JP4076785B2 - 光学結合デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学波長カプラに関し、特に広帯域波長分割マルチプレクサとディマルチプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重化（ＷＤＭ）技術は、異なる波長の入力信号を組み合わせ（マルチプレクスし）、それらを同一のファイバ又は導波路に結合する。その結果得られた信号は、ＷＤＭ信号と称する。異なる波長の信号をＷＤＭ信号に多重化する光学デバイスは波長分割マルチプレクサと称し、一方ＷＤＭ信号を異なる波長の信号に分離するのを波長分割ディマルチプレクサと称する。用語「広帯域」とは、例えば１．３μｍの波長帯域内で１．２５μｍから１．３５μｍのような広いスペクトル範囲内で多重化された多重化信号を意味する。
【０００３】
複数の波長帯域からの入力手段を具備する低コスト広帯域波長分割マルチプレクサとディマルチプレクサは、ＷＤＭ通信システムにおいて双方向または２つの双方向送信器−受信器デバイスでアプリケーションがあり、そして異なる波長帯域を２つの伝搬方向の信号送信に用いている。これらは別の波長で容量を増やすための別の波長を追加するために用いられ、多くの他のアプリケーションで用いることができる。
【０００４】
一般的にコストを低減するための一つの方法は、広帯域波長分割マルチプレクサ又はディマルチプレクサのサイズを小さくすることである。別の方法は、レーザや光検出器のような他の光学デバイスをモノリシックに集積する広帯域波長分割マルチプレクサ／ディマルチプレクサを設計することである。モノリシックな集積化がコストをさげる理由は、製造及び保守コストが通常安くなるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
"Ｌｏｗ-Ｌｏｓｓ １Ｘ２ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＷｅｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ-Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ１．１１．Ｎｏ５，Ｍａｙ １９９９，ｐｐ．５７５-５７７，ｂｙ Ｌｉ ｅｔ ａｌ，の文献においては、シリコンベースのデバイスとモノリシックに集積することのできるマルチモード干渉（multi-mode（登録商標） interference：ＭＭＩ）原理を波長分割ディマルチプレクサに適用することを提案している。ＭＭＩ原理は、自己画像化原理（self-imaging principle）に基づいており、この原理では、ＭＭＩ導波路への入力信号は、ＭＭＩ導波路の伝搬方向に沿って周期的間隔で単一又は複数のイメージが再生される。ところが、このディマルチプレクサのＭＭＩ導波路の長さは約２６００μｍもある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、異なる波長帯域からの入力を有する広帯域波長分割マルチプレクサで用いられるＭＭＩ導波路の長さを２６００μｍよりも短くすることができる。
【０００７】
２６００μｍよりも短いデバイスでもって、同じ多重化／分離化を行なうことのできるマルチプレクサは、InGaAsP／InPとsilica on silicon等他の多くの材料で実現することができる。
【０００８】
本発明は、一つの波長帯域に対しては完全な多重化／分離化を行なうことができ、他の波長帯域に対しては少なくとも部分的な多重化／分離化を行なうことのできる小型の波長マルチプレクサ（多重化装置）／ディマルチプレクサ（分離化装置）である。部分的な多重化／分離化は重要なステップであるが、その理由は完全な多重化／分離化を行なうことのできるデバイスと比較すると、ＭＭＩの波長分割マルチプレクサ／ディマルチプレクサの寸法を大幅に減らすことができるからである。
【０００９】
本発明の一実施例は、異なる波長帯域からの２つの入力信号用の２個の入力導波路と、２つの入力信号からの出力ＷＤＭ信号を生成するＭＭＩ導波路と、出力ＷＤＭ信号を結合するＷＤＭ出力導波路とを有する広帯域波長分割マルチプレクサである。選択的事項として、出力用ＷＤＭ信号を生成するために結合されない全てのパワーあるいは一部のパワーをトラップするために少なくとも別の出力導波路を用いることができる。
【００１０】
本発明の他の実施例は、２個の波長帯域の入力ＷＤＭ信号の波長を分離する広帯域波長分割ディマルチプレクサである。本発明の広帯域波長分割ディマルチプレクサは、１個の入力導波路と、２個の出力信号を生成するＭＭＩ導波路と、２個の出力信号を与える２個の出力導波路とを有する。ＭＭＩ導波路は、２個の波長帯域の内の一方の波長帯域からのパワーを結合するが、他方の波長帯域からのパワーは結合せずに、一方の波長帯域において２個の出力信号のうちの一方の出力信号を生成する。
【００１１】
マルチプレクサ／ディマルチプレクサな動作は、同一のデバイス内で実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のマルチプレクサ半導体による構造を図１に示す。（同一のデバイスを明細書の後半部分では、ディマルチプレクサとして用いている）。マルチプレクサ１００は、低屈折率のクラッド材料１０１により包囲されている。マルチプレクサ１００は、入力導波路１０２，１０３とマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路１０４と、出力導波路１０５、１０６とを有する。出力導波路１０６は選択的（その有り無しを問わない）である。この構造においてクラッド材料は、ＩｎＰであり、マルチプレクサ１００のガイド層（導波路）の材料は、ＩｎＧａＡｓＰでバンドギャップは１．２μｍ（４元の１．２μｍ材料とも称する）である。
【００１３】
マルチプレクサ１００は、２つの入力信号から出力導波路１０５で出力用ＷＤＭ信号（図示せず）を生成し、２つの信号の内の信号１は、入力導波路１０２に加えられる波長１．３μｍの信号で、信号２は、入力導波路１０３に加えられる波長１．５５μｍの信号である。マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路は、長さＬｍと幅Ｗｇを有する。ＭＭＩ導波路の長さと幅は、それぞれ信号の伝搬方向と横断方向について測定したものである。マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の伝搬方向とは、ＭＭＩ導波路の入力側から出力側へ向かう方向であり、横断方向とは伝搬方向に直交する方向である。波長λについてＭＭＩ導波路の等価幅Ｗｅｑ（λ）は、ＭＭＩ導波路の幅Ｗｇに対応するが、周囲の材料への透過も考慮に入れている。
【００１４】
本発明によれば、入力導波路１０２，１０３は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路のそれぞれの近い側面から入力導波路の中心方向に向かってＷｅｑ／５だけ離れた位置にある。出力用ＷＤＭ信号の出力導波路１０５は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の上側（近い側面）から出力導波路１０５の中心方向に向かってＷｅｑ／５だけ離れた位置にある。選択的事項としての出力導波路１０６は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の図１において、下側（近い側面）から出力導波路１０６の中心即ちマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の外側の端部がマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の底部に伸び交差する点に向かって２Ｗｅｑ／５の場所にある。
【００１５】
この実施例においては、Ｗｇ＝６μｍ、Ｗｅｑ＝６．６μｍ、Ｌｍ＝４２０μｍ、である。Ｗｅｑは１．３μｍ光と１．５５μｍ光に対し得られた等価の幅Ｗｅｑの平均値である。このようなパラメータのマルチプレクサ１００は、信号１（１．３μｍ）の全パワーと、信号２（１．５５μｍ）の約７０％のパワーを結合して出力導波路１０５に出力用ＷＤＭ信号を生成する。言い換えると、信号１，２に対しマルチプレクサ１００の効率は、それぞれ１００％と７０％である。出力導波路１０６は、出力導波路１０５の端部方向に伸びて信号２（１．５５μｍ）の残りのパワー（３０％）を捕獲する。
【００１６】
２個の入力信号内の少なくとも一方の信号からの部分パワーを結合するマルチプレクサを設計する方法を図１のマルチプレクサを用いて次に説明する。この方法を図２に示す。ステップ２１０で、２個の波長帯域が選択される。例えば１．３μｍの帯域と１．５５μｍの帯域が選択される。ステップ２２０で、２個の入力信号、帯域１，２から信号１，２を選択する。２個の入力信号（信号１，２）は、２個の波長帯域（ステップ２１０から選択された波長帯域の別々の帯域からのもの）から選択される。例えば信号１，２は、それぞれの帯域から選択された波長１．３μｍと１．５５μｍの単一の波長信号である。（各入力信号は、選択された波長帯域の別々の帯域からのＷＤＭ信号でもある）。ステップ２３０において、ＭＭＩ導波路の幅Ｗｇが選択される。例えばＷｇは６μｍであるが、２個の入力導波路の幅を加えたものよりも大きな幅を有することも可能である。ステップ２４０において、ＭＭＩ導波路の入力側にある２個の入力導波路の最初の横方向の位置が選択される。例えば導波路入力導波路１０２，１０３は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路のそれぞれの近接側からＷｅｑ／５、すなわち１．３２μｍだけ離れた位置に配置される。ステップ２５０において、ＭＭＩ導波路の最初にシュミレーション長さが選択される。実際の長さがステップ２７０で決定される。例えば４２０μｍのシュミレーション長さが選択される。ステップ２６０において、ビーム伝搬シュミレーションが各入力信号に対し実行される。ビーム伝搬シュミレーション技術は、当技術分野において公知であり詳細な説明は割愛する。入力信号が波長帯域からのＷＤＭ信号である場合には、その波長帯域の平均波長がシュミレーションで用いられる。
【００１７】
この実施例においては、ビーム伝搬シュミレーションの結果を信号１（１．３μｍ）に対しては図３Ａに、信号２（１．５５μｍ）に対しては図３Ｂに示す。最後にステップ２７０において、２回のビーム伝搬シュミレーションの結果を調べて、ＭＭＩ導波路の実際の長さと出力導波路の横方向の位置を決定する。信号１，２からそれぞれの少なくとも第１と第２の所定の割合のパワーを含むＷＤＭ信号信号が生成される。その場所では基準を満たす出力用ＷＤＭ信号を生成することができないと見いだされた場合には、ＭＭＩ導波路のシュミレーション長さを増加させるか、あるいは各入力導波路の横方向の位置をシフトする。最後の２つのステップ２６０と２７０を繰り返す。
【００１８】
図３には、信号１，２に対するビーム伝搬シュミレーションの結果を示す。ｘ軸とｚ軸は、それぞれマルチモード干渉導波路の幅と長さを示す。各グレー（灰色）スポットは入力信号のパワーを表す。スポットが黒くなるとより大きなパワーが現れていることを示す。例えば図３Ｂにおいては、矢印３５０により示されたグレースポットは、矢印３６０で示されたグレースポットよりも多くのパワーを有する。ある長さの交差部分（ｚ軸方向）において、１個のグレースポットしか存在しない場合には、グレースポット（高いパワーゆえにきわめて暗く現れる）は、入力信号のパワーの１００％を表している。複数のグレースポットがある場合には、それぞれ入力信号の一部のパワーのみを表す。特定の場所でのグレースポットから出力導波路への光の結合効率を大まかに予測できる。上記の方法は出力導波路がそのスポットにおける光の全てのモードを搬送することが可能であるという仮定に基づいている。従来公知のモードとは、導波路に沿って伝搬する光の波に現われる安定したパターンであるが詳細な説明は割愛する。
【００１９】
出力導波路が一部のモードのみを搬送する場合には、出力ＷＤＭ信号のパワーは残りのモードのパワーにより低減する。より正確な予測値を得るためには、シュミレーションプログラムからデータを得て、グレースポットの全パワーとそのグレースポットにある光の各モードのパワーの値を得る。信号１，２の好ましい第１と第２の所定の結合効率は、それぞれ１００％と５０％である。他の選択、例えば両方に対し５０％とすることもこの方法で可能である。選択された位置が少なくとも入力信号からの部分的パワーを含むようなＷＤＭ信号を生成しなければならない。
【００２０】
この実施例においては、信号１，２のそれぞれに対する所定の第１と第２の結合効率は１００％と５０％である。図３Ａから４２０μｍの長さの点の断面（点線３１０で示す）においては、グレースポットは１個のみでありそれも左側にある。かくしてこのグレースポットは、信号１（１．３μｍ）からの全パワーを表し、その位置は出力導波路の候補位置である。信号２（１．５５μｍ）に対する図３Ｂの候補位置（点線３３０の左）を調べると、断面には複数のグレースポットがあるが、候補位置上のグレースポット（矢印３５０で示す）がもっとも高い強度を表している。その断面位置において、候補位置にあるグレースポットの強度と幅及び他のグレースポットを考慮すると、候補位置のグレースポットのパワーは、信号２のパワーの約７０％を表していると予測される。かくしてこの位置が各入力信号からの選択されたパワー範囲内のパワーを含む出力ＷＤＭ信号を生成し（ステップ２３０）、かくして出力導波路の配置場所として選択される。出力導波路の中心を見いだすために、２回のシュミレーションの結果を重ね合わせ、信号１に対する選択されたグレースポットの重なり合った領域の中心と、信号２に対するそれとの位置を見いだす。
【００２１】
この実施例においては、中心はＭＭＩ導波路の左側からＷｅｑ／５、すなわち１．３μｍの場所にあることが分かる。この方法を繰り返す。この実施例において、結果として得られた選択された初期のシュミレーション長さは、ＭＭＩ導波路の実際の長さである。他の場合には、所望の結合効率を満足する位置が見いだされない場合には、ＭＭＩ導波路のシュミレーション長さを増加させて、ステップ２６０と２７０を繰り返す。このプロセスは選択された結合効率に合う位置が見いだされるまで繰り返される。
【００２２】
同様にこの実施例においては、出力導波路１０６の位置はマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の他の側から２Ｗｅｑ／５、すなわち２．６４μｍの位置にある。この位置は残りのパワーの拡散の中心点である。複数の出力導波路を用いて、一方の信号、あるいは両方の信号の残りのパワーを捕獲することもできる。本発明の原理は、３個以上の波長帯域からの信号を有する３本以上の入力導波路にまで拡張することもできる。矩形以外の形状、例えばパラボラ形状、円形形状等のＭＭＩ導波路にまで本発明の原理を拡張することができる。
【００２３】
上記に説明した方法を用いて、出力ＷＤＭ信号を生成するために他の多くの点を選択することができる。例えば信号２（１．５５μｍ）からの全パワーと、信号１（１．３μｍ）からの部分パワーが出力ＷＤＭ信号で必要とされる場合には、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路１０４は、図３Ｂに示すように約３６０μｍである。その理由は、信号２に対するその断面では１個のグレーポイントのみ（点線３４０で示す）があり、図３Ａの同じ場所（点線３２０の右側）には信号１に対し高い強度のグレースポットがあるからである。かくして信号１の部分パワーと信号２からの全パワーが結合されて、その位置において必要とされる出力ＷＤＭ信号が生成され、次に出力ＷＤＭ信号が出力導波路１０６で生成される。この場合信号１の残りのパワーの一部が出力導波路１０５でトラップされる。
【００２４】
本発明の他の利点は入力信号は単一波長かあるいはＷＤＭ信号のいずれかとなりうる点である。入力信号は、波長が同一の波長帯域からのものである限りＷＤＭ信号である。図４は２個の波長帯域１．３μｍと１．５５μｍの内の別々の波長帯域からの２個のＷＤＭ信号をマルチプレクサ１００がサポートできることを示すが、その理由は、伝送レベルがこれは２つの波長帯域ではきわめてフラットだからである。さらにまた入力点あるいは出力点における多重化信号は、基本モード信号であり、より高次元のモード（マルチモード信号）を含む。
【００２５】
上記したように図１のマルチプレクサは、ディマルチプレクサとしても用いることができる。図５は、同一のデバイスをディマルチプレクサとマルチプレクサの両方として用いている図である。図５（ａ）に示すように、ディマルチプレクサとして用いられるデバイス５００の入力信号が入力導波路５０３に印加される。図５（ａ）において入力信号は、２個の異なる波長帯域からの波長λ１とλ２のＷＤＭ信号である。デバイスをディマルチプレクサとして用いる場合には、入力導波路５０２の使用は選択的であり、実際にはデバイスに含める必要はない。ディマルチプレクサとして用いたデバイス５００は、２個の出力信号を生成し、一方の出力信号は出力導波路５０５の単一の帯域幅（λ２）の信号であり、他方の出力信号は出力導波路５０６の両方の波長帯域（λ１とλ２）のものである。図５（ａ）において、入力ＷＤＭ信号の波長λ２からのパワーのｙ％と、入力ＷＤＭ信号の波長λ１のゼロのパワーが出力導波路５０５で生成される出力信号に寄与し、ＷＤＭ信号の波長λ１からのパワーのｘ％と入力ＷＤＭ信号の波長λ２からのパワーの（１００−ｙ）％が出力導波路５０６で生成される出力信号に寄与する。
【００２６】
従来のスプリッタとは異なり、本発明のディマルチプレクサは、入力ＷＤＭ信号の全波長からパワーの一部を抽出することはない。かくして本発明のディマルチプレクサは、光学ネットワークのあるノードにおける入力ＷＤＭ信号の特定の波長により搬送されるマルチキャストメッセージを抽出するのに用いることができ、同時にまた別の多重化ステップを介して流れることなく同一のＷＤＭ信号により下流側ノードにマルチキャストメッセージを流すこともできる。本発明の原理は３個以上の波長帯域幅の入力ＷＤＭ信号にも拡張可能である。
【００２７】
図５（ｂ）は、同一のデバイスをマルチプレクサとして用いた場合を示している。同図において、それぞれ波長λ１，λ２の２個の入力信号が、入力導波路５０２と５０３に加えられる。デバイス５００がマルチプレクサとして用いられた場合には、ＭＭＩ導波路５０４は、２個の出力信号をそれぞれ出力導波路５０５と５０６に生成する。出力導波路５０５で生成された出力信号は、波長λ１の入力信号からのｘ％のパワーと、波長λ２の入力信号からのｙ％のパワーを有する。出力導波路５０６で生成された他の出力信号は、それぞれの入力信号λ１とλ２から（１００−ｘ）％のパワーと、（１００−ｙ）％のパワーを有する。
【００２８】
図５に示したディマルチプレクサを設計するためには、まず波長λ１とλ２の入力信号に対しそれぞれの最小結合効率と最大結合効率を選択するために、割合（パーセンテージ）ｘとｙを用いて図２に説明した方法に従って図５（ｂ）のマルチプレクサを設計する。その設計方法は前述したとおりでここでは繰り返さない。
【００２９】
本明細書に開示した以外の広帯域ＭＭＩ光学マルチプレクサ／ディマルチプレクサを、本発明を用いて実行することができる。様々な変形例が可能である。例えば図１において、マルチプレクサのガイド層に用いられる材料系は半導体化合物（例えばＩｎＰ、ＧａＡｓ、三元化合物半導体、四元化合物半導体、例えばＩｎＧａＡｓＰ五元半導体化合物、例えばＩｎＧａＡｓＰＮ）、プラスチック材料、ガラス（シリカ、シリコン、窒化シリコン）、セラミックス、三次元の帯域ギャップ材料、あるいは他の多くの材料で形成することができる。クラッド層の材料は屈折率がガイド層の屈折率よりも低い限り、どのような材料も用いることができる。ＭＭＩ導波路に対する入力ガイドと出力ガイドの部分は、上記の説明とは異なってもよい。上記の説明は本発明の一実施例であり当業者は上記の記載に基づいて様々な変形例を実行することができる。特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易なる理解のためで、権利範囲の解釈に用いるべきではない。
【００３０】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による広帯域波長分割マルチプレクサ／ディマルチプレクサの断面図。
【図２】本発明による広帯域波長分割マルチプレクサを設計する方法を表すフローチャート図。
【図３】図１の広帯域波長分割マルチプレクサのビーム伝搬シュミレーションの結果を表す図。
【図４】図１の広帯域波長分割マルチプレクサの各入力導波路からの入力信号の相対的出力パワーを表す図。
【図５】同一のデバイスを広帯域波長分割ディマルチプレクサとマルチプレクサとして２個の出力ポート間の信号パワーの分布を表さ図。
【符号の説明】
１００ マルチプレクサ
１０１ クラッド材料
１０２、１０３ 入力導波路
１０４ マルチ−モード干渉（ＭＭＩ導波路）
１０５、１０６ 出力導波路
２１０ ２個の波長帯域、帯域１，２を選択する
２２０ ２個の入力信号、帯域１、２から信号１，２を選択する
２３０ ＭＭＩ導波路の幅を選択する
２４０ 入力信号用の各入力導波路に対しＭＭＩ導波路の入力側の最初の横位置を選択する
２５０ ＭＭＩ導波路用の最初の長さを選択する
２６０ 各入力信号に対するビーム伝搬シュミレーションを実行する
２７０ 出力導波路の位置とＭＭＩ導波路の長さを決定するためにビーム伝搬シュミレーションの結果を調べる。出力ＷＤＭ信号は信号１と２に対しそれぞれ少なくとも第１と第２の所定の結合効率を含み、１個の入力信号の結合効率は１００％未満であり、出力ＷＤＭ信号を生成する位置が見いだされない場合には各入力導波路の最初の長さ／又は側面位置のシフトを増加させる。そして最後の２個のステップを繰り返す。
５００ デバイス
５０２、５０３ 入力導波路
５０５，５０６ 出力導波路
５０４ ＭＭＩ導波路
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学波長カプラに関し、特に広帯域波長分割マルチプレクサとディマルチプレクサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重化（ＷＤＭ）技術は、異なる波長の入力信号を組み合わせ（マルチプレクスし）、それらを同一のファイバ又は導波路に結合する。その結果得られた信号は、ＷＤＭ信号と称する。異なる波長の信号をＷＤＭ信号に多重化する光学デバイスは波長分割マルチプレクサと称し、一方ＷＤＭ信号を異なる波長の信号に分離するのを波長分割ディマルチプレクサと称する。用語「広帯域」とは、例えば１．３μｍの波長帯域内で１．２５μｍから１．３５μｍのような広いスペクトル範囲内で多重化された多重化信号を意味する。
【０００３】
複数の波長帯域からの入力手段を具備する低コスト広帯域波長分割マルチプレクサとディマルチプレクサは、ＷＤＭ通信システムにおいて双方向または２つの双方向送信器−受信器デバイスでアプリケーションがあり、そして異なる波長帯域を２つの伝搬方向の信号送信に用いている。これらは別の波長で容量を増やすための別の波長を追加するために用いられ、多くの他のアプリケーションで用いることができる。
【０００４】
一般的にコストを低減するための一つの方法は、広帯域波長分割マルチプレクサ又はディマルチプレクサのサイズを小さくすることである。別の方法は、レーザや光検出器のような他の光学デバイスをモノリシックに集積する広帯域波長分割マルチプレクサ／ディマルチプレクサを設計することである。モノリシックな集積化がコストをさげる理由は、製造及び保守コストが通常安くなるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
"Ｌｏｗ-Ｌｏｓｓ １Ｘ２ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅＷｅｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｉｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ-Ｇｅｒｍａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ"，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ１．１１．Ｎｏ５，Ｍａｙ １９９９，ｐｐ．５７５-５７７，ｂｙ Ｌｉ ｅｔ ａｌ，の文献においては、シリコンベースのデバイスとモノリシックに集積することのできるマルチモード干渉（multi-mode（登録商標） interference：ＭＭＩ）原理を波長分割ディマルチプレクサに適用することを提案している。ＭＭＩ原理は、自己画像化原理（self-imaging principle）に基づいており、この原理では、ＭＭＩ導波路への入力信号は、ＭＭＩ導波路の伝搬方向に沿って周期的間隔で単一又は複数のイメージが再生される。ところが、このディマルチプレクサのＭＭＩ導波路の長さは約２６００μｍもある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、異なる波長帯域からの入力を有する広帯域波長分割マルチプレクサで用いられるＭＭＩ導波路の長さを２６００μｍよりも短くすることができる。
【０００７】
２６００μｍよりも短いデバイスでもって、同じ多重化／分離化を行なうことのできるマルチプレクサは、InGaAsP／InPとsilica on silicon等他の多くの材料で実現することができる。
【０００８】
本発明は、一つの波長帯域に対しては完全な多重化／分離化を行なうことができ、他の波長帯域に対しては少なくとも部分的な多重化／分離化を行なうことのできる小型の波長マルチプレクサ（多重化装置）／ディマルチプレクサ（分離化装置）である。部分的な多重化／分離化は重要なステップであるが、その理由は完全な多重化／分離化を行なうことのできるデバイスと比較すると、ＭＭＩの波長分割マルチプレクサ／ディマルチプレクサの寸法を大幅に減らすことができるからである。
【０００９】
本発明の一実施例は、異なる波長帯域からの２つの入力信号用の２個の入力導波路と、２つの入力信号からの出力ＷＤＭ信号を生成するＭＭＩ導波路と、出力ＷＤＭ信号を結合するＷＤＭ出力導波路とを有する広帯域波長分割マルチプレクサである。選択的事項として、出力用ＷＤＭ信号を生成するために結合されない全てのパワーあるいは一部のパワーをトラップするために少なくとも別の出力導波路を用いることができる。
【００１０】
本発明の他の実施例は、２個の波長帯域の入力ＷＤＭ信号の波長を分離する広帯域波長分割ディマルチプレクサである。本発明の広帯域波長分割ディマルチプレクサは、１個の入力導波路と、２個の出力信号を生成するＭＭＩ導波路と、２個の出力信号を与える２個の出力導波路とを有する。ＭＭＩ導波路は、２個の波長帯域の内の一方の波長帯域からのパワーを結合するが、他方の波長帯域からのパワーは結合せずに、一方の波長帯域において２個の出力信号のうちの一方の出力信号を生成する。
【００１１】
マルチプレクサ／ディマルチプレクサな動作は、同一のデバイス内で実現することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明のマルチプレクサ半導体による構造を図１に示す。（同一のデバイスを明細書の後半部分では、ディマルチプレクサとして用いている）。マルチプレクサ１００は、低屈折率のクラッド材料１０１により包囲されている。マルチプレクサ１００は、入力導波路１０２，１０３とマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路１０４と、出力導波路１０５、１０６とを有する。出力導波路１０６は選択的（その有り無しを問わない）である。この構造においてクラッド材料は、ＩｎＰであり、マルチプレクサ１００のガイド層（導波路）の材料は、ＩｎＧａＡｓＰでバンドギャップは１．２μｍ（４元の１．２μｍ材料とも称する）である。
【００１３】
マルチプレクサ１００は、２つの入力信号から出力導波路１０５で出力用ＷＤＭ信号（図示せず）を生成し、２つの信号の内の信号１は、入力導波路１０２に加えられる波長１．３μｍの信号で、信号２は、入力導波路１０３に加えられる波長１．５５μｍの信号である。マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路は、長さＬｍと幅Ｗｇを有する。ＭＭＩ導波路の長さと幅は、それぞれ信号の伝搬方向と横断方向について測定したものである。マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の伝搬方向とは、ＭＭＩ導波路の入力側から出力側へ向かう方向であり、横断方向とは伝搬方向に直交する方向である。波長λについてＭＭＩ導波路の等価幅Ｗｅｑ（λ）は、ＭＭＩ導波路の幅Ｗｇに対応するが、周囲の材料への透過も考慮に入れている。
【００１４】
本発明によれば、入力導波路１０２，１０３は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路のそれぞれの近い側面から入力導波路の中心方向に向かってＷｅｑ／５だけ離れた位置にある。出力用ＷＤＭ信号の出力導波路１０５は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の上側（近い側面）から出力導波路１０５の中心方向に向かってＷｅｑ／５だけ離れた位置にある。選択的事項としての出力導波路１０６は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の図１において、下側（近い側面）から出力導波路１０６の中心即ちマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の外側の端部がマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の底部に伸び交差する点に向かって２Ｗｅｑ／５の場所にある。
【００１５】
この実施例においては、Ｗｇ＝６μｍ、Ｗｅｑ＝６．６μｍ、Ｌｍ＝４２０μｍ、である。Ｗｅｑは１．３μｍ光と１．５５μｍ光に対し得られた等価の幅Ｗｅｑの平均値である。このようなパラメータのマルチプレクサ１００は、信号１（１．３μｍ）の全パワーと、信号２（１．５５μｍ）の約７０％のパワーを結合して出力導波路１０５に出力用ＷＤＭ信号を生成する。言い換えると、信号１，２に対しマルチプレクサ１００の効率は、それぞれ１００％と７０％である。出力導波路１０６は、出力導波路１０５の端部方向に伸びて信号２（１．５５μｍ）の残りのパワー（３０％）を捕獲する。
【００１６】
２個の入力信号内の少なくとも一方の信号からの部分パワーを結合するマルチプレクサを設計する方法を図１のマルチプレクサを用いて次に説明する。この方法を図２に示す。ステップ２１０で、２個の波長帯域が選択される。例えば１．３μｍの帯域と１．５５μｍの帯域が選択される。ステップ２２０で、２個の入力信号、帯域１，２から信号１，２を選択する。２個の入力信号（信号１，２）は、２個の波長帯域（ステップ２１０から選択された波長帯域の別々の帯域からのもの）から選択される。例えば信号１，２は、それぞれの帯域から選択された波長１．３μｍと１．５５μｍの単一の波長信号である。（各入力信号は、選択された波長帯域の別々の帯域からのＷＤＭ信号でもある）。ステップ２３０において、ＭＭＩ導波路の幅Ｗｇが選択される。例えばＷｇは６μｍであるが、２個の入力導波路の幅を加えたものよりも大きな幅を有することも可能である。ステップ２４０において、ＭＭＩ導波路の入力側にある２個の入力導波路の最初の横方向の位置が選択される。例えば導波路入力導波路１０２，１０３は、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路のそれぞれの近接側からＷｅｑ／５、すなわち１．３２μｍだけ離れた位置に配置される。ステップ２５０において、ＭＭＩ導波路の最初にシュミレーション長さが選択される。実際の長さがステップ２７０で決定される。例えば４２０μｍのシュミレーション長さが選択される。ステップ２６０において、ビーム伝搬シュミレーションが各入力信号に対し実行される。ビーム伝搬シュミレーション技術は、当技術分野において公知であり詳細な説明は割愛する。入力信号が波長帯域からのＷＤＭ信号である場合には、その波長帯域の平均波長がシュミレーションで用いられる。
【００１７】
この実施例においては、ビーム伝搬シュミレーションの結果を信号１（１．３μｍ）に対しては図３Ａに、信号２（１．５５μｍ）に対しては図３Ｂに示す。最後にステップ２７０において、２回のビーム伝搬シュミレーションの結果を調べて、ＭＭＩ導波路の実際の長さと出力導波路の横方向の位置を決定する。信号１，２からそれぞれの少なくとも第１と第２の所定の割合のパワーを含むＷＤＭ信号信号が生成される。その場所では基準を満たす出力用ＷＤＭ信号を生成することができないと見いだされた場合には、ＭＭＩ導波路のシュミレーション長さを増加させるか、あるいは各入力導波路の横方向の位置をシフトする。最後の２つのステップ２６０と２７０を繰り返す。
【００１８】
図３には、信号１，２に対するビーム伝搬シュミレーションの結果を示す。ｘ軸とｚ軸は、それぞれマルチモード干渉導波路の幅と長さを示す。各グレー（灰色）スポットは入力信号のパワーを表す。スポットが黒くなるとより大きなパワーが現れていることを示す。例えば図３Ｂにおいては、矢印３５０により示されたグレースポットは、矢印３６０で示されたグレースポットよりも多くのパワーを有する。ある長さの交差部分（ｚ軸方向）において、１個のグレースポットしか存在しない場合には、グレースポット（高いパワーゆえにきわめて暗く現れる）は、入力信号のパワーの１００％を表している。複数のグレースポットがある場合には、それぞれ入力信号の一部のパワーのみを表す。特定の場所でのグレースポットから出力導波路への光の結合効率を大まかに予測できる。上記の方法は出力導波路がそのスポットにおける光の全てのモードを搬送することが可能であるという仮定に基づいている。従来公知のモードとは、導波路に沿って伝搬する光の波に現われる安定したパターンであるが詳細な説明は割愛する。
【００１９】
出力導波路が一部のモードのみを搬送する場合には、出力ＷＤＭ信号のパワーは残りのモードのパワーにより低減する。より正確な予測値を得るためには、シュミレーションプログラムからデータを得て、グレースポットの全パワーとそのグレースポットにある光の各モードのパワーの値を得る。信号１，２の好ましい第１と第２の所定の結合効率は、それぞれ１００％と５０％である。他の選択、例えば両方に対し５０％とすることもこの方法で可能である。選択された位置が少なくとも入力信号からの部分的パワーを含むようなＷＤＭ信号を生成しなければならない。
【００２０】
この実施例においては、信号１，２のそれぞれに対する所定の第１と第２の結合効率は１００％と５０％である。図３Ａから４２０μｍの長さの点の断面（点線３１０で示す）においては、グレースポットは１個のみでありそれも左側にある。かくしてこのグレースポットは、信号１（１．３μｍ）からの全パワーを表し、その位置は出力導波路の候補位置である。信号２（１．５５μｍ）に対する図３Ｂの候補位置（点線３３０の左）を調べると、断面には複数のグレースポットがあるが、候補位置上のグレースポット（矢印３５０で示す）がもっとも高い強度を表している。その断面位置において、候補位置にあるグレースポットの強度と幅及び他のグレースポットを考慮すると、候補位置のグレースポットのパワーは、信号２のパワーの約７０％を表していると予測される。かくしてこの位置が各入力信号からの選択されたパワー範囲内のパワーを含む出力ＷＤＭ信号を生成し（ステップ２３０）、かくして出力導波路の配置場所として選択される。出力導波路の中心を見いだすために、２回のシュミレーションの結果を重ね合わせ、信号１に対する選択されたグレースポットの重なり合った領域の中心と、信号２に対するそれとの位置を見いだす。
【００２１】
この実施例においては、中心はＭＭＩ導波路の左側からＷｅｑ／５、すなわち１．３μｍの場所にあることが分かる。この方法を繰り返す。この実施例において、結果として得られた選択された初期のシュミレーション長さは、ＭＭＩ導波路の実際の長さである。他の場合には、所望の結合効率を満足する位置が見いだされない場合には、ＭＭＩ導波路のシュミレーション長さを増加させて、ステップ２６０と２７０を繰り返す。このプロセスは選択された結合効率に合う位置が見いだされるまで繰り返される。
【００２２】
同様にこの実施例においては、出力導波路１０６の位置はマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路の他の側から２Ｗｅｑ／５、すなわち２．６４μｍの位置にある。この位置は残りのパワーの拡散の中心点である。複数の出力導波路を用いて、一方の信号、あるいは両方の信号の残りのパワーを捕獲することもできる。本発明の原理は、３個以上の波長帯域からの信号を有する３本以上の入力導波路にまで拡張することもできる。矩形以外の形状、例えばパラボラ形状、円形形状等のＭＭＩ導波路にまで本発明の原理を拡張することができる。
【００２３】
上記に説明した方法を用いて、出力ＷＤＭ信号を生成するために他の多くの点を選択することができる。例えば信号２（１．５５μｍ）からの全パワーと、信号１（１．３μｍ）からの部分パワーが出力ＷＤＭ信号で必要とされる場合には、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路１０４は、図３Ｂに示すように約３６０μｍである。その理由は、信号２に対するその断面では１個のグレーポイントのみ（点線３４０で示す）があり、図３Ａの同じ場所（点線３２０の右側）には信号１に対し高い強度のグレースポットがあるからである。かくして信号１の部分パワーと信号２からの全パワーが結合されて、その位置において必要とされる出力ＷＤＭ信号が生成され、次に出力ＷＤＭ信号が出力導波路１０６で生成される。この場合信号１の残りのパワーの一部が出力導波路１０５でトラップされる。
【００２４】
本発明の他の利点は入力信号は単一波長かあるいはＷＤＭ信号のいずれかとなりうる点である。入力信号は、波長が同一の波長帯域からのものである限りＷＤＭ信号である。図４は２個の波長帯域１．３μｍと１．５５μｍの内の別々の波長帯域からの２個のＷＤＭ信号をマルチプレクサ１００がサポートできることを示すが、その理由は、伝送レベルがこれは２つの波長帯域ではきわめてフラットだからである。さらにまた入力点あるいは出力点における多重化信号は、基本モード信号であり、より高次元のモード（マルチモード信号）を含む。
【００２５】
上記したように図１のマルチプレクサは、ディマルチプレクサとしても用いることができる。図５は、同一のデバイスをディマルチプレクサとマルチプレクサの両方として用いている図である。図５（ａ）に示すように、ディマルチプレクサとして用いられるデバイス５００の入力信号が入力導波路５０３に印加される。図５（ａ）において入力信号は、２個の異なる波長帯域からの波長λ１とλ２のＷＤＭ信号である。デバイスをディマルチプレクサとして用いる場合には、入力導波路５０２の使用は選択的であり、実際にはデバイスに含める必要はない。ディマルチプレクサとして用いたデバイス５００は、２個の出力信号を生成し、一方の出力信号は出力導波路５０５の単一の帯域幅（λ２）の信号であり、他方の出力信号は出力導波路５０６の両方の波長帯域（λ１とλ２）のものである。図５（ａ）において、入力ＷＤＭ信号の波長λ２からのパワーのｙ％と、入力ＷＤＭ信号の波長λ１のゼロのパワーが出力導波路５０５で生成される出力信号に寄与し、ＷＤＭ信号の波長λ１からのパワーのｘ％と入力ＷＤＭ信号の波長λ２からのパワーの（１００−ｙ）％が出力導波路５０６で生成される出力信号に寄与する。
【００２６】
従来のスプリッタとは異なり、本発明のディマルチプレクサは、入力ＷＤＭ信号の全波長からパワーの一部を抽出することはない。かくして本発明のディマルチプレクサは、光学ネットワークのあるノードにおける入力ＷＤＭ信号の特定の波長により搬送されるマルチキャストメッセージを抽出するのに用いることができ、同時にまた別の多重化ステップを介して流れることなく同一のＷＤＭ信号により下流側ノードにマルチキャストメッセージを流すこともできる。本発明の原理は３個以上の波長帯域幅の入力ＷＤＭ信号にも拡張可能である。
【００２７】
図５（ｂ）は、同一のデバイスをマルチプレクサとして用いた場合を示している。同図において、それぞれ波長λ１，λ２の２個の入力信号が、入力導波路５０２と５０３に加えられる。デバイス５００がマルチプレクサとして用いられた場合には、ＭＭＩ導波路５０４は、２個の出力信号をそれぞれ出力導波路５０５と５０６に生成する。出力導波路５０５で生成された出力信号は、波長λ１の入力信号からのｘ％のパワーと、波長λ２の入力信号からのｙ％のパワーを有する。出力導波路５０６で生成された他の出力信号は、それぞれの入力信号λ１とλ２から（１００−ｘ）％のパワーと、（１００−ｙ）％のパワーを有する。
【００２８】
図５に示したディマルチプレクサを設計するためには、まず波長λ１とλ２の入力信号に対しそれぞれの最小結合効率と最大結合効率を選択するために、割合（パーセンテージ）ｘとｙを用いて図２に説明した方法に従って図５（ｂ）のマルチプレクサを設計する。その設計方法は前述したとおりでここでは繰り返さない。
【００２９】
本明細書に開示した以外の広帯域ＭＭＩ光学マルチプレクサ／ディマルチプレクサを、本発明を用いて実行することができる。様々な変形例が可能である。例えば図１において、マルチプレクサのガイド層に用いられる材料系は半導体化合物（例えばＩｎＰ、ＧａＡｓ、三元化合物半導体、四元化合物半導体、例えばＩｎＧａＡｓＰ五元半導体化合物、例えばＩｎＧａＡｓＰＮ）、プラスチック材料、ガラス（シリカ、シリコン、窒化シリコン）、セラミックス、三次元の帯域ギャップ材料、あるいは他の多くの材料で形成することができる。クラッド層の材料は屈折率がガイド層の屈折率よりも低い限り、どのような材料も用いることができる。ＭＭＩ導波路に対する入力ガイドと出力ガイドの部分は、上記の説明とは異なってもよい。上記の説明は本発明の一実施例であり当業者は上記の記載に基づいて様々な変形例を実行することができる。特許請求の範囲に記載した参照番号は発明の容易なる理解のためで、権利範囲の解釈に用いるべきではない。
【００３０】
特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号がある場合は、本発明の一実施例の対応関係を示すものであって、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による広帯域波長分割マルチプレクサ／ディマルチプレクサの断面図。
【図２】本発明による広帯域波長分割マルチプレクサを設計する方法を表すフローチャート図。
【図３】図１の広帯域波長分割マルチプレクサのビーム伝搬シュミレーションの結果を表す図。
【図４】図１の広帯域波長分割マルチプレクサの各入力導波路からの入力信号の相対的出力パワーを表す図。
【図５】同一のデバイスを広帯域波長分割ディマルチプレクサとマルチプレクサとして２個の出力ポート間の信号パワーの分布を表さ図。
【符号の説明】
１００ マルチプレクサ
１０１ クラッド材料
１０２、１０３ 入力導波路
１０４ マルチ−モード干渉（ＭＭＩ導波路）
１０５、１０６ 出力導波路
２１０ ２個の波長帯域、帯域１，２を選択する
２２０ ２個の入力信号、帯域１、２から信号１，２を選択する
２３０ ＭＭＩ導波路の幅を選択する
２４０ 入力信号用の各入力導波路に対しＭＭＩ導波路の入力側の最初の横位置を選択する
２５０ ＭＭＩ導波路用の最初の長さを選択する
２６０ 各入力信号に対するビーム伝搬シュミレーションを実行する
２７０ 出力導波路の位置とＭＭＩ導波路の長さを決定するためにビーム伝搬シュミレーションの結果を調べる。出力ＷＤＭ信号は信号１と２に対しそれぞれ少なくとも第１と第２の所定の結合効率を含み、１個の入力信号の結合効率は１００％未満であり、出力ＷＤＭ信号を生成する位置が見いだされない場合には各入力導波路の最初の長さ／又は側面位置のシフトを増加させる。そして最後の２個のステップを繰り返す。
５００ デバイス
５０２、５０３ 入力導波路
５０５，５０６ 出力導波路
５０４ ＭＭＩ導波路
Claims (6)
- 第１波長帯域からの第１入力信号と第２波長帯域からの第２入力信号とを結合する光学結合デバイスにおいて、
（ａ） 入力側と出力側とを有するマルチモード干渉導波路と、
（ｂ） 前記マルチモード干渉導波路の入力側に接続された、それぞれの入力信号に対する第１と第２の入力導波路と、
（ｃ） 前記マルチモード干渉導波路の出力側に接続された第１の出力導波路と
を有し、
前記マルチモード干渉導波路は、第１出力導波路において出力波長分割多重化（ＷＤＭ）信号を生成し、
前記出力ＷＤＭ信号は、実質的に前記第１入力信号の全パワーと、前記第２入力信号のパワーの一部のみとを含むことを特徴とする光学結合デバイス。 - 前記出力ＷＤＭ信号を生成するために結合されなかった、前記第２入力信号の一部のパワーをトラップする第２の出力導波路をさらに有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
- 前記第１入力信号は単一波長の信号であり、前記第２入力信号はＷＤＭ信号であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
- 前記マルチモード干渉導波路は矩形形状であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
- 前記第1入力信号の中心波長は１．３μｍであり、前記第１の入力導波路、前記第２の入力導波路及び前記第1の出力導波路の位置は、前記マルチモード干渉導波路のそれぞれの近い側から所定の距離だけ離れた位置にあり、前記所定の距離は、（ａ）前記中心波長、（ｂ）前記マルチモード干渉導波路の幾何学的な幅、及び（ｃ）前記マルチモード干渉導波路の周囲の材料への前記第１入力信号の透過に基づくことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
- 前記第１波長帯域は１．３μｍ帯であり、前記第２波長帯域は１．５５μｍ帯である請求項１記載のデバイス。
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