＬ、前記２段目の２入力２出力の光合分波素子の光路長差を２ΔＬ、２ΔＬ、２ΔＬ、ΔＬ（ただし、ΔＬは周期周波数に対応する光路長差）にして、前記２入力２出力の光合分波素子の透過域／阻止域の透過特性を平坦化することにより、平坦な透過域／阻止域をもつようにした光合分波器において、前記１段目の前記ラティスフィルタの位相シフタの位相制御量ψｎ（ｎは自然数であって各ラティスフィルタの入力ポートの順列番号）として、ψ１＝０×π，ψ２＝１×π，ψ３＝０×πを回路パラメータとして用い、前記２段目の一方の前記ラティスフィルタの位相シフタの位相制御量ψｎとして、ψ１＝０×π，ψ２＝１×π，ψ３＝１×π，ψ４＝０×πを回路パラメータとして用い、前記２段目の他方の前記ラティスフィルタの位相シフタの位相制御量ψｎとして、ψ１＝０×π，ψ２＝１×π，ψ３＝１×π，ψ４＝１×πを回路パラメータとして用い、かつ前記１段目の前記ラティスフィルタの振幅結合の角度θｎ（ｎは自然数であって各ラティスフィルタの入力ポートの順列番号）として、θ１＝０．４６６４×π，θ２＝０．１５９１×π，θ３＝０．３７５５×π，θ４＝０．２５×πを回路パラメータとして用い、前記２段目の２個の前記ラティスフィルタの振幅結合の角度θｎとして、θ１＝０．４４０４×π，θ２＝０．０６９８×π，θ３＝０．１２９１×π，θ４＝０．３００６×π，θ５＝０．２５×πを回路パラメータとして用いたことを特徴とする。
【００１５】
（作用）
光合分波素子として用いられる２入力２出力のラティスフィルタは、１つの振幅特性に対して複数の位相特性をもつことが知られている（参考文献２：K. Jinguji and M. Kawachi, "Synthesis of coherent two-port lattice-form optical delay-line circuit",  J. Lightwave Technol., vol. 13.  no. 1, pp. 73-82, 1995）。このことを利用して、本発明では、上記構成のように、振幅特性は同じで位相特性が異なる多段接続されたラティスフィルタの群遅延分散が逆特性となるように
組み合わせることにより、群遅延分散を打ち消すようにし、この結果、光合分波器の合分波特性は変えずに、位相の周波数に対する２回微分に対応する群遅延分散を改善し、多段ラティスフィルタ全体として群遅延分散を最小化することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１の（A）は本発明の第１の実施の形態における透過域／阻止域が波長平坦な４波の光合分波器の構成を示す。図１の（B）はその光合分波器の第１段目のラティスフィルタ１１１の相対光周波数に対する光強度透過率特性（破線）と群遅延分散特性（実線）を示し、図１の（C）はその光合分波器の第２段目のラティスフィルタ１１２、１１３の相対光周波数に対する光強度透過率特性（破線）と群遅延分散特性（実線）を示す。
本実施形態では、図１の（A）に示すように、入力ポート側の第１段目にはマッハツェンダフィルタを３段縦続接続して構成したラティスフィルタ１１１が、第２段目にはそれぞれマッハツェンダフィルタを４段縦続して構成したラティスフィルタ１１２，１１３が使用されている。また、本実施形態では、透過域／阻止域が波長平坦な特性を実現するために、第１段目のラティスフィルタ１１１の光路長差は４ΔＬ，４ΔＬ，２ΔＬ，第２段目のラティスフィルタ１１２，１１３の光路長差はそれぞれ２ΔＬ，２ΔＬ，２ΔＬ，ΔＬとした。
【００１８】
本光合分波器は石英系平面光波回路（参考文献３：M. Kawachi, "Silica waveguides on silicon and their application to integrated-optic components", Optical and Quantum Electronics. Vol. 22. pp. 391-416, 1990）により作製した。各マッハツェンダフィルタの光導波路の上にはそれぞれ位相シフタとして位相制御用のヒータ４１〜５１を形成した。本実施形態では、一例として、４波の各チャンネル間隔は１００ＧＨｚとした。
【００１９】
これに対応して、第１段目のラティスフィルタ１１１の周期周波数を１００ＧＨｚに、第２段のラティスフィルタ１１２、１１３の周期周波数をそれぞれ２００ＧＨｚとした。周期周波数で決まる光路長差ΔＬは１．０３ｍｍとした。
【００２０】
第２段目の２個の４段ラティスフィルタ１１２と１１３は、その中心周波数が互いに１００ＧＨｚ異なり、図１の（B）および（C）に示すように、各チャンネルの中心周波数（波長λ１，λ２，λ３，λ４）付近の透過特性が波長平坦化され、各チャンネルの中心周波数付近の群遅延分散が第１段目のラティスフィルタ１１１と逆特性になるように設計されている。
【００２１】
波長平坦特性を実現する方法は複数種類あるが、本実施形態では、図１の（B）および（C）に示すように、第１段目のラティスフィルタ１１１は最大平坦特性、第２段目のラティスフィルタ１１２、１１３はリップル（脈動）のあることが特徴であるチェビシェフ特性により、波長平坦化を実現した。
【００２２】
２段構成以上のラティスフィルタは、同じ回路構成で回路パラメータを変えることにより、透過特性が同じで、位相特性、言い換えれば、群遅延特性が異なるフィルタを設計することができる。本実施形態では、このラティスフィルタの回路パラメータは、方向性結合器２１〜３４の結合率と位相シフタ（位相制御用ヒータ）４１〜５１の位相制御量である。第１段目の３段構成のラティスフィルタ１１１の場合は、図１の（B）に示すような最大平坦特性をもち、群遅延分散特性が異なるフィルタは１６通りある。第２段目の４段構成のラティスフィルタ１１２、１１３の場合は、図１の（C）に示すようなチェビシェフ特性をもち、群遅延分散特性が異なるフィルタは２の１０乗通りある。
【００２３】
本実施形態では、後述の図２に示すように、各チャンネルの中心周波数（波長λ１，λ２，λ３，λ４）で群遅延分散が０になり、第１段目と第２段目のラティスフィルタの群遅延分散がチャンネル中心周波数付近で互いに逆な特性をもつように、第１段目のラティスフィルタ１１１の２個の出力ポートの特性が最小位相特性を、第２段目の２個のラティスフィルタ１１２、１１３の合計４個の出力ポートの特性が全て最大位相特性をもつように設計した。
【００２４】
ここで、ラティスフィルタの伝達関数ｚを
ｚ＝ｅｘｐ（ｊωΔτ）                …（１）
（ただし、ωは周波数、Δτは光路長差ΔＬに対応する単位遅延時間）
の多項式で表示した時、上記最小位相特性はそのフィルタの伝達関数ｚの零点が｜ｚ｜＝１の円内にあるフィルタ特性、上記最大位相特性はそのフィルタの伝達関数ｚの零点が｜ｚ｜＝１の円外にあるフィルタ特性と定義する。
【００２５】
図２は上述のようにして作製した本発明の第１の実施形態の光合分波器の光強度透過率と群遅延分散のチャンネル中心周波数付近での測定結果を示す。実線Aは本実施形態の群遅延分散、一点鎖線Bは参考のために作製した従来の光合分波器の群遅延分散を表わす。この従来の光合分波器は本実施形態のものと同じ回路構成であるが回路パラメータが異なる。
【００２６】
本発明の第１の実施形態で用いた回路パラメータの設計値と上記従来例で用いた回路パラメータの設計値を下記の表１に示す。表１において、θｎは方向性結合器２１〜３４の振幅結合の角度を表現し（パワー結合率はｓｉｎ2(θｎ）に対応)、ψｎは位相シフタ４１〜５１の位相制御量を表示し、ｎは各ラティスフィルタの入力ポートから順に番号付けを定義したものである。
【００２７】
【表１】
0003740357.tif 000002
【００２８】
本実施形態におけるの光合分波器の群遅延分散は、第１段目ラティスフィルタ１１１と第２段目の２個のラティスフィルタ１１２、１１３の群遅延分散がともに逆特性になるように、表１の（A）に示すように、回路パラメータの値が設計されているため、図２の実線Aに示すように、全てのチャンネルにおいて、チャンネル中心周波数（波長λ１，λ２，λ３，λ４）付近で６ＧＨｚ以上の周波数にわたって群遅延分散が最小化されている。
【００２９】
一方、従来の光合分波器では、群遅延分散の最小化を考慮しておらず、表１の（B）に示すように、ラティスフィルタの出力ポートの位相特性、言い換えれば、群遅延分散を適当に選んで回路パラメータの値を設計していた。そのため、回路全体の群遅延分散が大きな値をもってしまっていた。ここで、図２の一点鎖線Bに示した従来例は、全てのラティスフィルタが最大平坦特性及び最小位相特性をもつように設計したものである。
【００３０】
本実施形態では、上述のように、２段構成以上のラティスフィルタにおいて、その回路パラメータの設計値を変えることにより、透過特性が同じで、異なる群遅延特性のフィルタを設計することができることを利用して、前段の順特性の群遅延分散をもつラティスフィルタと後段の逆特性の群遅延分散をもつラティスフィルタとを組み合わせることにより、全てのチャンネルの群遅延分散を最小化した光合分波器が実現できた。
【００３１】
（他の実施形態）
上述した本発明の第１の実施形態では、第１段目のラティスフィルタ１１１の２個の出力ポートの特性が最小位相特性をもち、第２段目の２個のラティスフィルタ１１２、１１３の合計４個の全ての出力ポートの特性が最大位相特性をもつようにした。しかし、この組み合わせ以外に、例えば、第１段目のラティスフィルタ１１１の２個の出力ポートの特性をそれぞれ最小位相特性、及び最大位相特性にし、第２段目のそれぞれ対応するラティスフィルタ１１２、１１３の出力ポート特性を逆に最大位相特性及び最小位相特性をもたすようにして、全てのチャンネルに対して群遅延分散の最小化を行うこともできる。このように、本発明では、群遅延分散を最小化する組み合わせは、複数存在する。このため、本発明は上述した第１の実施形態のラティスフィルタの組み合わせ方のみに限定されず、本発明の目的を実現できる全ての組み合わせを含んでいる。
【００３２】
また、本発明の第１の実施形態では、ラティスフィルタを２段組み合わせて４波の光合分波器を実現したが、さらにその段数を大きくして、例えば、ラティスフィルタを３段組み合せで８波、ラティスフィルタを４段組み合わせで１６波の光合分波器を構成することも可能である。この際、３段８波の光合分波器の場合は、例えば、１段目と、２段及び３段目とを逆群遅延分散をもつラティスフィルタを用いて群遅延分散の最小化を行うことができる。また、４段１６波の光合分波器の場合は、例えば、１段目と、２段及び３段及び４段目とを逆群遅延分散をもつラティスフィルタを用いて群遅延分散の最小化を行うことができる。
【００３３】
以上、具体例としての実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明はこれら説明した実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
例えば、本発明の第１の実施形態では石英系の平面光回路を用いたが、半導体，ＬｉＮｂＯ3などの別の材料で平面光回路を形成することも可能である。また、平面光回路の代わりに光ファイバを用いて光遅延回路を作ることも可能である。
【００３５】
また、位相制御の方法として、本発明の第１の実施形態ではヒータ加熱による熱光学効果を利用したが、電気光学効果などの他の手法により、位相制御を行うことも可能である。
【００３６】
また、本発明の第１の実施形態では、光結合器として方向性結合器を用いたが、Multi-Mode-Interference（ＭＭＩ）カップラを用いることも可能である。
【００３７】
このように、本発明は、素子の組合せ方に関するものであり、その回路の物理的実現手段には拘束されない。本発明の第１の実施形態に示した回路パラメータは本発明の１つの例に過ぎず、本発明はこの値に限定されるものでもない。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、波長平坦化というような高機能特性をもつ光合分波器において、振幅特性は同じで位相特性が異なる多段接続されたラティスフィルタの群遅延分散が逆特性となるように組み合わせることにより、群遅延分散を打ち消すようにしているので、光合分波器の合分波特性は変えずに、位相の周波数に対する２回微分に対応する群遅延分散を改善し、多段ラティスフィルタ全体として群遅延分散を最小化することができる。
【００３９】
また、本発明の光合分波器は、アレイ導波路格子と組み合わせることにより、非常に扱える波長数が大きな光合分波器を構成することも可能である。
【００４０】
このように、本発明の光合分波器は、波長多重通信のキーデバイスとして、その応用範囲は非常に大きいと期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（A）は本発明の第１の実施の形態における透過域／阻止域が波長平坦な４波の光合分波器の回路構成を示す模式図、（B）はその光合分波器の第１段目のラティスフィルタの相対光周波数に対する光強度透過率特性（破線）と群遅延分散特性（実線）を示すグラフ、（C）はその光合分波器の第２段目のラティスフィルタの相対光周波数に対する光強度透過率特性（破線）と群遅延分散特性（実線）を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施形態の光合分波器と従来の光合分波器の光強度透過率と群遅延分散のチャンネル中心周波数付近での測定結果を示すグラフである。
【図３】従来のマッハツェンダフィルタの組み合わせによる光合分波器の回路構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
１１〜１４  光導波路
２１〜３４  光結合器
４１〜５１  位相シフタ
１０１  １段目のマッハツェンダフィルタ
１０２，１０３  ２段目のマッハツェンダフィルタ
１１１  １段目の３段構成ラティスフィルタ
１１２，１１３  ２段目の４段構成ラティスフィルタ
【図１】
0003740357.tif 000003
【図２】
0003740357.tif 000004
【図３】
0003740357.tif 000005