JP5132668B2 - 光伝送に関する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、光伝送に関し、詳しくは、テレコミュニケーション・ネットワークやデータ・ネットワークのような光通信システムにおいて用いられるべき装置および方法に関する。本発明はまた、波長分割多重（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）（ＷＤＭ）を実現する光通信システムに関する。

テレコミュニケーションおよびデータコミュニケーション・ネットワークにおいては、高容量および高速度についての要件が着実に増大している。容量および速度は、光ファイバーの形での伝送ラインを経て、光信号としての情報の伝送を通して、向上することができることが認識されている。波長分割多重（ＷＤＭ）は、現存のおよび将来の光ファイバー・ラインの容量を増大するのに魅力的なやり方である。ＷＤＭを用いるシステムにおいて、異なる目的地に向けられたデータ信号を搬送する多重光搬送波が、単一光ファイバーを通して伝送される。ＷＤＭには、異なる波長を異なるチャンネルに指定することを通して、光ファイバーにおいて利用できる巨大な波長範囲（周波数領域）という利点がある。そして、一つのかつ同じデバイスにおいて、異なる波長の分離のためにいくつかの波長を組み合わせる多重化デバイス（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）が必要とされる。現実の光ネットワークであって、ポイントからポイントへのリンクのみではないものを構築するためには、中間の、電気信号への変換のない光信号が転送されるのを可能とする経路指定デバイス（ｒｏｕｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ）が必要とされる。

一つの周知の波長ルーター（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒｏｕｔｅｒ）は、いわゆる光アッド−ドロップ・マルチプレクサ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）（ＯＡＤＭ）である。ＯＡＤＭの基本機能は、ドロップ機能に対応して入力光信号から一つの波長チャンネルを分離し、そしてアッド機能に対応して、同じ波長で別の信号にその波長チャンネルを置き換えることである。これまで種々のデバイスが提案されており、例えば、ファイバーにおけるブラッグ格子（Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ）に基づくものであったり、ＬｉＮｂＯ_３における音響−光的効果（ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）の使用に基づくものであったりする。別の周知のデバイスは、デマルチプレクサを用いてチャンネルを分離するものであり、波長アッド／ドロップ選択のために２バイ２のスイッチが用いられており、一方、そのチャンネルの再結合のために別のデマルチプレクサが用いられている。これは、３つの配列導波管デマルチプレクサ（ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ）および１６の熱−光的（ｔｈｅｒｍｏ−ｏｐｔｉｃ）スイッチを用いて、１６チャンネル用にＳｉＯ_２／Ｓｉにおけるチップ上に集積されている。このことは、例えば、Ｋ．オカモトらによる「シリカ（石英）をベースとした配列導波管格子を用いる１６チャンネル光アッド／ドロップ・マルチプレクサ（１６−ｃｈａｎｎｅｌ ｏｐｔｉｃａｌ ａｄｄ／ｄｒｏｐ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｕｓｉｎｇ ｓｉｌｉｃａ−ｂａｓｅｄ ａｒｒａｙｅｄ−ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇｓ）」エレクトロン・レター第３１（９）巻（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３１（９））１９９５年４月２７日発行第７２３〜７２４頁に記述されている。別の集積化ＯＡＤＭデバイスが、Ｃ．Ｇ．Ｍヴリーバーグら（Ｃ．Ｇ．Ｍ．Ｖｒｅｅｂｕｒｇ ｅｔ ａｌ．）による「最初のＩｎＰをベースとした再構成可能な集積アッド−ドロップ・マルチプレクサ（Ｆｉｒｓｔ ＩｎＰ−ｂａｓｅｄ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｄｄ−ｄｒｏｐ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）」ＩＥＥＥフォトン・テクノロジー・レター第９（２）巻（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９（２））１９９７年２月発行第１８８〜１９０頁に記述されており、それには、一つのループバック構成（ｌｏｏｐｂａｃｋ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）の配列導波管デマルチプレクサと４つの電気−光的（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ）マッハツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）スイッチのみを用いるＩｎＰにおける４チャンの集積化ＯＡＤＭが記述されている。

Ｃ．ヴァン・ダムら（Ｃ．ｖａｎ Ｄａｍ ｅｔ ａｌ．）による「一般化されたＭＭＩ−ＭＺＩ構成を用いる新規なＩｎＰをベースとした位相アレイ波長デマルチプレクサ（Ｎｏｖｅｌ ＩｎＰ−ｂａｓｅｄ ｐｈａｓｅｄ−ａｒｒａｙ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ＭＭＩ−ＭＺＩ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）」なる第７回ヨーロッパ集積光学会議会報（Ｐｒｏｃ．７ｔｈ Ｅｕｒ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｉｎｔ．Ｏｐｔ．）（ＥＣＩＯ’９５）」論文ＷｅＡ２の第２７５〜２７８頁および、ＷＯ９５／２２０７０の「位相アレイを備える光デバイス（Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）」に、位相制御が可能とされておらず、スイッチングを全く行うことのできないＭＭＩ−ＭＺＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｅｔｅｒ）（多重モード干渉−多重マッハツェンダ干渉計）のデマルチプレクサが記述されている。そのようなデバイスの製作許容誤差は非常に厳しく、デバイスを製作するのが困難となっており、繰り返して要件を満たすように製作するのがほとんど不可能となっている。幾分わずかな相転移が記述されているが、それは単に、製作の偏差を埋め合わせることを意図しているものに過ぎず、それは、製作許容誤差が極端に厳しいデバイスにおいては必要なものである。さらには、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓにおけるＭＭＩをベースとしたスイッチという、Ｒ．Ｍ．ジェンキンズら（Ｒ．Ｍ．Ｊｅｎｋｉｎｓ ｅｔ ａｌ．）による「自己画像多重モードＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ導波管を用いた新規な１ｘＮおよびＮｘＮ集積化光スイッチ（Ｎｏｖｅｌ １ｘＮ ａｎｄ ＮｘＮ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈｅｓ ｕｓｉｎｇ ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）」応用物理レター第６４（６）巻（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．６４（６））１９９４年２月７日発行第６８４〜６８６頁のようなデバイスが知られている。しかしながら、大きな波長範囲にわたって、スイッチは本質的に波長から独立している。さらには、種々の固定波長デマルチプレクサが知られている。

結果として、その分野は広く調査され、多数の異なるデバイスについて議論されているが、全て、複雑であり過ぎるとか、多くの異なる素子からなっているとか、製作するのが困難であるとか、固定波長デバイスであるとかといった、異なる欠点を被っている。

ＵＳ−Ａ−５５２６１５３には、光チャンネル・アッディング／ドロッピング・フィルターが示されている。しかしながら、このデバイスにおいては、固定波長マルチプレクサが用いられており、波長は変えることができない。スイッチング機能を備えるものとするために、スイッチを加えなければならないであろうが、とりわけ製作するのが容易で安価ではなく、また充分には小さくない複雑なデバイスとなってしまうであろう。さらに、波長は、製作段階で既に設定されてしまっている。

（発明の概要）
したがって、必要であるのは、高い容量を有する、波長に依存する経路指定のためのそれぞれ装置および方法である。さらには、小さい経路指定装置が必要である。さらにはまた、フレキシブルであってかつ製作するのが容易くコンパクトで複雑ではなく、その製作が費用効率の良い装置が必要である。とりわけ、電気信号への中間変換無く、光信号の転送を可能とする経路指定および／または（デ）マルチプレクシングのための装置が必要である。さらにまた、多数の構成部品およびファイバー接続を必要とすることなく、デマルチプレクシングおよび経路指定の備えられる装置が必要である。

光通信ネットワークにおいて、例えば、テレコミュニケーション、データコミュニケーションのために用いることのできる装置もまた必要である。

とりわけ、波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいて用いられる装置が必要である。

以上言及したような目的を満たす、デマルチプレクシングおよびスイッチングのための装置が備わる波長分割多重システムもまた必要である。

前述した要件を満たす、光アッド−ドロップ・マルチプレクシング装置もまた必要である。

したがって、数多くの波長が含まれる光信号の波長に依存する経路指定のための装置が提供され、それは入力および出力導波管を備える光アッド−ドロップ多重化装置からなり、また入力および出力を備える経路指定デバイスからなる。経路指定デバイスには、数多くの入力を備える分割手段（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｍｅａｎｓ）が含まれている。経路指定デバイスにはさらに、数多くの出力を備える結合手段（ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｍｅａｎｓ）からなる。分割および結合手段の間には、多数の分岐導波管が配列されている。波長デマルチプレクシング／マルチプレキシングおよびスイッチングの双方が、前記経路指定デバイスによって備えられている。利点のある実施例において、装置は単一チップ上に集積されており、さらに利点があるように、それはモノリシックに製作されている。

利点のある実施例においては、分割手段および結合手段が、それぞれ、多重モード干渉結合器（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｐｌｅｒ）（ＭＭＩ）、多重モード干渉−多重中継（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｌｅｇｓ）を備えるマッハツェンダ干渉計からなる経路指定デバイスからなる。特に利点のある実施例においては、ドロップされるおよび／またはアッドされるべき波長が選択可能であるように、装置は波長同調が可能である。

利点のある実施例は、分割手段と結合手段との間の分岐導波管（ｂｒａｎｃｈ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）が、位相制御（推移）手段（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ（ｓｈｉｆｔｉｎｇ）ｍｅａｎｓ）によって制御可能であるものに存する。位相推移手段は、各分岐導波管に、それ自体のまたは分離した位相推移手段が備えられる利点のある実施例において異なったやり方で備えられるものとすることができるが、しかし代わりの、分離した位相推移手段は、いくつかの分岐導波管のために備えられるのみであるかまたは代わりの共通の位相推移手段が備えられて、別々の異なる分岐導波管を制御するものとなる。利点があるように本発明を実施したものによると、装置は、多重波長の（例えば、Ｎ個の波長からなる）信号のためのポートの備わる２つの入力導波管からなり、ここで、利点があるように、Ｎは２よりも大きく、（自由に選択できる）波長のためのアッド・ポートが、加えられるべきものである。さらにそれは、多重チャンネル出力信号のためのポートを備える２つの出力導波管および、ドロップされるべき（自由に選択できる）波長チャンネルのためのポートとからなる。さらにまた、利点があるように、分岐導波管の数は、入力導波管の数と同じであり、また、経路指定デバイスは、利点があるように、それぞれ多重波長入力のための入力および出力と、それぞれアッドされる／ドロップされるべき波長のための入力および出力に加えて、それぞれがループバックされるべき各波長のための入力および出力からなる。装置は、アッディングのため、アッディングおよびドロッピングのため、またはドロッピングのみのために用いることができる。このようにＮ個の波長チャンネルがあるならば、一つが経路指定デバイスを通り、一つがアッドされる／ドロップされる波長のために用いられ、そして残りの（Ｎ−２）がループバックされる。

代わりの実施例においては、分岐導波管の数は、入力波長の数を超えている。利点があるように実施したものにおいては、多重チャンネル・ポートおよびアッド・ポートにそれぞれ対応する第１および第２の入力導波管は、経路指定デバイスの各入力に接続され、各出力導波管は、前記各入力に対応する経路指定デバイスの出力に接続されている。ループバックの導波管は、経路指定デバイスの他の入力を、前記で言及したような対応する出力と接続するために備えられる。

利点のある実施例において、チャンネル・パワーの等化が備えられている。そして、パワー制御手段が、利点があるようにループバックの導波管において一体化される。パワー制御手段は、異なる形状を取ることができ、ある特定の実施例において、それらは半導体増幅器からなる。

利点のある実施例において、経路指定デバイスは、Ｎ個の等しく間隔の開けられた波長のためのＮバイＮのルーターからなり、数多くの経路指定の代わりのものがあり、すなわち、各波長についての経路指定表がある。利点があるように経路指定デバイスは、対称的（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ）であって、かつ相反的（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）である。

さらにまた、利点のあるように実施されたものにおいては、偏波（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）独立した装置が備えられる。分割および結合手段の間の各分岐導波管について、ＴＥモードについての光経路長は、ＴＭモードについてのものと同じである。少なくともいくつかの分岐導波管は、異なる長さを有している。とりわけ利点のある実施例において、分岐導波管の全ては異なる長さを有している。

利点があるように、導波管材料は誘電体材料であり、そしてそのような導波管において、光の位相の制御のために、導波管のいくつかの部分の屈折率は変えておかなければならない。これは例えば、光弾性効果（主に音響−光的効果）、磁気−光的効果、電気−光的効果、プラズマ効果または熱−光的効果のような異なる効果を用いる数多くの異なるやり方で達成することができる。磁気−光的効果は、一般には、集積光学についてさほど実用的ではなく、また音響−光的効果では、本発明によって意図されるような装置に必要な、一定の率の変化（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｉｎｄｅｘ ｃｈａｎｇｅ）が得られるものではない。しかしながら、その他の効果は、異なって実施されたものによって、実施することができる。これについては、以下に続く本発明の詳細な説明においてさらに記述される。

しかしながら、とりわけ利点のある実施例においては、導波管材料の屈折率を制御するのに熱−光的位相制御手段が備えられる。さらには、それがパワー制御のために備えられるべきものであるならば、パワー制御手段が備えられなければならない。光利得を提供することのできる材料が必要であり、というのも、それは、過剰な損失を補償しなければならないからである。同調可能な損失素子は、一般に充分ではない。実際には、このことは、半導体増幅器が、とりわけ関連するものであるということを意味する。

装置を実施するために、数多くの異なる材料を用いることができる。用いることのできる材料はまた、位相制御手段が備えられるかどうかおよびチップ上の増幅器が備えられるか否かによるものである。最も利点があるように、前記で言及したとおり、位相を制御するのに熱−光的効果が実施される。このことによりまた、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのような半導体、またはＬｉＮｂＯ_３、ポリマーまたはＳｉＯ_２／Ｓｉ等のような材料の最大限の選択を可能とする。

特に利点のあるように実施されたものにおいては、装置は、能動素子および／または電子回路と一体化される。能動素子についての例は、例えば、検出器、レーザーおよび増幅器である。

代わりの実施例において、経路指定デバイスは、ＮバイＮチャンネルのデバイスではなく、Ｎ個の波長のために用いられるＮ＋１バイＮ＋１チャンネルのデバイスである。そして信号を含んでいない波長チャンネルが、ドロップ・ポートへと向けられる。

利点のある実施例によって、前述したように実施したもののいずれとも関連して、ドロップされた波長チャンネルを検出するための検出器をチップ上に集積することができる。同様のやり方で、アッド・ポートを送り込むレーザー手段（ｌａｓｅｒ ｍｅａｎｓ ｆｅｅｄｉｎｇ ｔｈｅ ａｄｄ ｐｏｒｔ）は、チップ上に集積することができる。

本発明は、制限を付けることなく記述されるが、付随する図面を参照するものとし、それらにおいては：
本発明による装置を、第１番目に実施したものを示す。 図１による実施例において実施されるような経路指定デバイスを示す。 数多くの波長のための出力導波管の指定に関する経路指定表を示す。

（発明の詳細な説明）
図１は、一つのチップ上に集積される同調可能なＯＡＤＭからなる、本発明による波長に依存する経路指定のための装置１０の第１番目に実施したものを概略的に例示する。それは、ＭＭＩ−ＭＺＩ同調可能な経路指定デバイス５、図２を参照してさらに記述されるとおりのデマルチプレクサ／ルーターからなる。ＭＭＩ−ＭＺＩ同調可能なデマルチプレクサ／ルーター５を、利点があるように実施したものは：Ｊ．−Ｐ．ウェバーら（Ｊ．−Ｐ．Ｗｅｂｅｒ ｅｔ ａｌ．）による「多重中継のマッハツェンダ干渉計を用いる新しいタイプの同調可能なでマルチプレクサ（Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｕｌｔｉ−ｌｅｇ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）」ＥＣＩＯ’９７ストックホルム、１９９７年４月２〜４日第８回ヨーロッパ集積光学会議会報（８ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｄｉｎｇｓ）第２７２〜２７５頁に記述されている。本発明によると、ＭＭＩ−ＭＺＩデマルチプレクサ／ルーター５自体によってスイッチングもまた提供されるので、唯一のデマルチプレクサ／ルーター５のみが必要であって、スイッチは必要とされない。最も簡単な構成は、アッド／ドロップされるチャンネルの自由な選択または同調可能性が望まれるなら、一つのチャンネルのみをドロップすることができる（およびアッドすることができる）。一方、波長が固定されるならば、所定の波長のいくつでもドロップすることができる（およびアッドすることができる）。スイッチが含まれているならば、いくつかの波長をドロップすることおよびアッドすることができる。
図１において、Ｎ＞２である、Ｎ個の波長信号から一つの波長チャンネルを分離するおよび、それに同じ波長でアッドすることのできるＯＡＤＭ１０が例示されている。多重チャンネル入力信号ＩＮ_Ｎのためのポート１を備える第１の入力導波管が備えられており、およびアッドすることのできるチャンネルＩＮ_ＡＤＤの波長のためのポート２を備える第２の入力導波管が備えられている。装置１０はまた、Ｎ個の入力およびＮ個の出力を備えるＭＭＩ−ＭＺＩデマルチプレクサ／ルーター５からなり、それは、前記で言及した通り図２に例示されている。装置には、また、マルチチャンネル出力信号ＯＵＴ_Ｎのためのポート３、およびドロップされる波長チャンネルＯＵＴ_ＤＲのためのポート４とをそれぞれ備える第１および第２の出力導波管が含まれている。第１および第２のＯＡＤＭ入力Ｉ_Ｎ、Ｉ_ＡＤＤは、経路指定デバイス５の２つの入力１３_１−１３_Ｎ−２に接続されており、また、２つのＯＡＤＭ出力ＯＵＴ_Ｎ、ＯＵＴ_ｄｒは、使用される入力に対応する経路指定デバイス５の出力に接続されている。経路指定デバイスのその他の入力１３_１−１３_Ｎ−２は、ループバックの導波管６_１−６_Ｎ−２を介してそれらの対応する出力１４_１−１４_Ｎ−２に接続されている。利点のある実施例において、パワー制御手段７_１−７_Ｎ−２が、ループバック導波管に備えられており、特には一体化されている。しかしながら、本発明は、パワー制御手段が含まれて実施されたものに限定されるものではないということは、明らかであるべきである。しかしながら、そのように備わっておれば、それらは半導体増幅器として、利点をもって実施される。

装置１０全体が、利点があるように単一のチップ、例えばＩｎＰチップ上に集積される。同調可能な波長経路指定デバイス５は、ある程度まで、配列導波管波長ルーターと同じように作動する。このように、ＮバイＮのデバイスについては、入力の一つにおいて、Ｎ個の等間隔を置かれた波長、ここでＮ＞２、があるならば、それらの各々は、異なる出力において現れ、また２つの異なる入力においての同じ波長は、いつも異なる出力へと向かう。これは、図３に例示される通り８バイ８の経路指定表において概略的に例示されている。しかしながら、本発明による経路指定デバイス５は、一つのかつ同じ装置におけるデマルチプレクシングおよびスイッチングの組み合わせを可能とする一つのみのものの代わりにＮ個の可能な経路指定表からなっているという点で、配列導波管ルーターのそれとは異なっている。

図２から、多重チャンネル入力信号、すなわちＮ個の波長からなる信号は、各波長が異なる出力へと向かうように分離されているということが分かる。位相制御または位相推移手段９の調整を通して（図１を参照のこと）、ドロップ・ポート４に行くべき波長を選択することができ、これによって同調可能性が備わる。その他の波長の一つは直接出力ポート３に向かうが、残りのＮ−２個の波長は、経路指定デバイス５の入力へとループバックされる。経路指定デバイスは、利点があるように対称的であり、相反的であり、すなわち、入力は、出力を経て交換可能であって、またその反対であって、同じ結果を生じるので、これらの波長は今度はまた出力ポートへと向けられる。同様に、ドロップされたチャンネルと同じ波長で信号がアッド・ポートに提供されるならば、それはまた出力ポートに直接向かう。最終的な結果は、Ｎ個の波長のいずれもドロッピング（およびアッディング）のために選択することができ、その他のものは、経路指定デバイスを通る。もちろん、装置は、アッディングのみに、アッディングおよびドロッピングに、またはドロッピングのみに用いることができる。信号がアッドされるべき波長チャンネルが、同じ波長の信号を既に含んでいるならば、その信号は、アッドされるべき信号によってドロップされ、かつ置き換えられる。しかしながら、チャンネルに情報がないならば、アッド信号は単純にアッドされる。さらにまた、選択可能な波長での信号は、ドロップされるであろう（いかなるアッド動作をも伴わない）。

利点のある実施例において、偏波独立動作を提供するために、経路指定デバイス５は、偏波独立しており、したがって、偏波独立した利得または損失は提供されない（図２を参照のこと）。偏波の独立を提供するために、干渉計の各アームすなわち各分岐導波管８_１−８_Ｎについて、ＴＥおよびＴＭモードそれぞれのための光経路長は同じである。利点があるように、分岐導波管８_１−８_Ｎの長さは全て等しくない。ドロップされないＮ−２のチャンネルは、経路指定デバイスを２度通る一方、一つはそれを一度しか通らないので、損失の不均衡が結果として生じるであろう。利点のある実施例において、半導体増幅器７_１−７_Ｎ−２（図１）は、そのような損失の不均衡を取り扱うためにループバック経路において集積されている。さらにまた、入力チャンネル間でのパワーの不均衡があるならば、それらは同様なやり方で取り扱うことができる。しかしながら、続いて、チャンネル・パワーのいくつかの外部測定が必要とされるであろう。このように、Ｎ個の等間隔を置かれた波長の組から電気的に選択可能な波長のドロッピング、および同じ波長での別の信号によるそれの置き換え、アッディング、が、可能とされる。

以下において、ＭＭＩ−ＭＺＩチャンネル波長経路指定デバイスを実施したものの一つが、より完全に記述される。ＭＭＩ結合器に基づいた様々な光デバイスが、例えば、１ｘＮおよびＮｘＮ光スイッチおよび波長デマルチプレクサのようなものが知られている。これらのデバイスの２つの種類を組み合わせることを通して、再構成可能な波長デマルチプレクサおよび／またはルーターが提供される。移相器（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｒｓ）のための熱−光的効果を用いてＩｎＰにおいて実現される１ｘＮデマルチプレクサが、Ｊ．−Ｐ．ウェバーら（Ｊ．−Ｐ．Ｗｅｂｅｒ ｅｔ ａｌ．）による「多重中継のマッハツェンダ干渉計を用いる新しいタイプの同調可能なでマルチプレクサ（Ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｕｌｔｉ−ｌｅｇ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）」において、前記で言及されたとおり、開示されており、そしてそれは参照されることによってここに組み込まれる。

図２から、Ｎ個のインプットが、第１のＭＭＩ結合器１１において結合されることが分かる。続いて、光が分岐導波管８_１−８_Ｎを伝搬し、そこで、それは、第２のＮｘＮのＭＭＩ結合器１２において再結合し、そのため結果としてＮ個の出力が生じる。経路指定デバイスの代わりに、デマルチプレクサを提供するために、入力ＭＭＩ結合器１１は、１ｘＮまたは２ｘＮ結合器となるであろう。

各導波管分岐８_１−８_Ｎにおいて、同調可能な移相器９_１−９_Ｎが備えられる。異なる実施例によると、それらは、電気−光的なものに基づくものであるか、または搬送波プラズマ効果に基づくものであるか、またはそれらは上記に引用された文献に記述されるような熱の同調を生み出すものである。これらの移相器は、０と２πとの間の位相を変えることができることのみ必要である。分岐導波管の長さが等しいならば、スイッチが備えられる。しかしながら、それらが異なる正しく選ばれた長さを有するならば、移相器８_１−８_Ｎの調整を経て、出力に対してＮ個の異なる波長の指定を得る可能性を有するデマルチプレクサが、そこに加えて備えられる。デバイスの動作は、パワー結合器１２の入力で、すなわち第２のＭＭＩ結合器で（出力にて）、正しい相対位相を有することを通して、Ｎ個の出力のどれに光が行くかを選択することが可能となるかという事実に基づく。換言すれば、その特定の出力に建設的な干渉があり、かつその他の出力に破壊的な干渉がある。波長の依存性は、導波管の異なる長さによって与えられ、というのも、波長λ_ｑでの長さＬ_ｉの導波管の位相の寄与Φ_ｉ，ｑは、次式によって与えられる：

ここで、ｎ_ｅｆｆは、導波管の実効率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）である。このように、分岐導波管８_１−８_Ｎの長さは、分離されるべき異なるチャンネル波長が、それらを異なる出力に向ける相対位相を与えるようなやり方で、選択されなければならない。位相制御手段９_１−９_Ｎは、利点があるように、０と２πとの間の間隔において任意の位相を加えることができる。さらに、どの出力に与えられた波長が行くかということを選択することが可能である。その他は、デバイスのデザインによって決定される。このことはまた、分岐導波管８_１−８_Ｎの絶対長が、位相制御手段が備えられていなかった場合にはそうであったであろうように、λ／ｎ_ｅｆｆの小さな部分内で正しくある必要はないということを意味する。デバイスの波長経路指定特性（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を与える式が、ここで記述される。デバイスの動作の仕方は、ＭＭＩ結合器の特性に、そして特には、相対出力位相に依存する。これらは、例えば、Ｍ．バッハマンら（Ｍ．Ｂａｃｈｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．）による「位相関係を含むＮｘＮの多重モード干渉結合器における一般の自己画像形成特性（Ｇｅｎｅｒａｌ ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ＮｘＮ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ）」応用光学、第３３（１８）巻、１９９４年６月２０日発行、第３９０５〜３９１１頁に、ＮｘＮのデバイスについて与えられている。しかしながら、本発明によると、Ｍ．バッハマンら（Ｍ．Ｂａｃｈｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．）による「位相関係を含むＮｘＮの多重モード干渉結合器における一般の自己画像形成特性（Ｇｅｎｅｒａｌ ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ＮｘＮ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ）」応用光学、第３３（１８）巻、１９９４年６月２０日発行、第３９０５〜３９１１頁に提供される簡単な式を与える、代わりの導出が求められている。図２において与えられるような導波管の番号付けで、ｋにおける入力についての出力ｑにおける相対位相が次式によって与えられる：

これらの式を理解した上で、分岐導波管の長さＬ_ｋについての等式のシステムが異なる波長が、各出力において得られるように書くことができる。

波長λ_ｍ＝λ_０＋ｍδでのチャンネルでデマルチプレクサを得るために、ｍは整数であり、δはチャンネルの間隔であり、一つの解法は、図２におけるデバイスのアーム長Ｌ_ｋを有することであり、次式で与えられる：Ｌ_ｋ＝Ｌ_０＋（ｓ_ｋ＋ｐ_ｋ／Ｎ）Ｕ、ここで、Ｌ_０は任意の長さ、ｓ_ｋは任意の整数、およびＵは、次式によって与えられる特性長（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｌｅｎｇｔｈ）である：

ここで、ｎ_ｅｆｆはアームの実効率であり、ｐ_ｋは次式によって与えられる整数である：

Ｌ_０は自由に選択することができるので、デバイスのレイアウトにいくらか自由度が提供される。ｓ_ｋはまた、この式において任意であるが、異なった選択はチャンネルの間で伝送スペクトラムの異なった形を与え、そしてしたがって、チャンネルのスペクトラムの部分での異なる許容度を与える。一般に、全てのｓ_ｋ整数が等しいとき（そのときそれらはゼロに設定される、というのも、それらは、Ｌ_０の変化と等価であるので）、最大の許容度が得られる。移相器が、λ_０で入力ｉ（図２を参照のこと）が出力ｑ_０に行くように調整されるならば、出力数ｑにおいて波長λ_ｍが得られ、ここでｍは次式によって与えらえる：

Ｎを法とする場合にのみ、ｍが定義されるということに注意されたく、そしてそれは、いかなる導波管においても周期Ｎδで、周期的な出力が提供されるということを意味する。これは、入力ｉに入る波長に言及される。もし別の入力、例えばｊが用いられるならば、位相が、入力ｉが波長λ_ｍで出力ｑ（ｉ）へと行くように調整されるならば、同じ波長で入力ｊが、次式によって与えられる出力ｑ（ｊ）へと行くということを示すことができる：

これら２つの式の一つのみが、［１，Ｎ］なる間隔で結果が得られ、そしてそれは正しい結果である。関数Ｒ（Ｎ，ｊ，ｉ）は、次式によって与えられる：

一例として、図３の表が計算されている。それにより、各波長についての出力導波管、および図２のタイプの８バイ８の経路指定デバイスにおける各インプットが与えられている。このデバイスは、導波管格子アレイ・ルーター（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ａｒｒａｙ ｒｏｕｔｅｒ）を用いることのできる全ての場合に用いることができる。それに加えて、Ｎ個の可能な構成（移相器を備えるもの）の一つを選択できるということは利点である。

利点のある実施例において、Ｎは、ＷＤＭ伝送システムについて考慮されそうであるチャンネルの数である４から１６の範囲にある。しかしながら、本発明は、決してこれらの値に制限されるものではなく、反対にそれらは、より高くもより低くもできる。

前記で言及されたとおり、利点のある実施例において、別の位相制御手段が各分岐導波管に備えられている。制御の複雑さを最小限化することが望ましいので、利点があるように、分岐導波管の最小限の数が用いられる。したがって、利点があるように、分岐導波管の数は、波長（Ｎ）の数と同じである。しかしながら、代わりの実施例において、分岐導波管の数は波長の数を超えている。

先に言及した通り、様々な種類の位相制御手段を用いることができる。最も利点のある実施例においては、熱−光的制御手段が用いられる。そのようなものは、少なくともスイッチング速度が極めて重要でないならば、特に利点がある。熱−光的位相制御手段の利点は、材料にドープをする必要がないということである；それを絶縁材とすることさえでき、それは、自由搬送波の吸収がないということを意味する。さらには、率の変化に伴う損失の変化は無視して良いもので、またより良い信頼性もまた可能となり、というのも、材料中に電流が誘発する破損が無く、また波長への依存は非常に低いからである。

利点のある実施例において、導波管の一部の温度をその導波管の上に堆積した薄膜ヒーターで制御し、そして基板の底部を一定の温度に保つことによって位相制御が実現される。この解決法の唯一の問題は、意図された導波管のみでなく隣り合う導波管をもまた加熱すること、熱クロストークともまた表示されるもの、を避けるように、隣り合う導波管の間に最小限の間隔を置くことである。しかしながら、異なる分岐導波管の間でのクロストークは、可干渉性のクロストーク、すなわち同じ波長についてのものよりも重要ではない問題である。

スイッチング速度が最も重要なものであるならば、電気−光的効果が使われるであろう。特定の実施例においては、量子井戸が用いられ、そして、しかしながら、率変化が波長にあまりにも依存しすぎていないということに注意が払われなければならない。電気−光的効果は、ＬｉＮｂＯ_３のような結晶、また半導体の双方において、広く用いられている（バルクまたは量子井戸におけるシュタルク効果（Ｓｔａｒｋ ｅｆｆｅｃｔ））。

プラズマ効果をもまた用いることができる。それは、キャリア注入（材料中の電子およびホール）による屈折率変化に依存する。これは、吸収スペクトラムにおける変化、およびそれゆえに、クラーマース−クローニヒの関係（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｅｎｉｇ ｒｅｌａｔｉｏｎ）によって屈折率の変化を引き起こす。半導体において、電気−光的効果またはプラズマ効果を用いることは、逆方向にバイアスされるか（電気−光的効果）または順方向にバイアスされるか（プラズマ効果）したピン（ｐ−ｉ−ｎ）ダイオード構造を用いることが含まれる。このようにドープされた材料が用いられて、自由キャリア吸収（特に、ｐドープされた材料について）という結果になる。プラズマ効果については、注入されたキャリアは、デバイスに充分に低い損失が備わるものとすることを困難とするであろう吸収にもまた貢献する。キャリア注入の場合においては、損失は、率における変化におよそ比例して増大するという結果になる。シュタルク効果がバルクまたは量子井戸において用いられるならば、率の変化が増大するとき、吸収もまた増大する。このように、異なる導波管の間には、いくらかの損失の相違があり、パワー結合器の出力における不完全な破壊的な干渉、およびそれゆえにクロストークを引き起こしている。しかしながら、実施されるものに基づいて、また電気−光的効果およびプラズマ効果に基づく位相制御手段を用いて、充分に良好な結果を得ることができる。

特に、利点のある実施例において、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰにおける熱−光的位相制御手段が用いられている。デザイン波長は、約１５５０ｎｍまたは１３００ｎｍであろう。もちろん、また他に代わるものも可能である。簡素化されたプロセッシングのために、リッジ導波管（ｒｉｄｇｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）が用いられ、一つだけの結晶成長および一つのエッチング・ステップが必要とされている。同調可能な１バイ４のデマルチプレクサの実現化のために前記で言及されている「多重中継マッハツェンダ干渉計を用いる新しいタイプの同調可能なデマルチプレクサ」において記述されるような技術を用いることができる。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ材料の利点は、検出器、レーザーおよび増幅器のような能動素子とさらに集積することが可能であるというものである。それはまたさらに、電子回路との集積も可能とする。特定の実施例において、もう一つの成長ステップおよび突き合わせ接続（ｂｕｔｔ−ｊｏｉｎｔ）結合の使用を経て、増幅器が、ループバック導波管に集積される。

ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓはまた、１３００ｎｍおよび１５５０ｎｍで用いることができる。しかしながら能動素子について、それは、約８７０ｎｍで働かなければならない。

別の実施例においては、装置は、ＳｉＯ_２／Ｓｉにおいて実施される。さらにまた、装置は、あるポリマーにおいて実施することができる。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰおよびまたＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの利点は、さらなる集積化の可能性に加えて、より大きな屈折率および利用できる率ステップ（ｉｎｄｅｘ ｓｔｅｐｓ）並びに大きな熱−光的係数である。これによって、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰデバイスは、さらに小さくさえなる。前記で言及されている文献に記述されているような１バイ４のデマルチプレクサは、保守的なデザインで、５．８ｍｍバイ１．５ｍｍである。わずかにより小さな曲げ半径およびより狭いＭＭＩ結合器を用いると、本発明によるＯＡＤＭ全体は、容易に同程度に小さいものまたはさらにより小さなものとなるであろう。

前記で言及した通り、利点のある実施例において、パワー制御手段７_１−７_Ｎ−２が備えられる。そして、光利得を備えることができる材料が必要とされ、というのは、それは、過剰な損失を補償しなければならないからである。同調可能な損失素子は充分ではない。利点があるように、半導体増幅器が用いられる。偏波独立動作が必要であるならば、増幅器は、ＴＥモードおよびＴＭモードについて同じ光利得を有するようにデザインされなければならない。ＭＭＩ−ＭＺＩ経路指定デバイス５を経て、フィードバック経路があるので、増幅器における利得が充分であるならば、レーザー発振を備えることができる。発振波長は、経路指定デバイスの濾波特性によって決定されるが、しかしそれは、増幅器を通る信号の波長とは常に異なっており、というのは、同じ入力における異なる波長は、異なる出力へと向かうからである。このように、信号パワーから独立する一定の利得を、少なくともある飽和限界まで与える、増幅器の利得締め付け動作（ｇａｉｎ ｃｌａｍｐｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を備えることができる。

アッド・ポートとドロップ・ポートの間のクロストークは、利点があるように、ドロップされる信号パワーは、ドロップ・ポートにおいて漏れているアッドされる信号パワーよりも少なくとも２５ｄＢ大きいものと（１ｄＢパワーのペナルティレベルで）されている。

言及されたとおり、多数の異なる材料を用いることができる。どの材料が用いられるかまたどの程度まで用いられるかは、位相制御素子が実現されるやり方に、およびチップ上で増幅器が実施されるか否かに依存する。一般に、プラズマ効果または電気−光的効果が（半導体において）用いられるならば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ（または同様の材料システム）が用いられる。純粋な電気−光的効果が用いられるならば、ＬｉＮｂＯ_３並びにあるポリマーを用いることができる。

チップ上の増幅器が備えられるならば（本発明はまた、他に実施されたものをカバーする）、直接禁止帯幅の半導体システム、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのようなものを用いることができる。代わりの実施例においては、導波管の、エルビウムまたはその他のイオンのドーピングおよび外部レーザーでの光ポンピングが用いられる。

前記で言及されているとおり、また熱−光的効果は、材料の最大の選択、すなわち、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのような半導体、ＬｉＮｂＯ_３、またＳｉＯ_２／Ｓｉにおけるポリマーを可能とする。これらの材料の間の主な相違は、それらの屈折率、利用できる率ステップ、それらの熱−光的係数の値および伝搬損失である。これは主に、結果として得られるデバイスのサイズに影響を及ぼす。半導体材料におけるよりＳｉＯ_２／Ｓｉにおける方が損失が小さいので、損失の不均衡を埋め合わせるためにチップ上の増幅器を有することは、必要ではないかもしれない。しかしながら、その場合には、パワー等化を行うことができない。

図１は、本発明による装置の、利点があるように実施したものを示す。しかしながら、数多くの代わりのものもまた可能である。入力およびアッド・ポート用にどのような導波管を用いることもできるし、それらはまた、出力およびドロップ・ポートが対応するやり方で変えられる限り、交換することもできる。これは、与えられた位相の組み合わせについて波長の指定に影響を及ぼすのみであって、それは装置の大域的な振る舞いを変えるものではない。図１に示されるような実施のものの利点は、導波管の交差が避けられるということである。

経路付け装置において、分岐導波管の長さは、一般には、チャンネル数の単調な機能ではなく、それは、ある実施例においては、より長い導波管が２つのより短い導波管の間にサンドイッチされているということを意味する。さらには、熱−光的効果に基づく位相制御手段が用いられているならば、それらは、隣り合う導波管において生み出される温度における大きな変化を一切避けるように、十分間隔が開けられなければならない（または、導波管分岐が間隔を開けられなければならない）。前記で言及されるように、使用される材料と同様これらの考慮が、装置の全体のサイズに影響を及ぼす。

特定の実施例において、入力および／または出力増幅手段が、損失補償のために備えらえる。

一つの実施例においては、Ｎ＋１バイＮ＋１のＭＭＩ−ＭＺＩ経路指定デバイスが用いられるが、なおもＮ個の波長のみがある。これによって、装置、特にはＯＡＤＭの容易なバイパスが可能となり、また信号を含まない波長チャンネルがドロップ・ポートへ向けられ、また信号を含む全てのＮ個の波長がそれを通る。

さらに別の実施例においては、また、全てのチャンネルについて等しい損失を得るために用いられるＮ＋１バイＮ＋１のＭＭＩ−ＭＺＩ経路指定デバイスがある。そして、しかしながら、ドロップは長が固定されており、それは同調可能性が失われていることを意味する。これは、信号を備えていない波長チャンネルを出力ポートへと向けて、経路指定デバイスを通る（Ｎ−１）個全てのチャンネルがループバックを通過するようなものとすることによって、行うことができる。

利点のある実施例においては、ドロップ・チャンネルのための検出器は、チップ上に集積されている。このようなやり方で、ファイバー接続および構成部品の数はなおもさらに減少しており、それは明らかに利点のあるものである。

ここにおいて記述される全ての実施例において実施することもできる、別の利点のある実施例において、アッド・ポートを送り込むレーザー・デバイスがチップ上に集積される。装置、すなわち、特にはＯＡＤＭが、同調可能であるならば、レーザーも好ましくは、また同調可能である。

経路指定デバイス、特には、ＭＭＩ−ＭＺＩ経路指定デバイスは、デマルチプレクシングおよびスイッチングの双方に用いることができ、これによって、一つのチップ上に容易に集積することのできる簡単なデバイスが得られるということが本発明による装置の利点である。その他の利点は、本出願において先に既に記述されている。

本発明は示された実施例に限定されるものではなく、本発明の請求の範囲内で数多くのやり方で変形することができる。

Claims (4)

1. 複数の波長入力ポートと１つの波長をアッドできる１つのアッド・ポートが含まれるある数の入力導波路、および複数の波長出力ポートと１つの波長がドロップできる１つのドロップ・ポートが含まれるある数の出力導波路を備えた再構成可能な光アッド−ドロップ多重化配置であって、
   Ｎ個の等間隔に並んだ波長のためのＮ×Ｎ個のルータを有する経路指定デバイスを有し、ここで各波長ごとにルーティング・テーブルを持ち、また前記経路指定デバイスは、デマルチプレクシング機能だけでなくスイッチング機能も提供するデマルチプレクシングとルーティング・デバイスを提供し、
   アッドされるおよび／またはドロップされるべき波長が各波長ごとに準備された別個の調整可能な位相制御手段により前記導波路を制御することで選択可能であって、どの位相制御手段を調整するかによりアッドされる／ドロップされる波長を選択できる点で前記配置は波長に同調可能であり、
   前記配置はさらに単一のチップ上に集積されていることを特徴とする前記配置。
2. 前記経路指定デバイスには、多重波長入力信号の各波長のための分岐導波路が含まれており、前記分岐導波路は、第１および第２のマルチモードインターフェイス（ＭＭＩ）結合器の間に配置されており、かつ各導波路に前記別個の調整可能な位相制御手段が備えられていることを特徴とする請求項１に記載の光アッド−ドロップ多重化配置。
3. 前記位相制御手段を介して、前記導波路の屈折率が熱−光的に制御されることを特徴とする請求項１に記載の光アッド−ドロップ多重化配置。
4. 請求項１に記載される前記配置を使用する方法であって、前記配置がＷＤＭシステムに含まれている前記方法。
   

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