JP2005528650A - 波長可変光フィルタの閉ループ制御 - Google Patents
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Abstract
ITU格子において選択波長に固定するための波長選択光学デバイスは、第1の導波路と、第2の導波路と、加熱素子と、制御ユニットとを具備している。第1の導波路は第1の導波路に形成される波長可変フィルタを具備し、第2の導波路は第2の導波路に形成される参照フィルタを具備する。加熱素子は波長可変フィルタおよび参照フィルタと熱的接触状態にあり、制御ユニットは加熱素子および参照フィルタに接続される。制御ユニットは、波長可変フィルタの選択されるチャネルを調整するために、参照フィルタによって供給される指示信号に応じて、加熱素子の温度を変化させる。
Description
本発明は、波長可変フィルタに関し、さらに詳細には、波長可変フィルタの閉ループ制御に関する。
波長可変フィルタ、たとえば、ファイバブラッグ格子(FBG)は、波長分割多重化(WDM)光学システムにおいて、適切な位置で波長(すなわちチャネル)を選択的にアドおよび/またはドロップするために、さまざまな光学システムで利用されてきた。当業者には公知であるように、波長可変FBGは、国際電気通信連合(ITU)標準波長またはそれ以外の波長に同調することができる狭帯域反射素子であり、チャネルはFBGによって反射または透過されてもよい。このような態様で、FBGは、選択可能なノッチバンドストップフィルタとして機能し、波長範囲内の受信信号を実質的に反射し、波長範囲外の信号を実質的に通過する。理想的なFBGは、WDM信号の1つのチャネルを反射し、残りのチャネルは実質的に減衰することなく通過する。
典型的な光学システムにおいて、チャネル(すなわち波長の特定の範囲)の加算または減算は、制御装置によって実現される。この制御装置は透過状態および反射状態の一方の中で所与のFBGを制御する。このようなシステムにおいて、一般にWDM信号の各チャネルに関するFBGを有し、FBGはさまざまな方法で透過状態および反射状態で作動されている。たとえば、圧電デバイスなどのアクチュエータを用いて、ファイバに物理的な応力を印加することによって、格子の周期を変化させてもよい。このような態様で、制御装置によって圧電デバイスに印加される電力を調整することにより、関連する格子によって反射される波長の範囲を変化させる。
あるいは、ファイバ導波路の有効屈折率は、温度を同調させて、格子によって反射される波長の範囲を温度に応じて変化させてもよい。このような態様で、格子の温度は、ヒータに適切な量の電力を印加することによって調整される。このヒータは一般に、格子と熱接触する電気抵抗コーティングから構成される。このようなシステムにおいて、各格子は一般に、所与の格子が所与の温度で所与のチャネルを反射するように較正されている。しかし、このようなシステムにおいて、1つの波長から別の波長に格子を切り替えることができる能力は制限されている。ガラスファイバの場合には、ファイバを延伸する能力と、温度に応じてその屈折率を変化させる能力の両方が制限される。また、切替(同調)速度も制限がある可能性がある。温度制御システムにおいて、切替速度制限は一般に、格子温度を感知するために格子の付近に位置し、格子に関連する熱電対に帰因している。熱電対に結合される制御装置は、熱電対によって記録される温度を監視し、それに応じて関連するヒータに供給される電力を調整する。しかし、熱電対によって記録される温度は一般に、少なくとも初期変化後には、ヒータの温度とは異なる。したがって、制御装置は、所望の温度に安定する前に、所望のヒータ温度の数倍超えるか、または達さない恐れがあるため、所望のチャネルに固定することは困難をきわめる。
したがって、所望の波長に固定される波長可変フィルタを保持することができる実際的な閉ループ制御システムが必要である。また、信頼性が高く、比較的効率のよい態様で1つのチャネルから別のチャネルに波長可変フィルタに切替えることができ、広範囲の波長を網羅し、許容可能な短い期間で波長のシフトを行うようなシステムが望ましいと推測される。
本発明は、ITU格子において選択されるチャネルに固定するための波長選択光学デバイスに関する。波長選択光学デバイスは、第1の格子と、第2の格子と、1つ以上の加熱素子と、制御ユニットとを具備する。
第1の格子は、受信した波長分割多重化(WDM)信号から選択されるチャネルを反射する波長可変フィルタを具備する。第2の格子は、参照信号を受信し、指示信号を供給する参照フィルタを具備する。加熱素子は波長可変フィルタおよび参照フィルタと熱的接触状態にあり、制御ユニットは加熱素子および参照フィルタに接続される。制御ユニットは、波長可変フィルタの選択されるチャネルを調整するために、参照フィルタによって供給される指示信号に応じて、加熱素子の温度を変化させる。
第1の格子および第2の格子は、1次元または2次元のプレーナ型導波路またはファイバにおいて、バルク材料に形成される独立の格子であってもよい。構成材料は、シリカ、ドープガラスおよびポリマーをはじめとする任意の適切な光学的透過材料であってもよい。
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、説明から当業者には明白であると思われ、または特許請求の範囲および添付図面と共に以下の説明に記載されるように、本発明を実行することによって認識されるであろう。
前述の説明は、本発明の例示に過ぎず、特許請求の範囲によって定義されるように、本発明の性質および特性を理解するための概要を提供する目的であることを理解されたい。添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれており、本願明細書の一部に組込まれ、本願明細書の一部を構成している。図面は、本発明の種々の特徴および実施形態を示しており、その説明と共に、本発明の原理および動作を説明するのに役立つ。
本発明は、基板上の導波路またはファイバにおいて、バルク材料の層に形成されるブラッグ格子の形をとる国際電気通信連合(ITU)格子において選択波長を固定するための波長選択光学デバイスに関する。一実施形態において、波長選択光学デバイスは、第1の格子と、第2の格子と、1つ以上の加熱素子と、制御ユニットとを具備する。第1の格子は、受信した波長分割多重化(WDM)信号から選択されるチャネルを反射する波長可変フィルタを具備する。第2の格子は、参照信号を受信し、指示信号を供給する参照フィルタを具備する。加熱素子は波長可変フィルタおよび参照フィルタと熱的接触状態にあり、制御ユニットは加熱素子および参照フィルタに接続される。加熱素子は従来の態様で形成され、たとえば、電気抵抗コーティングが導波路の適切な部分の上に蒸着される。制御ユニットは、波長可変フィルタの選択されるチャネルを調整するために、参照フィルタによって供給される指示信号に応じて、加熱素子の温度を変化させる。これにより、システムは選択されるチャネルに固定することができ、チャネル選択可能な構成においてこれを利用することができる。
本願明細書で用いられるとき、「制御ユニット」なる語は、たとえば、マイクロコントローラ、関連するメモリおよび周辺装置を備えたマイクロプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、プログラマブル論理アレイ(PLA)またはスイッチングアレイが含まれてもよい。また、本願明細書で用いられるとき、「波長可変フィルタ」なる語は、たとえば、波長可変ブラッグ格子など種々の形をとってもよい。本願明細書に開示されるシステムは、主導波路の出力とデータ受信器との間のアドサーキュレータの2つのポートを接続することによって、光データ受信器に供給される信号を加算するために容易に修正されることができることを留意されたい。アドサーキュレータの残りのポートがアドデータ源からアド信号を受信し、この形で、アド/ドロップマルチプレクサ(ADM)として機能する。
第1の格子および第2の格子は、1次元または2次元のプレーナ型導波路またはファイバにおいて、バルク材料に形成される独立の格子であってもよい。構成材料は、シリカ、ドープガラスおよびポリマーをはじめとする任意の適切な光学的透過材料であってもよい。本願明細書で用いられるとき、「バルク材料」なる語は、導波手段を含まない材料構成を表し、代表的なシングルモード導波路(厚さ>>10ミクロン)の寸法に比べて、一般に厚い。このようなバルク材料としては、たとえば、基板上の厚いポリマー層またはガラスの厚いスラブなどを挙げることができる。一般に、好ましい厚さは、約300ミクロン〜1000ミクロンの範囲にある。また、本願明細書で用いられるとき、2次元導波路(スラブ型導波路としても周知である)は一般に、基板上の多層構成を具備し、最下層(バッファまたは下部クラッディングと呼ばれることが多い)は上部の層に比べて屈折率が低く、2次元平面に光を導く中間層または最上層(コア層と呼ばれることが多い)は、下部バッファ層またはクラッディング層に比べて屈折率が高い。最上層は、コア層または空気より低い屈折率の第3の材料を含んでもよい。
また、本願明細書で用いられるとき、「1次元導波路」なる語は、1次元で伝搬するように光が閉じ込められる導波路を指す。そのような導波路は、上部、下部および側部によって画定される。そのような導波路の代表的な例としては、チャネル型導波路およびリブ型導波路である。この点から転じて、「スラブ型導波路」なる語は2次元導波路を指し、「プレーナ型導波路」なる語は1次元導波路を指す。プレーナ型導波の特に好ましい形は、埋め込みチャネル型導波路である。
埋め込みチャネル型導波路の好ましい形としては、基板上の作製されるシングルモード光導波路が挙げられ、基板の表面上に蒸着されるバッファ層によって表面を画定する。バッファ層は、表面を画定し、屈折率nbを有する。薄いアンダークラッディング層は、バッファ層の表面上にあり、アンダークラッディング層表面を画定し、屈折率nuを有する。光透過性シングルモードコアはアンダークラッディング層の表面上にあり、コアは上面および側壁を画定し、屈折率ncを有する。オーバークラッディング層はコアの上面の上およびコアの側壁の上およびアンダークラッディング層の一部の上にあり、屈折率noを有する。コアの屈折率ncは、オーバークラッディング層屈折率noより大きく、アンダークラッディング層の屈折率nuよりも大きい。導波路において、Δn=nc−noであり、一般に
であり、ncとバッファの屈折率nbとの差はΔnの少なくとも約1.5倍であり、Δnの値は、コアの寸法と組合わせて、光通信波長においてシングルモード導波路を作製するようになっている。
構成材料は、シリカ、ドープガラスおよびポリマーをはじめとする任意の適切な光学的透過材料であってもよい。ポリマーは、標準的な通信帯域の大部分を占めうるきわめて波長可変ブラッグ格子の主成分をなすことから、本発明の実行において特に有用である。好ましいポリマーとしては、米国特許公報(特許文献1)に記載されているような光反応性のポリマーである。尚、当該特許は、その全体を参照によって本願明細書に包含されるものとする。
図1は、従来の態様で導波路102aに形成される格子104aを具備するプレーナ型導波路102aを備えた具体的な光学システム100を示している。参照格子104bが格子104aに隣接している。格子104bは、格子104aと実質的に同一であってもよく、または異なっていてもよく、単独の格子からなってもよく、または直列になったより短い多くの格子からなっていてもよい。格子104a、104bは順に作製されてもよいが、最も好ましい方法では、たとえば、単独の位相マスクを用いて同時に作製される。好ましくは、2つの格子は、平行であり、直接対向するか、または互いに対して隣り合う位置にある。主格子104aと参照格子104bとの間の距離または導波路102aおよび102b(または109aおよび109b)の間の距離は、1つの格子または導波路から隣接する格子または導波路への光の結合を妨げるほど十分に大きいが、ほぼ同一の温度環境を維持するほど十分に近接している必要がある。導波路または格子の間のクロストークは、−40dB未満であることが好ましい。導波路間の距離または2つの格子の中心間の距離は、約20〜約1000ミクロンの範囲にあることが好ましく、約30〜約300ミクロンの範囲にあればさらに好ましく、約50〜約100ミクロンの範囲にあれば最も好ましい。
参照格子は、導波路102bによって参照源150に接続される。参照源は、任意に広帯域源または狭帯域源であってもよい。反射光は、結合手段108を用いて参照ユニットに送信される。結合手段は、Y分岐、方向性結合器またはサーキュレータなどの種々のタイプであってもよい。参照ユニットA160および参照ユニットB134はそれぞれ、光検出器と、波長を弁別するか、または背景雑音を抑制することができる任意にフィルタまたは他の素子と、を具備してもよい。制御ユニット112は、適切なチャネルがドロップされているかどうかを決定するために、格子104bによって反射または透過される信号を監視する。導波路102a、102b、109a、109bは、たとえばポリマーから構成されてもよく、格子104a、104bは、たとえば波長可変ブラッグ格子であってもよい。導波路が用いられない場合には、ブラッグ格子104a、104bは、感光性ポリマーまたはガラスなどのバルク材料に形成されてもよい。導波路102a、102bは、ファイバ端面に取付けられるGRINレンズまたはエジソンレンズなどのコリメーティング光学素子によって置換されてもよい。この場合には、格子間の中心と中心との距離は、約300ミクロン〜1000ミクロンの間であることが好ましい。結合器108は必要ではなく、わずかに異なる角度(角度差は約0.1°〜約3°)に向けられる2つのレンズ付きファイバによって置換されうる。
加熱素子106は、格子104と熱的接触状態にあり、制御ユニット112によって温度制御され、加熱素子106に供給される電力を変化させることによって、加熱素子106の温度を変化させる。任意に、加熱素子106は、2つの個別の素子106a、106bから構成されてもよく、個別に制御ユニット112によって制御されることができる。光データ源130は、導波路107によって波長分割多重化(WDM)信号を3ポートサーキュレータ120の第1のポートに送信する。サーキュレータ120の第2のポートは、導波路102aの入力に接続され、導波路102aの出力は導波路109aによって光データ受信器140に接続される。格子104aを通過するこの経路は、デバイスの主スルーチャネルを表し、波長多重化データストリームを搬送する。格子104aから特定の波長を反射することにより、データストリームから1つの波長搬送波(またはチャネル)をドロップして、受信器122に供給することができる。格子104aによって反射されるこのチャネルは、サーキュレータ120の第2のポートに供給され、サーキュレータ120によって経路指定され、導波路111によって光データ受信器122に接続されるサーキュレータ120の第3のポート(ドロップポート)に供給される。
デバイスの適切な機能は、ドロップされるチャネルの波長に格子104aを正確に同調する必要がある。多数のITU波長の任意の1つの波長にそのような波長の帯域の中で格子を同調させることがさらに望ましい。加えて、主経路におけるデータトラヒックの任意の摂動を制限することがきわめて望ましいため、本発明は第2の格子を用いて、デバイスがどの波長を固定するかを決定し、長期にわたってこの固定を維持するための必要な情報を提供する。ブラッグ格子からの特性反射の中心波長は、格子の周期Λ、格子および導波路(存在する場合)の媒体有効屈折率neffの関数である。この関係は、式λB=2neffΛによって与えられる。neffおよびΛの両方の値は、温度、機械的歪みの関数であり、これらの一方または両方の影響を用いて、波長の範囲にわたって格子を同調させることができる。本発明の概念は、両方の格子104a、104bに関するほぼ理想的な温度および歪みの分布または正確に周知の差を有する2つの温度および歪みの分布のいずれかを維持することに基づいている。
代表的な一実施例において、導波路および格子は、固いCTE(熱膨張係数)の低い基板に接合されるポリマー材料に形成されてもよい。この場合には、歪みは比較的一定に維持され、デバイスは、格子の領域におけるポリマー導波路の有効屈折率に温度変化が与える影響によって同調される。ヒータ106a、106bの温度を制御することによって、制御ユニット112は、2つの格子104a、104bの領域における有効屈折率を制御することができるため、2つの格子の反射波長における差を制御することができる。参照源150、参照検出器134、160、参照格子104bおよび制御ユニット112は共に検知ユニットを形成する。検知ユニットは、主格子104aが同調される波長を間接的に測定し、制御することができる。一般に、参照検出器ユニット160、134は、同時に存在することはない。一般に、検出器ユニット134は参照信号の最小値を求め、検出器ユニット160は反射された参照信号の最大値を求める。参照源150が広帯域の波長を放射するとき、検出器ユニット134、160は波長を弁別するために必要とされる。一部の実施形態において、参照源はデータストリーム自体の一部であってもよく、導波路102aにタップを配置することによってアクセスしてもよい。データストリームが予測不可能な方法で変化する可能性があり、タップがデータストリームの望ましくない摂動に相当するため、この方式はあまり好ましくない。検出器ユニット134、160の出力は、両方の格子104a、104bの温度を調整するために、制御ユニット112によって用いられるフィードバックループの一部である。制御ユニット112は、検出器134、160の一方の出力に応じて、加熱素子106(または106a、106b)に適切な信号を用いる。すなわち、検出器160または134の出力に基づいて、制御ユニット112は、加熱素子106(または106a、106b)の温度を維持するか、または温度を修正するために加熱素子106への電力を増大または減少させ、その結果、格子104aによって反射されるチャネルを維持または変更する。制御ユニット112は、当業界は周知であるように、検出信号のピーク、急降下またはエッジを制御することができる。本発明の具体的な利点は、制御ユニットが一般に、フィードバックループ内の固定を維持するために、その出力を回転させる必要があることである。この回転は、小さな温度振動を生じる。2つのヒータ106a、106bが本発明において用いられるとき、この温度振動は参照格子104bに制限されることができ、積算して平坦な制御信号をヒータ106aに供給することができる。
図2は、1組のプレーナ型導波路、すなわち、本発明の実施形態によれば、主導波路402aおよび参照導波路402bを具備し、格子404が導波路402a、402bの中に横切るように同時に形成される具体的な光学システム400を示している。加熱素子406bは参照導波路402bを横切る格子404の部分の温度を制御し、加熱素子406bは主導波路402aを横切る格子404の部分の温度を制御する。あるいは、この実施例ではあまり好ましくないが、単独の加熱素子406を用いて、導波路402a、402bの両方を横切る格子404を加熱してもよい。
WDM信号を供給するデータ源430は導波路407によってサーキュレータ420の第1のポートに結合され、サーキュレータ420の第2のポートは主導波路402aの入力に接続される。主導波路402aの出力は、導波路409によってデータ受信器440の入力に接続される。参照源445の出力は、導波路402bによって格子404の下部分を通ってオプションの干渉フィルタ432に接続され、その出力は、光検出器434の入力に光学結合される。参照源445がLEDと同様に広帯域である場合には、フィルタ432が必要であるが、用いられる参照源は、温度補償ファイバブラッグ格子からの反射と同様に、鋭い波長分布によって特徴付けられる場合には、フィルタ432は必要ではない。場合によっては、透過ではなく反射において参照源445を追跡することが好ましいこともある。光検出器434の出力は、制御ユニット412の入力に接続される。制御ユニット412は、加熱素子406a、406bに接続される出力を具備し、光検出器434から受信された信号に応じて、加熱素子406a、406bの温度を個別に制御する。上述したように、加熱素子406a、406bは単独のヒータ406に組込まれてもよく、その温度は制御ユニット412の1つの出力によって制御される。
作動中、制御ユニット412は、加熱素子406bに供給される電力を維持するか、増加させるかまたは減少させるかを決定するために、光検出器434の出力を監視し、格子404の参照格子部分がフィルタ432の参照波長または狭帯域参照源によって供給される参照波長に同調したままであるようにする。システム400は参照波長からドリフトし始める場合には、光検出器434の出力が変化する。この場合には、制御ユニット412は加熱素子406bに供給される電力を変化させ、光検出器434の出力が最小で維持されるようにする。制御ユニット412はまた、参照波長とサーキュレータ420の第3のポートによってデータ受信器422にドロップされることになっている所望のITU波長との間に較正された電圧(または電力)差に対応する主導波路402aの加熱素子406aに電圧(または電力)を供給するようにプログラムされる。この実施形態において、参照チャネルは、主加熱素子406aに供給される電圧(または電力)に関する安定した基準線を供給するために機能する。この基準線は、周囲温度の変動、デバイスと取り付けられることができる任意の温度のヒートシンクとの間の熱的接触における変化に対して、ほぼ一定に保持される。
図3Aは、格子(たとえば、波長可変ブラッグ格子)504aを具備する主導波路502aと、異なる周期Λ1、Λ2、Λ3をそれぞれ有する一連の短い格子(すなわち、格子G1、G2、G3)504bを具備する参照導波路502bを備えた光学システム500を示している。参照信号は、参照信号源550によって導波路502bの入力に供給される。参照信号源550は、広帯域信号源554(たとえば発光ダイオード(LED))と、サーキュレータ552と、温度補償ファイバブラッグ格子556と、を具備してもよい。源554の出力はサーキュレータ552の第1のポートに接続され、サーキュレータ552の第2のポートは理想的にはサーキュレータ552の第2のポートに1つの参照波長を戻すように反射する温度補償ファイバブラッグ格子556に接続される。サーキュレータ552はその第3のポートで参照波長を供給し、サーキュレータ558の第1のポートおよび第2のポートによって参照導波路502bの入力に接続される。
図3Aに示されるように、制御ユニット512は、加熱素子506a、506bに接続される。あるいは、加熱素子506a、506bは、単独の加熱素子506を形成するように一体化されてもよい。サーキュレータ520の第3のポートに接続される光データ受信器522に所望のチャネルを反射するために、制御ユニット512は、加熱素子506a、506bまたは506に電力を供給し、所望のITU波長が反射されるように導波路502aの有効屈折率(neff)を適切な値に変化させる。格子504bに関して、電力が加熱素子506bに対して増加されるとき、格子G1が源550によって供給される参照信号を反射するまで、導波路502bの有効屈折率が変化する。格子G1の周期および参照信号の波長が公知であるため、導波路502a、502bの屈折率が同一であると仮定すると、導波路502aの有効屈折率を決定することができる。温度のさらなる上昇と共に、格子G1がもはや参照信号を反射しないように、導波路502bの有効屈折率が変化する。その結果、参照信号を反射するように機能する第2の格子G2に参照信号を進めることができる。参照信号の進行距離が増大するために、反射光の量が減少する。同様に、導波路502bの温度が上昇し続けるとき、格子G2はもはや参照信号を反射しなくなり、格子G3に供給され、格子G3によって反射される。3つのみの格子が示されているが、用途に応じて、より多くの格子またはより少ない格子を用いてもよいことを留意すべきである。
このような態様で、反射信号強度における階段状の損失は、参照導波路502bの有効屈折率が1つのITU波長を反射するように適応された値から別のITU波長を反射するように適応された値に移行するときの指示を提供する。図3Bは、上昇する加熱素子の温度の関数として、導波路502bから反射されるときの参照信号に関連する反射強度をグラフに表している。導波路502bを通過するときの参照信号の透過強度が、上昇する加熱素子の温度の関数として、図3Cに示されている。2つのヒータが用いられるとき、制御ユニットは、ヒータ504bに関して用いられるものと実質的に同一の電圧(または電力)レベルで、ヒータ504aを駆動するが、小さな較正差は許容可能である。したがって、主格子および一連の参照格子による有効屈折率は、実質的に同一である。この条件の場合には、反射される参照信号が最大であるとき、またはm番目の参照格子からの反射のために透過される参照信号が最小であるときには、主格子から反射される波長は、主格子の周期(Λ)およびm番目の参照格子の周期(Λm)の関数に過ぎない。m番目のITU波長の値がλITU (m)=λ0Λ/Λmによって与えられるようにm番目の参照格子の周期の値は選択される。尚、λ0は、フィルタ通過帯域または狭帯域参照源の中心波長である。
図4は、導波路602a、602bの中に横切るように形成される周期Λを有する格子604を具備する主導波路602aおよび参照導波路602bを備える具体的な光学システム600を示している。格子604と熱的接触状態にある加熱素子606は、複数の光検出器672、674、676、678、680からの出力に応じて、制御ユニット612によって制御される。光データ源630はWDM信号を送信し、導波路607によってサーキュレータ620の第1のポートに接続され、サーキュレータ620の第2のポートが導波路602aの入力に接続される。サーキュレータ620の第3のポート(すなわち、ドロップポート)は、ドロップされるチャネルを受信する光データ受信器622に接続される。光データ受信器640は、導波路609によって導波路602aの力に光学結合される。広帯域データ源654は、参照導波路602bの入力に広帯域信号を供給し、導波路602bに関連する格子604の部分は、加熱素子606の温度に応じて、広帯域信号の一部を反射してもよい。
第2の導波路656aは、方向性結合器669によって参照源662から信号を受信する。導波路656aの周期Λ0の格子G0から反射される信号は、光検出器670の入力に供給され、光検出器670の出力は制御ユニット612の入力に接続される。光検出器670の出力に応じて、制御ユニット612は、格子G0から反射される信号を最大に維持するために、加熱素子658の温度を制御する。あるいは、光検出器670からの出力を用いて、加熱素子658の温度を直接的に制御してもよい。
方向性結合器608は、参照導波路602bに関連する格子604の部分から反射される信号を方向性結合器671によって、導波路656aに関して共通の温度環境を共有するそれぞれ周期Λ1、Λ2、Λ3、Λ4、Λ5の複数の格子G1、G2、G3、G4、G5を具備する導波路656bに供給する。結合器671は、格子G1から反射される信号を光検出器672の入力に供給し、その出力は制御ユニット612の第2の入力に供給される。方向性結合器673は、格子G1によって透過される信号を受信し、格子G2から反射される信号を光検出器674の入力に供給し、その出力は制御ユニット612の第3の入力に供給される。方向性結合器675の入力は格子G2によって透過される入力信号を受信し、格子G3の入力に透過信号を供給する。
方向性結合器675は、格子G3からの反射信号を受信し、反射信号を光検出器676の入力に供給し、その出力は制御ユニット612の第4の入力に供給される。方向性結合器677の入力は、格子G3によって透過される入力信号を受信し、格子G4の入力に透過信号を供給する。方向性結合器677は、格子G4からの反射信号を受信し、反射信号を光検出器678の入力に供給し、その出力は制御ユニット612の第5の入力に供給される。格子G4と格子G5との間に接続される方向性結合器679は、格子G4によって透過される信号を格子G5に供給し、格子G5からの反射信号を光検出器680の入力にに供給し、その出力は制御ユニット612の第6の入力に供給される。光検出器672〜680からの出力に基づいて、制御ユニット612は、加熱素子606を制御し、主導波路602aにおいて格子604の部分が選択されるITU波長を反射し、ITU選択波長に固定するようにする。
導波路656a、656bは、格子G0および格子G1〜G5と共に、デマルチプレクサを形成し、光検出器670の出力を加熱素子658に直接供給することによって、または光検出器670の出力を制御ユニット612の入力に供給し、今度は、加熱素子658に供給される電力を制御することによって較正される。図4のデバイス600は、図1に示される方式の特定の実施例を提供し、ひとまとめにして考えるデマルチプレクサの構成要素は、波長選択検出手段の実施例を提供し、参照検出器ユニット160に関する性能特性の範囲に含められる。導波路656a、656bと、結合器669〜679と、格子G0〜G5と、から構成されるこの検出器ユニットの部分は、格子604と同一の基板に集積されてもよく、または個別の基板(またはチップ)であってもよい。デバイスの2つの部分、すなわち主格子604およびデマルチプレクサが同一の基板に集積される場合には、導波路および格子の上にヒータを設けることによって、異なる温度を維持することができる。デバイスの2つの部分が個別の基板上にある場合には、基板に接続されるヒータ(またはクーラ)または格子の上にあるヒータのいずれかを用いることができる。
加熱素子658と熱的接触状態にある導波路656aの有効屈折率は、格子G0からの波長λ0の反射を最大にすることによって、
n0=λ0/2Λ0
によって与えられる値で維持される。以下に記載される公式、
ΔλITU=2n0(Λn+1−Λn)
によれば、連続するITU波長における反射を形成するために、他の格子G1〜G5を選択してもよい。式中、n番目のITU波長は、λITU (n)=2n0Λn=λ0Λn/Λ0である。したがって、光検出器672〜680の出力が所望の条件を満たすまで、制御ユニット612は、加熱素子606の温度を変化させるように構成される。光検出器672〜680の出力で符号化されるディジタル語を表示される波長または周波数に復号化することができ、たとえば、加熱素子606に関する制御信号を提供するために特定の出力を選択するための電子スイッチをプログラムするために用いることもできることを十分に理解すべきである。デバイス600は簡素な方向性結合器を用いるため、反射光の一部は、導波路656bに沿ってその格子に前置されるすべての光検出器に現れる。したがって、たとえば、格子G2から反射される2番目のITU波長に対応するディジタル語は、11000、または3番目のITU波長に対応するのは11100などであると考えられる。また、導波路656b内部に任意の数の格子を実装することができることを十分に理解すべきである。
n0=λ0/2Λ0
によって与えられる値で維持される。以下に記載される公式、
ΔλITU=2n0(Λn+1−Λn)
によれば、連続するITU波長における反射を形成するために、他の格子G1〜G5を選択してもよい。式中、n番目のITU波長は、λITU (n)=2n0Λn=λ0Λn/Λ0である。したがって、光検出器672〜680の出力が所望の条件を満たすまで、制御ユニット612は、加熱素子606の温度を変化させるように構成される。光検出器672〜680の出力で符号化されるディジタル語を表示される波長または周波数に復号化することができ、たとえば、加熱素子606に関する制御信号を提供するために特定の出力を選択するための電子スイッチをプログラムするために用いることもできることを十分に理解すべきである。デバイス600は簡素な方向性結合器を用いるため、反射光の一部は、導波路656bに沿ってその格子に前置されるすべての光検出器に現れる。したがって、たとえば、格子G2から反射される2番目のITU波長に対応するディジタル語は、11000、または3番目のITU波長に対応するのは11100などであると考えられる。また、導波路656b内部に任意の数の格子を実装することができることを十分に理解すべきである。
図5は、格子704を有する導波路702aと、複数のマッハ・ツェンダ干渉計M−Z1、M−Z2、M−Z3を有する参照導波路702bと、を具備する光学システム700を示している。図5に示されているように、マッハ・ツェンダフィルタM−Z1は周期Λ1を有する両方のアームにわたって格子G1を具備し、マッハ・ツェンダフィルタM−Z2は周期Λ2を有する両方のアームにわたって格子G2を具備し、マッハ・ツェンダフィルタM−Z3は周期Λ3を有する両方のアームにわたって格子G3を具備している。必要に応じて、より多いマッハ・ツェンダフィルタまたはより少ないマッハ・ツェンダフィルタを実装してもよいことを十分に理解すべきである。サーキュレータ720は、光データ源730の出力と導波路702aの入力との間で接続される。データ源730によって、導波路707を介してサーキュレータ720の第1のポートに供給されるWDM信号は、サーキュレータ720の第2のポートによって、導波路702aの入力に供給される。導波路702aに形成される格子704から反射される信号は、サーキュレータ720の第2のポートで反射され、サーキュレータ720の第3のポート(すなわち、ドロップポート)に接続される光データ受信器722に供給される。共通の加熱素子706は、格子704およびマッハ・ツェンダフィルタM−Z1、M−Z2、M−Z3の格子G1、G2、G3と熱的接触状態にある。光データ受信器740は、導波路709によって、導波路702aの出力に接続され、格子704によって透過される信号を受信する。既に述べたように、格子704から反射される信号は、サーキュレータ720によってデータ受信器722に供給される。
図5に示されるように、参照源762は、参照信号を参照導波路702bに供給する。方向性結合器771は、源762と第1のマッハ・ツェンダフィルタM−Z1との間に接続される。フィルタM−Z1から反射される信号は、結合器771によって光検出器772の入力に供給され、その出力は制御ユニット712の第1の入力に供給される。フィルタM−Z1の出力は、方向性結合器772の入力に光学結合され、その出力はフィルタM−Z2の入力に接続される。フィルタM−Z2の格子から反射される信号は、方向性結合器772によって光検出器774の入力に供給され、光検出器774の出力は制御ユニット712の第2の入力に接続される。フィルタM−Z2の出力は、方向性結合器773の入力に接続され、その出力はフィルタM−Z3の入力に接続される。フィルタM−Z3から反射される信号は、方向性結合器773によって受信され、光検出器776の入力に供給され、その出力は制御ユニット712の第3の入力に接続される。方向性結合器771、772、773は、3−dB結合器であり、反射光を隣接するドロップポートで完全にドロップすることができることが好ましい。たとえば、M−Z2の格子G2から反射される光のすべてまたは大部分は、検出器774などに送信される。
光検出器772、774、776から受信される出力信号に基づいて、制御ユニット712は、所望のITU波長に固定するために加熱素子706の温度を制御する。このような態様で、制御ユニット712は、フィルタM−Z1、M−Z2、M−Z3によって反射される波長を追跡して、どの波長が格子704によって反射されているかを選択的に決定し、所望の波長が固定され、格子704から反射されるように、加熱素子706の温度を制御することができる。
加熱素子706は、上部クラッディングの格子704およびG1、G2、G3の上に使用される薄膜ヒータであってもよく、または基板と直接接しているヒータまたは熱電子クーラ(TEC)であってもよい。いずれの場合も、共通の温度がすべての格子に関して維持されるため、デバイスは、主データ経路および参照経路の両方に関して、均一および同一の有効屈折率を形成する。デバイスは、温度によって、この有効屈折率を変化させることによって同調される。一例として、制御ユニット712が固定され、M−Z2からの反射信号として見られる検出器774からの出力を最大にするとき、有効屈折率は、
n(2)=λ0/2Λ2
となる。722で受信されるドロップ波長は、
λ2=2n(2)Λ2=λ0Λ/Λ2
である。このドロップ波長は、λ0、Λ、Λ2を適切に選択することによって、所望のITU波長λITU (2)に等しく構成される。
n(2)=λ0/2Λ2
となる。722で受信されるドロップ波長は、
λ2=2n(2)Λ2=λ0Λ/Λ2
である。このドロップ波長は、λ0、Λ、Λ2を適切に選択することによって、所望のITU波長λITU (2)に等しく構成される。
したがって、ITU格子において選択波長に固定される多数の波長選択光学デバイスについて述べてきた。波長選択光学デバイスは一般に、第1の導波路、第2の導波路、加熱素子および制御ユニットを具備している。上述したように、第1の導波路は、受信された波長分割多重化(WDM)信号から選択されるチャネルを反射する第1の導波路に形成される波長可変フィルタを具備し、第2の導波路は、参照信号を受信し、指示信号を供給する第2の導波路に形成される参照フィルタを具備している。1つまたは複数の加熱素子は波長可変フィルタおよび参照フィルタと熱的接触状態にあり、制御ユニットが加熱素子および参照フィルタに接続される。波長可変フィルタの選択されるチャネルを調整するために、制御ユニットは、参照フィルタによって供給される指示信号に応じて加熱素子の温度を変化させる。
本願明細書に述べるように、添付の特許請求の範囲に定義されるような本発明の精神または範囲を逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に対する種々の修正を行うことができることは、当業者には明白となるであろう。
Claims (32)
- ITU格子において選択波長に固定するための波長選択光学デバイスであって、
受信される波長分割多重化(WDM)信号から選択されるチャネルを反射する第1の波長可変フィルタと、
前記第1の波長可変フィルタの近くに設けられ、参照信号を受信し、指示信号を供給する第2の波長可変参照フィルタと、
前記波長可変参照フィルタおよび前記参照フィルタと熱的接触状態にある加熱素子と、
前記加熱素子および前記参照フィルタに接続され、前記波長可変フィルタの前記選択されるチャネルを調整するために、前記参照フィルタに供給される前記指示信号に応じて、前記加熱素子の温度を変化させる制御ユニットと
を具備することを特徴とする波長選択光学デバイス。 - 前記波長可変フィルタは、ブラッグ格子であることを特徴とする請求項1に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記波長可変フィルタおよび前記参照フィルタは、ブラッグ格子であることを特徴とする請求項1に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記波長可変フィルタは、第1の導波路内部に形成され、前記参照フィルタは、第2の導波路内部に形成されることを特徴とする請求項3に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照信号は、前記受信されるWDM信号の一部であり、前記指示信号は、前記参照フィルタを通過する透過信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項1に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照信号は、前記受信されるWDM信号とは無関係に、参照源によって供給されることを特徴とする請求項1に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照フィルタは、異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号は、前記参照フィルタを通過する透過信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項6に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照フィルタは、異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号は、前記参照フィルタによって反射される反射信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項6に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記複数の直列に接続される階段格子のそれぞれが、異なるマッハ・ツェンダ干渉計のアームにわたって形成されることを特徴とする請求項8に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照源は、広帯域源であり、前記指示信号は、前記参照フィルタによって反射される反射信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項4に記載の波長選択光学デバイス。
- 参照格子および異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号が前記複数の直列に接続される階段格子の入力に供給されるモニタ導波路と、
別の参照信号を前記参照格子に供給する参照源と、
前記参照格子および前記複数の直列に接続される階段格子と熱的接触状態にあり、前記制御ユニットに接続される第2の加熱素子と、をさらに具備し、前記第2の加熱素子の温度が、前記参照格子によって反射される別の反射信号の少なくとも一部である第2の指示信号に応じて、前記制御ユニットによって制御され、前記直列に接続される階段格子のそれぞれが、前記制御ユニットを用いて前記第2の導波路に形成される前記参照フィルタから反射される信号の波長を決定するように、前記制御ユニットへ格子指示信号を供給することを特徴とする請求項10に記載の波長選択光学デバイス。 - 前記加熱素子が、前記波長可変フィルタの温度および特性を変化させるための第1の加熱素子と、前記参照フィルタの温度および特性を変化させるための第2の加熱素子と、を具備し、前記第1の加熱素子および前記第2の加熱素子が個別に制御可能であることを特徴とする請求項1に記載の波長選択光学デバイス。
- 第1の導波路に設けられる波長可変フィルタであって、受信される波長分割多重化(WDM)信号から選択されるチャネルを反射する波長可変フィルタを具備する第1の導波路と、
第2の導波路に設けられる参照フィルタであって、参照信号を受信し、指示信号を供給する参照フィルタを具備する第2の導波路と、
前記波長可変フィルタおよび前記参照フィルタと熱的接触状態にある加熱素子と、
前記加熱素子および前記参照フィルタに接続され、前記波長可変フィルタの前記選択されるチャネルを調整するために、前記参照フィルタによって供給される前記指示信号に応じて、前記加熱素子の温度を変化させる制御ユニットと、を具備する ITU格子において選択されるチャネルに固定するための波長選択光学デバイスと、
前記波長選択光学デバイスの入力に接続され、前記波長選択光学デバイスの入力に前記WDM信号を供給する光データ源と、
前記光データ源によって送信される前記WDM信号の少なくとも1つのチャネルを受信するための前記波長選択光学デバイスの出力に接続される光データ受信器と、
を具備することを特徴とする光学システム。 - 前記波長可変フィルタは、ブラッグ格子であることを特徴とすることを特徴とする請求項13に記載の光学システム。
- 前記波長可変フィルタおよび前記参照フィルタは、ブラッグ格子であることを特徴とする請求項13に記載の光学システム。
- 前記参照信号は、前記受信されるWDM信号の一部であり、前記指示信号は、前記参照フィルタを通過する透過信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項13に記載の光学システム。
- 前記参照信号は、前記受信されるWDM信号とは無関係に、参照源によって供給されることを特徴とする請求項13に記載の光学システム。
- 前記参照フィルタは、異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号は、前記参照フィルタを通過する透過信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項17に記載の光学システム。
- 前記参照フィルタは、異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号は、前記参照フィルタによって反射される反射信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項17に記載の光学システム。
- 前記複数の直列に接続される階段格子のそれぞれが、異なるマッハ・ツェンダ干渉計のアームにわたって形成されることを特徴とする請求項19に記載の光学システム。
- 前記参照源は、広帯域源であり、前記指示信号は、前記参照フィルタによって反射される反射信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項13に記載の光学システム。
- 前記波長選択光学デバイスが、
参照格子および異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号が前記複数の直列に接続される階段格子の入力に供給されるモニタ導波路と、
別の参照信号を前記参照格子に供給する参照源と、
前記参照格子および前記複数の直列に接続される階段格子と熱的接触状態にあり、前記制御ユニットに接続される第2の加熱素子と、をさらに具備し、前記第2の加熱素子の温度が、前記参照格子によって反射される別の反射信号の少なくとも一部である第2の指示信号に応じて、前記制御ユニットによって制御され、前記直列に接続される階段格子のそれぞれが、前記制御ユニットを用いて前記第2の導波路に形成される前記参照フィルタから反射される信号の波長を決定するように、前記制御ユニットへ格子指示信号を供給することを特徴とする請求項21に記載の光学システム。 - 前記加熱素子が、前記波長可変フィルタの温度および特性を変化させるための第1の加熱素子と、前記参照フィルタの温度および特性を変化させるための第2の加熱素子と、を具備し、前記第1の加熱素子および前記第2の加熱素子が個別に制御可能であることを特徴とする請求項13に記載の光学システム。
- ITU格子において選択波長に固定するための波長選択光学デバイスであって、
第1の導波路に形成される波長可変フィルタであって、受信される波長分割多重化(WDM)信号から選択されるチャネルを反射する波長可変フィルタを具備する第1の導波路と、
第2の導波路に形成される参照フィルタであって、参照信号を受信して指示信号を供給する参照フィルタを具備する第2の導波路と、
前記波長可変フィルタおよび前記参照フィルタと熱的接触状態にある加熱素子と、
前記加熱素子および前記参照フィルタに接続され、前記波長可変フィルタの前記選択されるチャネルを調整するために、前記参照フィルタによって供給される前記指示信号に応じて、前記加熱素子の温度を変化させる制御ユニットと
を具備し、前記波長可変フィルタおよび前記参照フィルタがブラッグ格子であることを特徴とする波長選択光学デバイス。 - 前記参照信号は、前記受信されるWDM信号の一部であり、前記指示信号は、前記参照フィルタを通過する透過信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項24に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照信号は、前記受信されるWDM信号とは無関係に、参照源によって供給されることを特徴とする請求項24に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照フィルタは、異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号は、前記参照フィルタを通過する透過信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項26に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照フィルタは、異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号は、前記参照フィルタによって反射される反射信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項26に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記複数の直列に接続される階段格子のそれぞれが、異なるマッハ・ツェンダ干渉計のアームにわたって形成されることを特徴とする請求項28に記載の波長選択光学デバイス。
- 前記参照源は、広帯域源であり、前記指示信号は、前記参照フィルタによって反射される反射信号の少なくとも一部であることを特徴とする請求項24に記載の波長選択光学デバイス。
- 参照格子および異なる周期をそれぞれ有する複数の直列に接続される階段格子を具備し、前記指示信号が前記複数の直列に接続される階段格子の入力に供給されるモニタ導波路と、
別の参照信号を前記参照格子に供給する参照源と、
前記参照格子および前記複数の直列に接続される階段格子と熱的接触状態にあり、前記制御ユニットに接続される第2の加熱素子と、をさらに具備し、前記第2の加熱素子の温度が、前記参照格子によって反射される別の反射信号の少なくとも一部である第2の指示信号に応じて、前記制御ユニットによって制御され、前記直列に接続される階段格子のそれぞれが、前記制御ユニットを用いて前記第2の導波路に形成される前記参照フィルタから反射される信号の波長を決定するように、前記制御ユニットへ格子指示信号を供給することを特徴とする請求項30に記載の波長選択光学デバイス。 - 前記加熱素子が、前記波長可変フィルタの温度および特性を変化させるための第1の加熱素子と、前記参照フィルタの温度および特性を変化させるための第2の加熱素子と、を具備し、前記第1の加熱素子および前記第2の加熱素子が個別に制御可能であることを特徴とする請求項24に記載の波長選択光学デバイス。
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