JP4181417B2 - Ｗｄｍに適用するためのマルチモード干渉カプラー - Google Patents

Description

（発明の分野）
本発明は、波長分割多重システムに有効な装置および方法に関する。より詳細には、本発明は、信号における所定の群速度分散を有する光学装置に関する。

（背景）
波長分割多重方式（ＷＤＭ）は、光ファイバ通信システムで伝送能力を増加させるための技術である。これを目的をして、光ルータを含む複数の光学デバイスが研究および開発されている。

通常の光ルータは、少なくとも１つの入力ポートおよび少なくとも１つの出力ポートを有する。光信号に関連する光線は、光信号の搬送波波長に従って入力ポートから出力ポートに接続される。光ルータの実例は、マルチプレクサ、デマルチプレクサおよびＮ×Ｎ光ルータを含む。

しかし、ＷＤＭシステムが高速データ伝送用に用いられるときは常に、多くの問題を克服しなければならない。これらの問題は、郡速度分散（ＧＶＤ）および微分群遅延時間（ＤＧＤ）を含む。

ＧＶＤは、ＷＤＭシステムにおいてデータ速度が増加したときに生じる問題である。このシステムにおいて群速度分散の大きさが十分に大きい場合、隣接パルスとして伝送される光パルスは、かなりの程度オーバーラップするパルスとして受信される。隣接パルスのオーバーラッピングは、システムのビットエラー速度を増加させて、結果的に、光ファイバシステムの性能を劣化させる。この性能の劣化を防ぐために、通常、このシステムの全ての部品は、ある許容値内の群速度分散の値を有することが必要とされる。この許容量限界は、データ速度が特定の用途に対して増加するにつれて、より小さくなる。高速ビット速度の用途に対して、光ルータは、各波長チャネルに関連する帯域全体で低い、または、ゼロに十分近い群速度分散の値を有することが通常必要とされる。光ルータは、各チャネルの通過帯域の実質的な部分内において、群速度分散の絶対値のうちで低い値を有する必要がある。

微分群遅延時間（ＤＧＤ）は、ＷＤＭシステムにおいてデータ速度が増加するときに克服しなければならない別の問題である。ＤＧＤは、最小の群遅延を提供する分極状態に対する群遅延を差し引いた、最大群遅延を提供する分極状態に対する群遅延である。光ファイバの伝送システムが分極モード分散によって劣化することを防ぐために、これらの部品の各々は、十分に低いＤＧＤを有する必要がある。一般的に、ＤＧＤは、ＧＶＤに正に相関している。従って、ＧＶＤが低いと保証すると、通常、ＤＧＤは低いことが保証される。

光波長ルータを製造するための１つの技術は、平面光波回路（ＰＬＣ）技術である。典型的なＰＬＣは、平面導波路および／またはチャネル導波路を含む。平面導波路およびチャネル導波路の実例は、Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋによる「Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｇｕｄｉｄｅｄ−Ｗａｖｅ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｏｎｉｃｓ Ｔ．Ｔａｍｉｒ ｅｄ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９８８、ならびに、Ｈ．Ｎｉｓｈｉｈａｒａ、Ｍ．ＨａｒｕｎａおよびＴ．Ｓｕｈａｒａによる「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８７に示される。

平面（またはスラブ）導波路において、光線は、１次元で薄い（通常３μｍと３０μｍとの間）領域を伝搬するように制限される。本明細書中では側面方向または高さと呼ばれて、他の２つの次元（通常１ｍｍと１００ｍｍとの間）に延長される。本明細書中で、発明者らは、ＰＬＣの側面方向の次元に垂直な平面をＰＬＣの平面としている。長手方向は、ＰＬＣの任意の点における光の伝搬方向として定義される。さらに、側面方向は、ＰＬＣの平面に垂直であるとして定義され、横方向は、長手方向および側面方向の両方の方向に垂直であるとして定義される。

チャネル導波路において、光線は、側面方向と横方向との両方の方向に実質的に限定される光のフィールドを有する。通常のチャネル導波路において、このフィールドは、側面方向に３μｍ〜３０μｍ延びて（本明細書中では高さとする）、横方向に３μｍと１００μｍとの間延びた（本明細書中では幅とする）領域内に実質的に限定される。

通常、チャネル導波路を伝搬する光線の光フィールドは、ノーマルモードの線形の組み合わせを含む。ノーマルモードは、Ｅ^ｘ _ｐｑおよびＥ^ｙ _ｐｑとして示されてもよい。ここで、ｐおよびｑは、負ではない任意の整数であってもよく、ｘおよびｙは、分極モードを示すように用いられる。ここで、ｘは、側面方向を表し、ｙは、横方向を表す。Ｈ．ｎｉｓｈｉｈａｒａ、Ｍ．ＨａｒｕｎａおよびＴ．Ｓｕｈａｒａによる「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ」、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８７、ｐ．２９を参照されたい。この文献中では、φ_ｉは、場合に応じて、Ｅ^ｘ _{０，ｉ−１}、Ｅ^ｙ _{０，ｉ−１}またはＥ^ｘ _{０，ｉ−１}とＥ^ｙ _{０，ｉ−１}との線形の組み合わせのうちのいずれかを表す。つまり、φ_１は、側面方向または横方向のいずれにもノードを有さないモードに関し、φ_３は、側面方向にノードを有さず、横方向に２つのノードを有するモードに関する。本明細書中では、φ_１モードは、基本モードと呼ばれる、あるいは、第１モードと呼ばれてもよい。本明細書中において、φ_３モードは、第３モードと呼ばれてもよい。

ＰＬＣを構築することについて様々な方法がある。ＰＬＣの通常の実例において、スラブ導波路は、石英ガラスの３つの層を含み、頂上部クラッディング層と底部クラッディング層との間にあるコア層を有する。チャネル導波路は、チャネル導波路の横の限界を越えたコア材料を（通常エッチング処理によって）少なくとも部分的に取り除いて、それを少なくとも１つの（コア材料の屈折率よりは低い屈折率を有する）サイドクラッディング材料の層と交換することによって形成されることが多い。サイドクラッディング材料は、通常、上部クラッディング材料と同じ材料である。さらに、各層は、コア層が上部クラッディングまたは底部クラッディングのうちのいずれかよりも高い屈折率を有するような様態でドーピングされ得る。石英ガラスの層が光学層に対して用いられると、これらの層は、通常シリコンウェハの上に堆積される。第２の実施例として、スラブ導波路およびチャネル導波路は、３つ以上のＩｎＧａＡｓＰの層を含む。隣接する層は、異なるパーセンテージの構成要素Ｉｎ、Ｐ、ＧａおよびＡｓである構成を有し得る。第３の実施例として、スラブ導波路および／またはチャネル導波路の１つ以上の光学層は、光透過ポリマーを含んでもよい。スラブ導波路の第４の実施例は、傾斜した屈折率を有する層を含む。これにより、最大屈折率領域は、より低い屈折率領域によって制限される。ドーピングされた石英導波路が通常好まれる。なぜなら、この導波路は、多くの魅力的な特性（低コスト、低損失、低複屈折、安定性およびファイバへのカプリング互換性）を有しているからである。

上記のチャネルおよびスラブ導波路に加えて、様々なＰＬＣは、少なくとも１つの光分散領域（例えば、アレイ状導波路）を含んでもよい。アレイ状導波路格子ルータ（ＡＷＧＲ）は、平面光波回路であり、少なくとも１つの入力チャネル導波路、入力スラブ導波路、アレイ状導波路（ＡＷＧ）、出力スラブ導波路および少なくとも１つの出力チャネル導波路を含む。入力導波路が取り付けられる入力スラブ導波路のエッジは、本明細書中では、入力焦点曲線と呼ばれる。出力導波路が取り付けられる出力スラブ導波路のエッジは、本明細書中では、出力焦点曲線と呼ばれる。

アレイ状導波路格子は、導波路のアレイを含む。ＡＷＧのｉ番目の導波路の長さは、Ｌ_ｉとして記述される。ＡＷＧによって提供される角度分散は、隣接する導波路Ｌ_ｉ＋１−Ｌ_ｉの間の長さの差によって部分的に決定される。ＡＷＧＲの構成および動作の詳細は、Ｍ．Ｋ．Ｓｍｉｔ、Ｃ．Ｖａｎ Ｄａｍによる「ＰＨＡＳＡＲ−Ｂａｓｅｄ ＷＤＭ−Ｄｅｖｉｃｅｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．２，ｎｏ．２，ｐｐ．２３６−２５０（１９９６）、Ｋ．ＭｃＧｒｅｅｒによる「Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ Ｆｏｒ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｒｏｕｔｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｍａｇａｚｉｎｅ，ｖｏｌ．３６，ｎｏ．１２，ｐｐ．６２−６８（１９９８）、および、Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏによる「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、ｐｐ．３４６−３８１，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ，ＵＳＡ（２０００）に記載される。本出願に関する公報および特許文献の各々は、その全体が本明細書中で参照として援用される。

ＡＷＧＲの１つのタイプは、ガウス通過帯域ＡＷＧＲ（Ｇ−ＡＷＧＲ）である。Ｇ−ＡＷＧＲにおいて、ＡＷＧの隣接する導波路間の長さの差Ｌ_ｉ＋１−Ｌ_ｉは、実質的にｉに独立している（すなわち、Ｌ_ｉ＋１−Ｌ_ｉは、ＡＷＧ全体において一定である）。このタイプのＡＷＧＲは、Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏによる「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、ｐｐ．３４６−３６０，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，ＣＡ，ＵＳＡ（２０００）に記載されている。本明細書において、接続幅は、接続幅の各スラブ導波路に接続幅が取り付けられる場所で、入力または出力波長が有する幅として定義される。この構成は、結果的に、ほぼガウス形状となる通過帯域を提供するＡＷＧＲとなる。

通過帯域の形状は、２つのフィールドのたたみこみによって決定される。たたみこみの第１のフィールドは、ＡＷＧを通過する光線から形成され、出力焦点曲線上にイメージされる。たたみこみの第２のフィールドは、出力焦点曲線における出力導波路の基本モードである。Ｇ−ＡＷＧＲにおいて、たたみこみの両フィールドは、実質的にガウシアンであり、結果的に、通過帯域は、実質的にガウシアンである。理想的なＧ−ＡＷＧＲにおいて、位相誤差も振幅誤差もなく、結果的に、群遅延時間およびＧＶＤは、いずれも通過帯域の中心でゼロに等しい。Ｈ．Ｙａｍａｄａ，Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ａ．Ｋａｎｅｋｏ，Ａ．Ｓｕｇｉｔａによる「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ Ｆｒｏｍ Ｐｈａｓｅ Ａｎｄ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｅｒｒｏｒｓ Ｉｎ Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ−Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ，ｖｏｌ．２５，ｎｏ．８，ｐｐ．５６９−５７１（２０００）を参照されたい。しかし、実際に、製造誤差は、通過帯域の中心で非ゼロのＧＶＤを生じ得る位相誤差および振幅誤差につながる。

ＡＷＧＲの別のタイプは、通過帯域扁平ＡＷＧＲ（ＰＦ−ＡＷＧＲ）である。ＰＦ−ＡＷＧＡの通過帯域は、通常Ｇ−ＡＷＧＲの通過帯域よりも広い。この状況において、比較的広い通過帯域は、比較的大きな平坦値を有する通過帯域と呼ぶ。ここで、平坦は、−２０ｄＢの通過帯域によって分割された−１ｄＢの通過帯域幅として定義される。通常、Ｇ−ＡＷＧＲは、約０．２２の通過帯域の平坦度を有し、通常、ＰＦ−ＡＷＧＲは、０．３以上の平坦度を有することが必要とされる。このことは有利である。なぜなら、Ｇ−ＡＷＧＲによって提供され得る以上に広い通過帯域が、多くの用途に必要とされるからである。

ＡＷＧＲの通過帯域を広げる様々な技術がある。ＡＷＧＲの通過帯域を広げる一つの技術は、入力側か出力側かのいずれかにおいて、スラブ導波路とチャネル導波路との間にＭＭＩカップラを導入することである。例えば、Ｊ．Ｂ．Ｄ．Ｓｏｏｌｅらの「Ｕｓｅ Ｏｆ Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｃｏｕｐｏｌｅｓ Ｔｏ Ｂｒｏａｄｅｎ Ｔｈｅ Ｐａｓｓｂａｎｄ Ｏｆ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ＷＤＭ Ｆｉｌｔｅｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．８，ｎｏ．１０，ｐｐ．１３４０−１３４２（１９９６）、Ａｍｅｒｓｏｏｔらによる米国特許第５，６２９、９９２号、Ｄｒａｇｏｎｅによる米国特許第５，４１２，７４４号を参照されたい。しかし、ＭＭＩカップラを用いることによって、過剰な光学挿入損失となる。

ＡＷＧＲの通過帯域を広げる別の技術は、入力側か出力側かのいずれかにおいてスラブ導波路とチャネル導波路との間に「ホーン（ｈｏｒｎ）」を導入することに関係している。ＭＭＩカップラの代わりにホーンを用いることは、有利である。なぜなら、このホーンは、より滑らかでより断熱した遷移を提供し、ホーンを使用することは、製造プロセス中の様々なことに対して最も耐性があるからである。断熱遷移が遷移損失を最小化するので、断熱遷移が概して用いられる。

ＰＦ−ＡＷＧＲ光学ルータ１０の実施例は、図１Ａに示されており、Ｋ．ＯｋａｍｏｔｏおよびＡ．Ｓｕｇｉｔａによる「Ｆｌａｔ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ａｒｒａｙ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ Ｗｉｔｈ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｈｏｒｎｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．３２，ｎｏ．１８，ｐｐ．１６６１−１６６２（１９９６）に開示された例に類似している。ルータ１０は、１つ以上の入力導波路２０、入力スラブ導波路３０、アレイ状導波路格子（ＡＷＧ）４０、１つの出力スラブ導波路５０および１つ以上の出力導波路６０を含む。

図１Ａに示されるように、入力導波路２０は、放物状導波路ホーンまたはテーパー８０を介して入力導波路３０にカプリングされる。通常、このようなテーパーの長さは、１５０μｍと１５００μｍとの間である。

図１Ｂは、放物状導波路ホーンまたはテーパーの拡大図を示す。テーパーの幅は、徐徐に増加しているように示され、これにより、この幅は、入力焦点曲線９０で最大である。この例において、長手方向の距離の関数としてのテーパーの幅は、放物型関数
Ｗ^２＝（ｚ／Ｌ）（Ｗ_Ｌ ^２−Ｗ_０ ^２）＋Ｗ_０ ^２ （１）
によって記載される。ここで、Ｗ_Ｌは、テーパーの最大幅、Ｗ_０は、テーパーの最小幅、Ｌは、テーパーの長さ、ｚは、長手方向のテーパーの狭い端部からの距離、そして、Ｗは、任意のｚにおけるテーパーの幅である。このテーパーの形状は、放物状のテーパーとして特徴付けられ得る。

別のテーパーの設計は、Ｏｋａｗａらの米国特許第６，０６９，９９０号に示される。

しかし、上記に参照した設計はいずれも、本明細書で開示された所定の群速度分散（ＧＶＤ）を有する装置および方法を開示していない。

さらに、同時に通過帯域を広げて、低ＧＶＤを維持する光学装置が必要である。

さらにまた、本明細書中に開示された遷移セグメントを組み込むために有効な方法および装置が必要である。

本発明のある局面は、所定の領域内にＧＶＤを維持する方法および装置を提供することである。

本発明の別の局面は、光学装置のＧＶＤを動的に制御する方法および装置を提供することである。

本発明のさらに別の局面は、他のコンポーネントによって導入された他の非ゼロのＧＶＤ値を補償するために、制御された非ゼロのＧＶＤを提供することである。

本発明のさらに他の局面および特徴は、この開示によって明らかとなる。

（発明の要旨）
本発明は、光学通信システムにおいて有効である。特に、本発明は、波長分割多重システムで信号の選択された群速度分散を提供する能力がある。

本発明は、遷移セグメントを介してスラブ導波路を少なくとも１つのチャネル導波路に光学的に接続する。この遷移セグメントは、テーパー部およびテーパー延長部を含む。このテーパー部は、狭い端部および広い端部を有し、テーパー部の狭い端部は、チャネル導波路に光学的に接続するように構成される。遷移セグメントは、延長部をさらに含む。この延長部は、第１の端部および第２の端部を含み、延長部の第１の端部は、テーパー部の広い端部に光学的に接続されるように構成され、延長部の第２の端部は、スラブ導波路に光学的に接続されるように構成され、第１の端部および第２の端部は、幅が等しい。

本発明の１つの改変は、少なくとも１つの入力導波路、少なくとも１つの入力導波路に光学的に接続された第１のスラブ導波路、光学分散領域を介して第１のスラブ導波路に光学的に接続された第２のスラブ導波路、第２のスラブ導波路に光学的に接続された少なくとも１つの出力導波路、および、少なくとも１つの入力導波路を第１のスラブ導波路に光学的に接続している少なくとも１つの遷移セグメントを含む光学装置である。少なくとも１つの遷移セグメントは、テーパー部、および、テーパー部の広い端部を第１のスラブ導波路に光学的に接続している延長部を含む。

本発明は、複数の遷移セグメントを含み、この遷移セグメントは、上記のように入力側に、デバイスの出力側に、または、デバイスの入力側と出力側との両方に配置され得る。複数の延長部が存在する場合、各遷移セグメントは、同一であるか異なり得る。幅、長さ、曲率、角度および材料等の特性は、予め選択され得る。

本発明の遷移セグメントは、また、コントローラまたはコンピュータ等のプログラム可能なデバイスによって制御される加熱素子を含んでもよい。フィードバックループは、延長部で一定の温度を維持するように用いられ得る。あるいは、遷移セグメントは、電子素子または音響素子を含んでもよい。

本発明の別の改変では、光学装置は、アレイ状の導波路格子を含む。あるいは、この光学装置は、一体化反射格子を用いてもよい。

本発明の別の改変では、光学装置は、入力側にある１つ以上の遷移セグメントに加え、少なくとも１つの出力導波路を第２のスラブ導波路に光学的に接続している少なくとも１つの出力テーパー部を含む。少なくとも１つの出力テーパー部は、第１の端部、および、第１の端部よりも広い幅を有する第２の端部を含む。この第２の端部は、スラブ導波路に光学的に接続される。少なくとも１つの出力テーパー部の幅は、光学格子が基本モードのみで提供されるように十分狭い、光学格子が第３のモードに備えて基本モードから第３のモードへのカプリングが実質的に無視できるように十分に広い、放物型形状、または、線形形状であってもよいが、これらに制限されない。あるいは、出力側は、一定幅の導波路を特徴として、テーパー部を有しなくてもよい。

本発明の別の改変は、光学通信システムの性能を改善する方法を含む。この方法は、性能が改善されるように、光学通信システムの光学コンポーネントでＧＶＤの値を構築することを含む。ＧＶＤの値は、少なくとも１つのチャネル導波路をスラブ導波路に光学的に接続するように構成された少なくとも１つの遷移セグメントを含む光学コンポーネントを提供することによって構築される。この遷移セグメントは、狭い端部および広い端部をを有するテーパー部を含み、テーパー部の狭い端部は、チャネル導波路に光学的に接続するように構成されている。この遷移セグメントは、第１の端部および第２の端部を有する延長部をさらに含む。この延長部の第１の端部は、テーパー部の広い端部に光学的にカプリングするように構成され、この延長部の第２の端部は、スラブ導波路に光学的にカプリングするように構成される。この第１の端部および第２の端部は、等しい幅を有する。

本発明の方法の改変は、光学装置に複数の延長部を提供することを含む。この延長部の各々は、異なる長さを有して、別の光学通信コンポーネントから導入されたゼロではないＧＶＤをキャンセルするゼロではないＧＶＤを提供する。

本発明の他の改変は、前述のテキストおよび参照の図面によって明らかとなる。

（詳細な説明）
本発明は、光学通信システムに有効な装置である。本発明は、例えば、マルチプレキシングルータ、デマルチプレキシングルータ、Ｎ×Ｎルータ（Ｎは、入力導波路および出力導波路の数である）または一入力一出力導波路のみを有するフィルタであってもよい。特に、本発明は、新規の遷移セグメント、あるいは、ＡＷＧまたは一体化反射格子に基づく光学ルータにある様々な構造間（例えば、スラブ導波路とチャネル導波路との間）のカプリングを提供する。遷移セグメントは、光学装置を通って伝播する光の光学フィールドに影響を与えることによって、ＧＶＤの所定の値（例えば、ゼロにほぼ等しい値）を構築し得る。結果として、光学通信システムの性能が改善され得る。本発明が基づくと考えられる本発明の構造および理論は、以下に記載される。

本発明に従う遷移セグメント１００の例は、図２Ａに示される。図２Ａの遷移セグメント１００は、チャネル導波路１１０とスラブ導波路１２０との間のカプリングを提供する。本発明の遷移セグメントは、モード変換構造、または、狭い端部１３２および広い端部１３４を有するテーパー部１３０、ならびに、第１の端部１４２および第２の端部１４４を有する延長部を含む。これにより、テーパー部の広い端部は、テーパー延長部の第１の端部に光学的に接続されている。好ましくは、テーパー延長部１４０は、実質的に一定の幅を有する。テーパー部１３０がモード変換を提供する一方で、以下に記載するように、テーパー延長部１４０がモード変換を提供しないことも好ましい。

遷移セグメント１００は、テーパー１３０等のモード変換構造を含む。例えば、テーパー部の狭い端部は、φ_１モードを支援し得るチャネル導波路を含んでもよいが、φ_３モードを支援することはできない。テーパー部の他の端部、すなわち、広い端部は、φ_１モードを支援し得、φ_３モードも支援し得るチャネル導波路を含んでもよい。横方向のφ_１モードの大きさは、狭い端部よりも広い端部における方が大きい。さらに、テーパー部は、テーパー部の端部間の中間構造を含み得るので、狭い端部におけるテーパー部内へのφ_１モードでのフィールド伝搬は、広い端部のフィールドに断熱的に接続する。これにより、広い端部のフィールドは、全体的にφ_１モードで構成されているわけではない。

ある好ましい中間構造は、このテーパー部の一方の端部から他方の端部に滑らかに増加する幅を有するチャネル導波路を含む。例えば、このテーパー部は、長手方向の距離１μｍ毎に幅が２μｍより増加しないように、幅が増加し得る。

しかし、中間構造の他のタイプは、例えば、Ｋｅｎｎｅｔｈ ＭｃＧｒｅｅｒによる「ＤＥＮＤＲＩＴＩＣ ＴＡＰＥＲ ＦＯＲ ＡＮ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＲＯＵＴＥＲ」と称されて、２００１年２月２３日に出願された米国特許出願第（番号は後に指定される）号に開示された樹木状のテーパー部に組み込まれ得るが、これに限定されない。樹木状のテーパー部１４６の実施例は、図２Ｂに示される。

本発明によるさらに別の改変は、図２Ｄおよび２Ｅに示される構造を含む。図２Ｄでは、追加したブランチ５１０および５２０を有するモード変換構造またはテーパー部が示される。ブランチ５１０は、テーパー領域５３０では連続している。しかし、ブランチ５２０は、テーパー領域５３０では連続していない。これらのブランチは、図２Ｅに示されるモード変換構造と関連していてもよい。ブランチは、好ましくは、長手方向の大きさで １０ ｍ．よりも小さい。

図２Ｆおよび２Ｇは、本発明によるさらに別の構造を示す。図２Ｆにおいて、例えば、モード変換構造は（テーパー領域５５０）およびモード変換構造（延長部分５７０）は、分離した被膜材料領域５６０を含む。被膜材料領域５６０は、テーパー部および拡張部をコア材料の別々のセクションに分離する。好ましくは、コア材料の別々のセクションは、１０μｍ未満だけ離れて分離される。しかし、本発明は、これらに制限されず、他の透過物が本発明を実施するために用いられ得る。

図２Ｆで示されるように、分離した被膜材料領域５６０は、テーパー部または延長部の幅全部を延長し得る。あるいは、図２Ｇに示されるように、別々の被膜材料領域５８０は、テーパー部または延長部の幅全体を延長しない。分離した材料領域の適切な幅は、１０μｍ未満であり得る。つまり、分離した被膜材料領域は、横方向に１０μｍ未満延長し得る。同様に、被膜材料の適切な長さは、１０μｍ未満である。つまり、分離した被膜材料領域は、長手方向に１０μｍ未満延長し得る。しかし、被膜材料領域は、他の大きさを有していてもよい。

延長部分も多くの形状を有し得る。上記されたように、テーパー部は、好ましくは、テーパー部の長さ全体で実質的に一定の幅を有する。しかし、本発明は、これらに制限されず、テーパー延長部は、テーパー延長部の長さ全体で、幅が増加したり減少したりしてもよい。この幅の減少および増加は、線形、曲線、または、用途に適した任意の他の関数に従ってもよい。あるいは、テーパー拡張部は、図２Ｃで示された樹木状の延長部等の他の適切な幾何学的形状を有していてもよい。樹木状の設計は、Ｋｅｎｎｅｔｈ ＭｃＧｒｅｅｒによる「ＤＥＮＤＲＩＴＩＣ ＴＡＰＥＲ ＦＯＲ ＡＮ ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＲＯＵＴＥＲ」と称された、上記で参照された特許出願に開示されている。

本発明のテーパー拡張部は、遷移セグメントを通る光伝搬の光学的フィールドに影響を与える。より詳細には、本明細書中で開示されたテーパー部を用いることによって、テーパー延長部の一方の側の第１のモードが、テーパーの他方の側で第３のモードに実質的に接続されていない状態を維持する。テーパー延長部の一方の端部において第１のモードに接続された光は、テーパー延長部のもう一方の他方の端部に伝搬し、ここで、この光は、実質的に第３のモードに接続するのではなく、第１のモードに接続する。従って、テーパー延長部は、第１のモードと第３のモードとが共に接続することを防ぎ、光学装置の性能を改善する。従って、このテーパー延長部は、モード保存構造として動作する。

様々な光学装置は、上記の遷移セグメントを組み込み得る。図３Ａは、本発明に従うＰＦ−ＡＷＧＲ１５０を示す。図３Ａでは、ＰＦ−ＡＷＧＲ１５０は、１つ以上の入力（または第１の）チャネル導波路１６０、入力（または第１の）スラブ導波路１７０、アレイ状導波路格子（ＡＷＧ）１８０、出力（または第２の）スラブ導波路１９０および１つ以上の出力（または第２の）チャネル導波路２００を含む。

図３Ａはまた、遷移セグメント２１５を示す。このセグメントは、入力側、出力側または両側で、スラブ導波路とチャネル導波路との間の光学的接続を提供する。遷移セグメント２１５は、通常長さが２００μｍと２５００μｍの間である。

図３Ａに示されるＰＦ−ＡＷＧＲにおいて、遷移セグメント２１５は、ガウシアン通過帯域形状よりも広く、所望の限界内でＧＶＤを維持する通過帯域形状を提供するように設計される。

図３Ｂおよび３Ｃは、出力側および入力側それぞれの、チャネル導波路とスラブ導波路との間の光学的接続を示す拡大図である。分かりやすくするために、本発明は、入力側のみの本発明の遷移セグメントで説明される。しかし、本発明がこれらに制限されず、遷移セグメントは、ＡＷＧＲの出力側に、入力側と出力側との両方に、または、２つの側の任意に組み合わせで組み込まれてもよい。本発明は、信号をマルチプレクスまたはデマルチプレクスするように用いられてもよい。

図３Ｂに示すように、出力チャネル導波路２３０は、テーパー部２２０を介して出力スラブ導波路に光学的に接続される。テーパー部２２０は、モード変換テーパー部であってもよく、テーパー部２２０が広い端部において第３のモードを支援しないように構成されてもよい。テーパー２２０は、直線で示され、Ｗ_０で記述される値からＷ_Ｌで記述される値まで増加する幅を有する。この幅は、テーパー部がスラブ導波路と接続する場所において、幅が最大値、Ｗ_Ｌとなる。この幅は、テーパー部がチャネル導波路２３０に接続する場所において、幅が最小値、Ｗ_０となる。さらに、チャネル導波路２３０がテーパー部と接続する場所のチャネル導波路２３０の幅もＷ_０に等しい値を有する。

好ましい実施形態において、テーパー部は、光がテーパー部の狭い端部からテーパー部の広い端部に伝搬する場合に、その光が実質的に基本モードのままであるように設計される。好ましい実施形態の１つの変形では、テーパー部がスラブ導波路を繋がる場所におけるテーパー部の幅、Ｗ_Ｌは、十分に狭いので、これにより、テーパー部は、基本光学モードに対してはガイドを提供するが、第３のモードに対してはガイドを提供しない。

別の改変では、テーパー部がスラブ導波路と繋がる場所において、そのテーパー部の幅Ｗ_Ｌは、基本モードから第３のモードへの接続が実質的に無視できるように設計される。

光の伝搬方向で遷移セグメントに沿った距離の関数としてテーパーの幅は、線形であってもよく、線形の関数
Ｗ＝（ｚ／Ｌ）（Ｗ_Ｌ−Ｗ_０）＋Ｗ_０
によって記述される。

このテーパー部は、線形テーパー部を指している。好ましい実施形態の別の改変では、放物型テーパー部が用いられる。光の伝搬方向で遷移セグメントに沿った距離の関数として、このテーパー部の幅は、上記されたように、式１で与えられた放物型関数によって記載される。好ましい実施形態のさらに別の改変では、出力チャネル導波路は、出力スラブ導波路に直接に接続される。つまり、出力チャネル導波路および出力スラブ導波路は、テーパー部なしで接続される。

図３Ｃに示されるように、遷移セグメント２１５は、入力チャネル導波路２１０と入力スラブ導波路１７０との間の光学カプリングを提供する。本発明の遷移セグメント２１５は、テーパー部２５０および延長部２６０を含む。図３Ｃにおいて、テーパー部は、Ｗ_０として記述される値からＷ_Ｌとして記述される値に滑らかに増加する幅を有する。この幅は、遷移セグメントがスラブ導波路１７０と接続する場所で、その最大の値Ｗ_Ｌを有する。この幅は、遷移セグメントが入力チャネル導波路２１０と接続する場所で、その最小の値Ｗ_０を有する。さらに、入力チャネル導波路２１０がテーパー部に接続される場所で入力チャネル導波路２１０が有する幅はもＷ_０に等しい値を有する。放物型のテーパー部が好ましい。すなわち、光の伝搬方向のテーパーに沿った距離の関数としてテーパーの幅は、式１に示された放物型の関数によって記述される。しかし、このテーパー部は、線形であってもよい。さらに、このテーパー部は、上記されたような様々な中間の構造を含んでもよい。

延長部２６０がまた、図３Ｃで示される。延長部２６０は、一定の幅を有してもよい。図３Ｃで示されたテーパー延長部の幅Ｗ_Ｌは、テーパーセグメントがテーパー延長部と接続される場所で、テーパーセグメントが有する幅に等しい。このテーパー延長部は、十分に広く、第３のモード用にガイドを提供する。この実施形態の１つの改変では、１つの入力導波路のみが提供される。この実施形態の別の改変では、複数の入力導波路が提供される。各々の入力導波路は、同じ遷移セグメントの設計である。すなわち、各々の入力導波路は、同じテーパー部の設計およびテーパー延長部の設計である。本発明の別の改変では、複数の入力導波路が提供される。各々の入力導波路は、異なる遷移セグメントの設計である。

動作中に、放物型のテーパーを通って伝搬する光のフィールドは、基本モードからマルチモードフィールドに変換される。これにより、放物型テーパー部が別の導波路コンポーネントに接続する場所でのフィールドは、マルチモードフィールドである。通過帯域を広げることを達成するために、放物型のテーパー部の幅は、放物型のテーパー部が、第３のモードをガイドするために他の導波路コンポーネントに接続する場所で十分に広くあるべきである。

従って、遷移セグメントは、通過帯域形状に影響を与える。このことを示すために、光が入力チャネル導波路から入力焦点曲線に伝播される場合に生成される入力焦点曲線での正規化光学フィールドをφとする。光が出力チャネル導波路から出力焦点曲線に伝播される場合に生成される出力焦点曲線での正規化光学フィールドをψとする。入力焦点曲線から出力焦点曲線までの光の伝搬に関連するフィールド伝搬器をＦ（λ）とする。光の伝搬が反対方向であるフィールド伝搬器をＲ（λ）とする（すなわち、出力焦点曲線から入力焦点曲線）。通過帯域形状は、スペクトル透過率によって決定される。好ましい実施形態において、入力ファイバから入力焦点曲線までの伝搬に関連するフィールド伝搬器（「ｆ」と記す）は、光の波長に実質的に独立している。また、好ましい実施形態において、出力ファイバから出力焦点曲線までの伝搬に関連するフィールド伝搬器（「ｒ」と記す）は、光の波長に実質的に独立している。ｆおよびｒが波長に独立している場合、通過帯域の形状は、Ｉによって決定される。これは、入力焦点曲線と出力焦点曲線との間のスペクトル透過率である。ファイバからファイバへのスペクトル伝送率は、遷移セグメントのファイバカプリング損失および放射損失に関連する、波長に独立した要因であるＩによって異なる。スペクトル透過率は、Ｔに依存し、これは、入力焦点曲線から出力焦点曲線への光の伝搬に関連する伝達関数である。ＩとＴとのこの関係は、
Ｉ＝ＴＴ^＊
ここで、Ｔ^＊は、Ｔの複素共役である。光がＡＷＧＲの入力焦点曲線からＡＷＧＲの出力焦点曲線に伝搬するとき、伝達関数は、Ｒ（λ）φとψとの内積によって与えられる。光が反対方向に（以前にＡＷＧＲの「出力側」と呼ばれたＡＷＧＲのサイドから、以前にＡＷＧＲの「入力側」と呼ばれたＡＷＧＲのサイドに）伝搬するとき、この伝達関数は、φとＲ（λ）ψとの内積によって与えられる。相反の原理によって、伝達関数は、光の伝搬の方向と独立しており、
Ｔ＝＜Ｆ（λ）φ｜ψ＞＝＜φ｜Ｒ（λ）ψ＞
によって与えられる。

ここで、「＜ｙ_１｜ｙ_２＞」は、関数ｙ_１およびｙ_２の内積演算を示す。従来のＡＷＧＲにでは、ＦおよびＲは、フィールドの形状を保存し、光学フィールドを含む光の波長と実質的に線形に増加する距離によってフィールドを変換するのみである。この場合、＜Ｆ（λ）φ｜ψ＞は、フィールドφおよびψのたたみ込みである。Ｇ−ＡＷＧＲでは、φとψとの両方は、ガウシアンである。従って、Ｔがガウシアンであり、Ｉがガウシアンである。

本発明によると、ＡＷＧＲの入力側における放物状テーパー部によって、通過帯域が広がる。これにより、入力焦点曲線でのフィールドであるφは、ガウシアン形状ではなく、双峰（ｂｉｍｏｄａｌ）形状を有する。好ましい実施形態では、出力焦点曲線であるψは、出力焦点曲線における出力波長の基本モードである。

Ｔへの虚部の貢献とＧＶＤとの間の関係は、
ＧＶＤ＝（１／２πｃ）（ｄ^２Ψ／ｄσ^２）
によって与えられる。ここで、σは、波数（すなわち、σ＝１／λ）であり、ｃは、真空中における光の速度であり、Ψは、
ｔａｎ（Ψ）＝Ｉｍ（Ｔ）／Ｒｅ（Ｔ）
によるＴに関連する。

この関係から、ＧＶＤは、Ｔが波数と独立している通過帯域の任意の部分全体でゼロの値を有することが明らかである。Ｔは、Ｉ、および、Ｔから計算されるＧＶＤの値に影響を与えることなく、単位量かつ任意の位相の複素定数によって乗算され得ることが明らかである。これにより、次のように解析される。Ｔの任意の２つの展開が単位量を有する複素定数因子だけ異なる場合、それらは等しいと想定される。

遷移セグメントのフィールドを第１のモードと第３のモードとの線形の組み合わせとして近似することによって、２つのモード近似で通過帯域を広げることに関するより詳細な記述が展開され得る。好ましい実施形態は、横の方向に垂直で、かつ、テーパー部の中心を横切る平面に対して垂直なテーパー部を含むので、第２のモードへのカプリングは、無視される。この２つのモードの近似において、φは、
φ＝ｃ_１φ_１＋ｃ_３φ_３ （２）
として展開され得る。
ここで、φ_ｉは、ｉ番目のモードの正規化フィールドとし、ｃ_ｉは、ｉ番目のモードで伝搬しているパワーの一部に関する係数とする。概して、ｃ_１およびｃ_３は、複素数であり得、一方、φ_１およびφ_３は、実数関数である必要がある。本発明者らは、畳み込みを用いているために、φ_１は、そのモードの中心近傍の局所的最大値を有し、φ_３は、そのモードの中心近傍の局所的最小値を有する。これらの関数は、図４に描かれる。一般性を失うことなく、本発明者らは、ｃ_１が実数であることを必要としている。ｃ_３は、第３のモードが入力焦点曲線において第１のモードと同相である場合に実数である。より一般的には、ｃ_３は、第１のモードと第３のモードとの位相差がπの整数倍である場合、そしてこの場合のみ、実数である。本発明の一実施形態において、可能な限り小さい、詳細には、ｃ_３の実部よりもかなり小さい虚部を有するｃ_３値をテーパー延長部が提供することが１つの目的である。従来技術において、遷移セグメントは、ｃ_３の実部に対してｃ_３の虚部の大きさを容易に制御することを考慮していない。

可能な限り小さな虚部を有するｃ_３値を得ることは、以下に記載する理由により、効果的である。２つのモード近似では、伝達関数は、
Ｔ＝ｃ１＜Ｆ（λ）φ１｜ψ＞＋ｃ３＜Ｆ（λ）φ３｜ψ＞
によって与えられる。

上記の展開の第１項がガウシアンであるので、ガウシアンから導かれる通過帯域は、第２項によって提供される。つまり、ｃ_３のゼロではない値は、ＰＦ−ＡＷＧＲにおいて通過帯域を広げるために重要である。この伝達関数の実部および虚部は、
Ｔ＝［ａ_１＜Ｆ（λ）φ_１｜ψ＞＋ａ_３＜Ｆ（λ）φ_３｜ψ＞］＋ｉ［ｂ_３＜Ｆ（λ）φ_３｜ψ＞］
によって陽に表され得る。
ここで、ｃ_１＝ａ_１、
ｃ_３＝ａ_３＋ｉｂ_３ （３）
ａ_１、ａ_３およびｂ_３は、実数である。他には、Ｔ＝Ｔ_０＋ｘ＋ｉｙと表現される。
ここで、Ｔ_０＝ａ_１＜Ｆ（λ）φ_１｜ψ＞ （４ａ）
ｘ＝ａ_３＜Ｆ（λ）φ_１｜ψ＞ （４ｂ）
ｙ＝ｂ_３＜Ｆ（λ）φ_３｜ψ＞ （４ｃ）
および
ｔａｎ（Ψ）＝ｙ／［ｘ＋Ｔ_０］ （５ａ）
ＧＶＤ＝（１／２πｃ）（ｄ^２Ψ／ｄσ^２） （５ｂ）
Ψに従属している波長は、Ｆ（λ）に従属している波長に帰属している。好ましい実施形態において、上述した伝搬器（ｐｒｏｐａｇａｔｏｒ）のフィールドｆは、実質的に波長に独立している。従って、ｂ_３は、実質的に波長に独立している。上述の方程式は、Ψが十分小さい場合、ｔａｎ（Ψ）が実質的にΨの線形関数であり、ＧＶＤは、実質的にｂ_３に線形に比例することを示している。

従って、低ＧＶＤの目的は、各波長チャネルに関連する帯域全体でｂ_３が可能な限り小さいことを保証することによって、満足され得る。

本発明の延長部は、可能な限り小さいｂ_３の値を提供するために用いられ得る。この延長部は、第１の端部および第２の端部を有する。この第１の端部は、テーパー部に接続され、第２の端部は、焦点曲線においてスラブ導波路に接続される。この拡張部が一定の幅を有しているので、延長部の２つのモードφ_１およびφ_３に関連するフィールドは、延長部の一方の端部から他方の端部まで光が伝搬するときに一定のままである。ｃ_１０およびｃ_３０は、テーパー延長部の第１の端部におけるフィールドを含むφ_１およびφ_３の線形の組み合わせの係数を示し、φ_０と記述される。すなわち、
φ_０＝ｃ_１０φ_１＋ｃ_３０φ_３ （６）
である。

延長部の第２の端部におけるフィールドは、
φ＝ｃ_１０ｅｘｐ（ｉβ_１Ｌ_ｅ）φ_１＋ｃ_３０ｅｘｐ（ｉβ_３Ｌ_ｅ）φ_３ （７）
によって与えられる。ここで、β_１およびβ_３は、それぞれ第１のモードおよび第３のモードの伝搬係数であり、Ｌ_ｅは、延長部の長さである。一般的に、第１のモードおよび第３のモードは、テーパー延長部の第１の端部において、位相がずれている。式２，３，６および７を組み合わせて、次の式８となる。

ｂ_３＝ａ_１Ａｓｉｎ（（β_１−β_３）Ｌ_ｅ＋α） （８）
ここで、Ａおよびαは、
Ａｅｘｐ（ｉα）＝ｃ_３０／ｃ_１０ （９）
従って、２つのモード設計において、伝達関数は、延長部の長さが
Ｌ_ｅ＝α／（β_１−β_３）＋ｎπ （１０）
によって与えられている場合、虚部を有さない。
ここで、ｎは整数である。Ｌ_ｅの値は、ｎの値にも関連していることが好ましい。なぜなら、それらは、ｎの奇数値に関連しているＬ_ｅの値よりも広い通過帯域に備えているからである。ｎの偶数値および奇数値を有する延長部の効果は、それぞれ図４Ａおよび図４Ｂに示される。Ｌ_ｅの好ましい値は、上記の式によって満たされる最小の負ではない値である。｜ｃ_３０／ｃ_１０｜＝｜ｃ_３／ｃ_１｜（すなわち、延長部）は、第３のモードによって伝達される光学パワーのフラクションを変化させない。この実施形態では、テーパー部の役割と延長部の役割との間に明らかな差がある：テーパー部の機能は、第１のモードから第３のモードへ全光学パワーの適切なフラクションを伝達することであり、一方、延長部の機能は、２つのモード間の相対的パワーに影響を与えることなく、第１のモードと第３のモードとの間の相対的位相を調節することである。

テーパー延長部は、｜ｃ_３／ｃ_１｜を変化させないが、伝達関数を変化させることにも留意すべきである。なぜなら、伝達関数が第１のモードおよび第３のモードの相対的位相、ならびに、これらの２つのモードの相対的パワーに依存しているからである。

結果として、通過帯域を広げる範囲は、延長部に影響される。この１つの例は、第１のモードの位相に対してπだけ第３のモードの位相を変化させることに関連する通過帯域の変化が、図４Ａおよび図４Ｂに示される。

この実施例の１つの改変では、延長部の長さは、
ｂ_３が各波長チャネルに関連する帯域全体で可能な限りゼロに近くなるようにａ_３の値を与える方法に従って、設計される。この改変の方法は、２つのモードの近似を適用する。

この実施形態の第２の改変では、延長部の長さは、可能な限り平坦なフィールドを焦点曲線において提供する（すなわち、フィールドの位相フロントが実質的に平面であり、延長部がスラブ導波路と合う場所で焦点曲線と平行である）方法に従って設計される。ビーム（ｂｅａｍ）伝搬法は、平面の位相フロントを達成する設計を提供する設計方法の一部として用いられ得る１つの技術である。

この実施形態の第３の改変では、延長部の長さは、実験データによって設計され、各波長チャネルに関連して、一方で適切な形状および幅の帯域を同時に提供する帯域全体で受け入れ可能な限界内であるＧＶＤの値を提供するように設計される。

この実施形態の第４の改変では、延長部は、通過帯域によるＧＶＤ変差を最小化するように設計される。例えば、この延長部は、帯域幅内で｜ｄＧＶＤ／ｄλ｜の値を最小化するように設計され得る。あるいは、この延長部は、通過帯域内のＧＶＤの値の範囲を最小化するように設計されてもよい。

この実施形態の第５の改変では、この延長部の長さは、最適帯域幅を提供するように設計される。従って、本発明は、チャネル導波路およびスラブ導波路をカプリングする遷移セグメントを提供し、これにより、ＧＶＤが予め決定され、および／または、制御される。

上記されたように、テーパー部および延長部の広い端部の幅は、等しくてもよい。テーパー部の形状の幅がある比率に応じて増加するが、テーパー部は、１μｍ長さにつき２μｍより幅が増加しないことが好ましい（すなわち、テーパー部は、好ましくは、２：１に比率よりおおきな比率で増加しない）。テーパー部の狭い端部および広い端部の適切な幅の範囲は、それぞれ、５μｍ〜１５μｍ、１０μｍ〜５０μｍである。テーパー部の長さの適切な範囲は、１５０μｍ〜５００μｍであり、延長部の長さの適切な範囲は、１０μｍよりも大きい。

（第２の実施形態）
φ（入力焦点曲線のフィールド）がマルチモードである上記の実施形態に加えて、φおよびψの両方がマルチもードであってもよい。このフィールドは、
φ＝ｃ_１φ_１＋ｃ_３φ_３
および
ψ＝ｄ_１ψ_１＋ｄ_３ψ_３
として２つのモード近似が表され得る。
そして、伝達関数は、
Ｔ＝＜Ｆ（λ）（ｄ_１φ_１＋ｃ_３φ_３）｜（ｄ_１ψ_１＋ｄ_３ψ_３）＞
として表さ得る。

この実施形態の１つの改変では、スラブ導波路とチャネル導波路との間のカプリングは、ＡＷＧＲの入力側および出力側の両方で遷移セグメントを提供することを含む。ここで、各遷移セグメントは、φおよびψの平坦なフィールドを提供するテーパー延長部を含む。この実施形態の第２の改変では、スラブ導波路とチャネル導波路との間のカプリングは、ＡＷＧＲの出力側ではなく、入力側の本発明のセグメントを提供することを含む。この改変において、ψが（概して）平坦なフィールドを有しないという事実は、φに平坦ではない位相を提供することによって補償される必要がある。詳細には、φは、Ｔに虚部を与えない第１のコンポーネントおよび第３のコンポーネントの特別な組み合わせである必要がある。第３の改変では、テーパー延長部は、入力側および出力側の両方に組み込まれてもよく、テーパー延長部の長さは、たとえ各テーパー延長部の長さがφおよびψの平坦なフィールドを提供しないとしても、Ｔに虚部を提供しないように設計される。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の別の改変を示す。本発明の遷移セグメントは、スラブ導波路とチャネル導波路との間のカプリングを提供する。図７で示される遷移セグメントは、ＡＷＧＲの入力側、出力側、または、それらの両側に組み込まれ得る。図７では、テーパー延長部の長さは、ゼロとは異なるＧＶＤの値を提供するように設計される。ゼロではないＧＶＤの値は、それが、ゼロではないＧＶＤの値の効果を光学通信システムの別の部分からキャンセルするように用いられる場合に、望ましい。

この実施形態の１つの改変では、ＡＷＧＲは、デマルチプレクサとして設計され、本発明の遷移セグメントは、出力チャネル導波路の各々に対して適用される。これにより、各テーパー延長部２４０は、異なる長さを有し、異なるＧＶＤの値を補償する。この実施形態の第２の改変では、ＡＷＧＲは、マルチプレクサとして用いられ、本発明の遷移セグメントは、入力チャネル導波路の各々に対して適用され、これにより、各テーパー延長部は、異なる長さを有し、異なるＧＶＤの値を補償する。これらの改変のいずれかは、光学信号を伝達するように用いられる光ファイバーから生じるＧＶＤを補償するように用いられ得る。光ファイバーから生じるＧＶＤは、信号を伝達するように用いられる光学キャリアの波長に依存した値を有する。従って、光ファイバーは、マルチプレキシングシステムにおいて、各チャネルに対して異なる量のＧＶＤを導入し得る。この実施形態は、各チャネル毎にこのＧＶＤを補償し得る。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、図８に図示される。この実施形態では、テーパー延長部２５０は、一定ではない幅を有する。しかし、テーパー延長部の幅の変化は、十分段階的なので、このテーパー延長部を通って光が伝播するにつれて、第１のモードと第３との間でほとんどモード変換が進行しない。

図８に示された改変は、焦点曲線２６０に近づくにつれて、幅が狭くなるテーパー部２５０を示す。別の改変では、テーパー延長部の一方の端部からの長手方向の距離であるｚの関数としてのテーパー延長部の幅は、線形、放物状関数、様々な周期を有するシヌソイダル関数、一つの周期も有しないシヌソイダル関数、または、任意の他の数学関数であってもよい。このテーパー部の幅の変化が十分段階的であるので、この実施形態におけるテーパー延長部を光が通るにつれて、第１のモードの光学パワーに対する第３の光学パワーは、実質的に変化しない。

（第５の実施形態）
本発明の別の実施形態（図示せず）は、上記の実施形態で要点を述べた限界を越えるテーパー延長部を特徴とする。この実施形態の光学パワーは、光がテーパー延長部を通って伝播するにつれて、第１のモードに対して変化する。

この実施形態において、テーパー延長部は、テーパー延長部が焦点曲線に近づくにつれて幅が狭くなり得る。別の改変において、テーパー延長部は、テーパー延長部が焦点曲線に近づくにつれて幅が増加し得る。テーパー延長部の一方の端部からの長手方向の距離であるｚの関数としてのテーパー延長部の幅は、線形、放物状関数、様々な周期を有するシヌソイダル関数、一つの周期も有しないシヌソイダル関数、または、任意の他の数学関数であってもよい。光がこの実施形態のテーパー延長部を通るにつれて、第１のモードの光学パワーに対する第３のモードの光学パワーは変化する。第３のモードと第１のモードとの間の相対的位相が（第１の実施形態のように）正確になり、第１のモードと第３のモードとの間の相対パワーが正確になるように、このテーパー延長部は設計される。

（第６の実施形態）
本発明のさらに別の実施形態は、図９Ａおよび図９Ｂに示される。この実施形態は、延長部のうちの少なくとも一つで（β_１−β_３）の値を動的に制御する手段を特徴とする。（β_１−β_３）を制御することによって、ｂ_３の制御は、
Δｂ_３＝ａ_１Ａｃｏｓ（（β_１−β_３）Ｌ_ｅ＋α）Ｌ_ｅΔ（β_１−β_３）
に従って、提供される。

さらに、デルタｂ_３を制御することによって、式４および５に従って、ＧＶＤの制御が提供される。従って、Ｌ_ｅが大きな値であるために、ＧＶＤは、Δ（β_１−β_３）の変化により敏感になる。従って、Ｌ_ｅが大きな値であることは、この実施形態において好ましい。Ｌ_ｅの適切な値は、例えば、１ｍｍと１０ｍｍとの間であり得る。この実施形態の一つの改変は、（β_１−β_３）の値は、単一の入力導波路に接続された延長部によって制御され、ＡＷＧＲは、デマルチプレクサとして用いられる。第２の改変では、（β_１−β_３）は、ＡＷＧＲデマルチプレクサとして用いられる出力チャネル導波路のテーパー延長部の各々によって制御される。この第２の改変では、ＧＶＤは、各光学チャネルそれぞれに対して動的に調節され得る。第３の改変では、（β_１−β_３）の値は、ＡＷＧＲマルチプレクサとして用いられる単一の出力導波路のテーパー延長部によって制御される。第４の改変では、（β_１−β_３）の値は、ＡＷＧＲマルチプレクサとして用いられる単一の入力チャネル導波路のテーパー延長部の各々によって制御される。この改変では、ＧＶＤは、各光学チャネルに対してそれぞれ動的に調節され得る。第２および第４のこれらの改変は、光ファイバのＧＶＤを補償するように適用され得る。この光ファイバは、各チャネルに対して同じではない値を有するＧＶＤを有する。さらに、ＧＶＤの値を動的に調節する能力は、このシステムのファイバの長さが変化するので、または、ゼロではないＧＶＤを有する他の補償が置き換えられるので、ファイバからの平均のＧＶＤの変化を補償するように用いられ得る。

（β_１−β_３）の制御は、多くの技術によって実行され得る。一つの技術では、局所的な加熱器が（β_１−β_３）を制御するように用いられる。この局所的な加熱器は、加熱器ストリップ３００および二つの接触リード３１０、３２０含む。この加熱器ストリップは、実質的にゼロではない抵抗を有する金属のストリップを含む。加熱器ストリップ用の一つの適切な金属として、タングステンがある。クロムは、加熱器ストリップ用の別の適切な金属である。この加熱器ストリップの幅は、通常２〜５０μｍである。加熱器ストリップの長さの適切な範囲は、０．５Ｌ_ｅと２Ｌ_ｅとの間、または、０．５ｍｍと２０ｍｍとの間である。

好ましくは、加熱器ストリップは、延長部のコア材料の直ぐ上にある被膜と接触して置かれる。好ましい接触リードは、低電気抵抗を有する金属のストリップを含み、ワイヤボンディングに適した金属パッドに接触している。延長部の温度は、加熱器ストリップを通って通過する電流の値に関する。（β_１−β_３）の値は、延長部の温度に関する。加熱器ストリップの電流を制御することによって、延長部の温度は、（β_１−β_３）の所望の値を提供するように制御され得る。（β_１−β_３）を調節することによって、ｂ_３の値が調節され、これにより、ＧＶＤの値は、選択された値に調節される。

電流を調節することは、当業者に公知であるので、達成され得る。例えば、特定の時間に特定の電流を流すようにプログラム可能なコントローラが用いられてもよい。コンピュータは、また、フィードバックループを組み込むように用いられて、特定の電流および計測された温度を維持してもよい。温度計測は、この加熱器に、または、この加熱器の近くに置かれた温度センサを用いて達成されてもよい。適切な温度センサの例は、サーミスタである。延長部の温度は、従って、ＧＶＤの最適値を提供するように調節され得る。

第２の、技術において（β_１−β_３）の値は、テーパー部を含む材料層に電荷キャリア（すなわち、電子またはホール）を挿入することによって調節される。例えばＩｎＧａＡｓＰ等の層を光学的にガイドする半導体層をＰＬＣが含むときに、この技術は適切である。

第３の技術では、（β_１−β_３）の値は、電子光学効果を用いて調節される。この電気光学効果は、低周波数電界に直流電流を適用することから生じる屈折率の変化である。電気光学効果の例は、リチウムニオベートのポケット効果およびＩｎＰベースの量子井戸デバイスにおける量子閉じ込めシュタルク効果を含むがこれらに制限されない。光をガイドする半導体をＰＬＣが含むときに、または、例えばリチウムニオベート層等の高電気光学係数を有する層をＰＬＣが含むときに、この技術は適切である。

この実施形態は、また、ＤＧＤを制御するように用いられ得る。なぜなら、上記のように、ＧＶＤを変化させることは、通常ＤＧＤを変化させることとなるからである。

（第７の実施形態）
図１０は、本発明の別の実施形態を示す。図１０では、一体化屈折格子４００が、入力チャネル導波路４１０および出力チャネル導波路４２０に光学的に接続されている。一体化屈折格子は当業者に公知の方法に従う。

図１１は、入力および出力導波路の拡大図である。図１１も遷移セグメントを示す。上記の実施形態と同様に、遷移セグメントは、テーパー部４３０およびテーパー延長部４４０を特徴とする。この遷移セグメントは、入力チャネル導波路および／または出力チャネル導波路とスラブ導波路との間に配置され得る。

本発明に従う他の修正は、本発明の範囲を逸脱することなく、図１０〜１１に示される実施形態に実行され得る。このような修正は、出力チャネルテーパー部４４５を接続する延長部を加えること、延長部４４０に金属ストリップを加えること、および、光学ルータとしてマルチプレクサまたはデマルチプレクサを用いることを含むがこれらに制限されない。

（実施例）
本発明の効果を実証するために、本発明者らは、本発明に従う遷移セグメントを含むＰＦ−ＡＷＧＲ（「テストデバイス」）を設計し、製造し、試験した。

このテストデバイスは、放物型形状を有する入力テーパー部を含んだ。このテストデバイスはまた、０μｍ〜２８０μｍの範囲の長さを有するテーパー延長部を特徴とした。

３つの線形出力テーパー設計がテストされた。一つの出力テーパー設計は、焦点曲線で１６μｍであり、９００μｍの長さであった。第２の出力テーパー設計は、焦点曲線で１４μｍであり、７００μｍの長さであった。第３の出力テーパー設計は、焦点曲線で１２μｍであり、５００μｍの長さであった。テーパー延長部を有している出力テーパーはなかった。ＧＶＤは、これらの設計の各々に対して計測された。

このデータは、図５に示される。図５において、四角のシンボルは、１２μｍの最大幅を有する出力テーパー部によるデータを表す。「＋」のシンボルは、１４μｍの最大幅を有する出力テーパー部によるデータを表す。「×」のシンボルは、１６μｍの最大幅を有する出力テーパー部によるデータを表す。テーパー延長部の低い値に対するデータは、関数：ＧＶＤ（ｐｓ／ｎｍ）＝−１１．０＋．１３５Ｌ_ｅ／μｍに従う。ＧＶＤは、約８０μｍのテーパー延長部に対してゼロである。

テーパー延長部が２００μｍよりも長くない場合、ＧＶＤがテーパー延長部の長さに線形に変化することをこれらのデータは示している。これは、ｔａｎ（Ψ）が線形である領域に対して、上記の理論と一致している。さらに、ＧＶＤは、出力テーパー設計によって実質的に変化していない。なぜなら、ψ（出力テーパー部の焦点曲線におけるフィールド）は、まだ実質的に基本モードであるからである。上記の出力部を含む各デバイスは、改変の実施例である。この実施例において、出力テーパー部は、第３のモードをガイドするが、第３のモードへのカプリングが無視できるように設計される。図５に示された実験データに従って、この実施例で用いられるデバイスに対する最低のＧＶＤは、約８０μｍのテーパー延長部の長さによって提供される。

図６は、テーパー延長部の長さによって通過帯域の形状もある程度影響を受けることを示す。図６では、８つの異なるテーパー延長部の長さに対する通過帯域（または、スペクトル透過率Ｉ）が示される。テーパー延長部の長さは、各プロットの挿入に対して示される。ここで用いられるＰＦ−ＡＷＧＲ設計に対して、通過帯域は、約８０μｍのテーパー延長部の長さに対して最も平坦である。

従って、この例では、最低のＧＶＤであると同時に、最適な通過帯域の平坦さとなる。実験データは、二つのモード最適化に基づく本発明者らのシミュレーションに定性的に一致している。この例のＡＷＧＲは、−０．５ｄＢ、−１ｄＢおよび−３ｄＢの基準レベルにで、挿入損失、調節分離、非調節分離、通過帯域リップル、分極依存損失および通過帯域幅に対して評価された。これらの全てのカテゴリで、性能が同じであるか、テーパー延長部が用いられた場合に改善されたかであった。

本発明の特定の実施形態および改変が説明されてきたが、他の修正は、当業者に明らかであり、本発明の一部として考えられ、別紙の特許請求の範囲に規定された本発明によってカバーされることが意図される。

図１Ａは、放物状入力テーパー部を含む従来技術のＰＦ−ＡＷＧＲを示す。 図１Ｂは、図１Ａで示された入力テーパー領域の拡大図である。 図２Ａは、本発明に従う遷移セグメントを図示する。 図２Ｂは、本発明の図２Ａで示される様々な遷移セグメントである。 図２Ｃは、本発明の図２Ａで示される様々な遷移セグメントである。 図２Ｄは、本発明の図２Ａで示される様々な遷移セグメントである。 図２Ｅは、本発明の図２Ａで示される様々な遷移セグメントである。 図２Ｆは、本発明の図２Ａで示される様々な遷移セグメントである。 図２Ｇは、本発明の図２Ａで示される様々な遷移セグメントである。 図３Ａは、テーパー部および延長部を含む本発明に従うＰＦ−ＡＷＧＲを図示する。 図３Ｂは、図３Ａにおける出力導波路と出力導波路との間の光学的接続の拡大図である。 図３Ｃは、図３Ａに示される遷移領域の拡大図である。 図４Ａは、φ_１とφ_３とが同位相にあるときの、φ_１、φ_３、φ、ψおよびＴの図式的な表示である。 図４Ｂは、φ_１とφ_３とがπだけ位相がずれているときの、φ_１、φ_３、φ、ψおよびＴの図式的な表示である。 図５は、実験データに基づくＧＶＤ対Ｌ_ｅを示すチャートである。 図６は、実験データに基いてＬ_ｅに依存する通過帯域を示すチャートである。 図７は、異なる長さを有する複数のテーパー状の拡張部を含む遷移領域を示すチャートである。 図８は、幅の変化するテーパー状の拡張部を含む遷移領域を示す。 図９Ａは、ＧＶＤを制御する加熱素子を有するＰＦ−ＡＷＧＲを示す。 図９Ｂは、図９Ａに示される遷移領域の拡張部である。 図１０は、一体化した反射格子を有する本発明の改変を示す。 図１１は、図１０の焦点曲線領域の拡大図である。

Claims (24)

1. 波長分割多重システムにおいて用いられる波長合分波機能を有する光学装置であって、
   該光学装置は、少なくとも１つのチャネル導波路をスラブ導波路に光学的に結合するように構成された少なくとも１つの遷移セグメントを含み、
   該遷移セグメントは、
   狭い端部と広い端部とを含むモード変換構造であって、該狭い端部は、該少なくとも１つチャネル導波路のうちの１つのチャネル導波路に光学的に結合するように構成されており、該広い端部から該狭い端部にテーパーしている該モード変換構造の形状は、放物線状テーパー部または樹木状テーパー部を含み、該モード変換構造は、該狭い端部における第１のモードと該広い端部における光学フィールドとを結合するように構成されており、該光学フィールドは、該第１のモードのコンポーネントと第３のモードのコンポーネントを含む、モード変換構造と、
   第１の端部と、第２の端部と、該第１の端部と該第２の端部との間の中間モード保存構造とを含む延長部であって、該中間モード保存構造は、該第１の端部における該第１のモードと該第２の端部における該第１のモードとを結合し、該第１の端部における該第３のモードと該第２の端部における該第３のモードとを結合し、該第１の端部における該第１のモードと該第２の端部における該第３のモードとの間の実質的な結合を防ぎ、該第１の端部における該第３のモードと該第２の端部における該第１のモードとの間の実質的な結合を防ぐように構成されており、該第１の端部と該第２の端部との間において該延長部の幅は、一定であるか、線形的に増加するか、線形的に減少するかのいずれかである、延長部と
   を含み、
   該延長部は、平坦な位相フロントを有する光学フィールドを該第２の端部において提供する長さを有し、
   該延長部の該第１の端部は、該モード変換構造の該広い端部に光学的に結合するように構成されており、該延長部の該第２の端部は、該スラブ導波路の入射端に光学的に結合するように構成されている、光学装置。
2. 前記テーパーの前記広い端部における光学フィールドの光学パワー伝搬が前記狭い端部における第１のモードの該光学パワー伝搬に等しいように、前記モード変換構造はさらに構成されている、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記延長部は、曲線を有する、請求項１または２に記載の光学装置。
4. 前記モード変換構造および前記延長部のうちの少なくとも１つは、コア材料と被膜材料とを含み、該被膜材料は、該コア材料を少なくとも２つの離散コア材料部分に分離する、請求項１または２に記載の光学装置。
5. 前記少なくとも２つの離散コア材料部分は、１０μｍ未満だけ分離されている、請求項４に記載の光学装置。
6. 前記モード変換構造は、樹木状テーパー部を含む、請求項１または２に記載の光学装置。
7. 前記延長部は、加熱素子、電子素子および音響素子からなる群から選択される素子をさらに含む、請求項１または２に記載の光学装置。
8. 前記延長部は、加熱素子を含む、請求項７に記載の光学装置。
9. 前記加熱素子は、金属ストリップを含み、該金属ストリップは、該金属ストリップに電圧が印加された場合には前記延長部の温度に影響を与える、請求項８に記載の光学装置。
10. 前記モード変換構造および前記延長部のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つのブランチをさらに含む、請求項１または２に記載の光学装置。
11. 前記少なくとも１つのブランチは、前記モード変換構造および前記延長部のうちの少なくとも１つと連続している、請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記少なくとも１つのブランチは、前記モード変換構造および前記延長部のうちの少なくとも１つと連続していない、請求項１１に記載の光学装置。
13. 第１のスラブ導波路と、
    アレイ状導波路格子を介して該第１のスラブ導波路に光学的に結合された第２のスラブ導波路と、
    該第２のスラブ導波路に光学的に結合された少なくとも１つの導波路と、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学装置を介して該第１のスラブ導波路に光学的に結合された少なくとも１つの導波路と
    を含む、ルータ。
14. 前記延長部は、各波長チャネルに関連付けられた全通過帯域で虚部を有さない伝達関数を前記ルータに提供する長さを有する、請求項１３に記載のルータ。
15. 前記延長部は、関連付けられた波長チャネルの通過帯域内でＧＶＤの値の最小変動を前記ルータに提供する長さを有する、請求項１３に記載のルータ。
16. 各延長部は、複数の延長部の長さの平均に等しい長さを有する、請求項１４に記載のルータ。
17. 少なくとも１つの延長部は、複数の延長部の長さの平均に等しくない長さを有する、請求項１４に記載のルータ。
18. 各延長部は、加熱素子をさらに含む、請求項１７に記載のルータ。
19. 前記加熱素子は、金属ストリップを含み、該金属ストリップは、該金属ストリップに電圧が印加された場合に該延長部の温度に影響を与える、請求項１８に記載のルータ。
20. 一体化反射格子を含むスラブ導波路と、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学装置を介して該スラブ導波路に光学的に結合される少なくとも１つの導波路と
    を含む、ルータ。
21. 前記少なくとも１つの延長部は、各波長チャネルに関連付けられた全通過帯域で虚部を有さない伝達関数を前記ルータに提供する長さを有する、請求項２０に記載のルータ。
22. 前記延長部は、関連付けられた波長チャネルの通過帯域内でＧＶＤの所定の平均値を前記ルータに提供する長さを有する、請求項２０に記載のルータ。
23. 前記ＧＶＤの所定の平均値は、ゼロである、請求項２２に記載のルータ。
24. 前記延長部は、関連付けられた波長チャネルの通過帯域内でＧＶＤの値の最小変動を前記ルータに提供する長さを有する、請求項２０に記載のルータ。

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