JPH10133155A - Broadband optical signal processor and design method thereof - Google Patents

Broadband optical signal processor and design method thereof

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JPH10133155A
JPH10133155A JP8285666A JP28566696A JPH10133155A JP H10133155 A JPH10133155 A JP H10133155A JP 8285666 A JP8285666 A JP 8285666A JP 28566696 A JP28566696 A JP 28566696A JP H10133155 A JPH10133155 A JP H10133155A
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JP
Japan
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optical
signal processor
phase
optical signal
wavelength
Prior art date
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Pending
Application number
JP8285666A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kaname Jinguji
要 神宮寺
Katsunari Okamoto
勝就 岡本
Koichi Takiguchi
浩一 瀧口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Filing date
Publication date
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Priority to JP8285666A priority Critical patent/JPH10133155A/en
Publication of JPH10133155A publication Critical patent/JPH10133155A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make an operating wavelength range wide by using a directional coupler which has wavelength-nondependent characteristics as well amplitude characteristics and phase characteristics or a directional coupler which has a variable amplitude value wavelength-nondependent characteristics as well as amplitude characteristics and phase characteristics. SOLUTION: N+1 two-input, two-output wavelength-nondependent variable directional couplers 3-n (n=1, 2...N+1) which have constant amplitude characteristics and phase characteristics in their operating wavelength ranges are arrayed in a line on a silicon substrate 5 and mutually adjacent wavelength- nondependent variable directional couplers at N places are each coupled by two optical waveguides 1-n and 2-n (n=1, 2...N) having a different optical path length difference ΔL (corresponding to a delay time Δτ). The optical path length difference between every two of the optical waveguides at the N places is set equally to ΔL. Then phase controllers 4-(2n-1) and 4-2n (n=1, 2...N) for controlling phases are installed on every two optical waveguides.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光波長多重通信の
分野で、多重化された複数の光信号を一括処理するため
の光信号処理器に関するものであり、さらに詳しくは、
広帯域な高度情報処理を行うための広帯域(プログラマ
ブル)光信号処理器およびその設計方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical signal processor for collectively processing a plurality of multiplexed optical signals in the field of optical wavelength division multiplexing communication.
The present invention relates to a broadband (programmable) optical signal processor for performing wideband advanced information processing and a design method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】周知のように、2入力2出力の光信号処
理器は、周波数信号処理器と波長信号処理器に分類され
る。回路構成は、両方とも、2個の方向性結合器とその
間をつなぐ2本の光導波路からなるマッハツェンダ干渉
計回路を基本回路として、1列に縦列接続した構成より
なる。
2. Description of the Related Art As is well known, optical signal processors having two inputs and two outputs are classified into frequency signal processors and wavelength signal processors. Both of the circuit configurations have a configuration in which a Mach-Zehnder interferometer circuit including two directional couplers and two optical waveguides connecting between them is used as a basic circuit and cascaded in a line.

【0003】周波数信号処理器は、動作波長域が10n
m以下である。基本回路であるマッハツェンダ干渉計の
2本の光導波路の光路長差が通常2〜20ミリメータで
あり、動作波長域で、波長0.04〜4nm(光周波数
で5〜500GHz)周期で繰り返す周期的なフィルタ
特性を有している。また、動作波長域が10nm以下と
狭帯域であるため、回路を構成する方向性結合器の結合
率の波長依存性が無視できるため、任意のフィルタ特性
を実現するための設計理論も知られており(Journ
al of Lightwave Technolog
y,Vol.13,No.1,pp.73−82,19
95)、群遅延等化器、高次分散等化器等の高機能な光
信号処理器が開発されている。
A frequency signal processor has an operating wavelength range of 10n.
m or less. The optical path length difference between the two optical waveguides of the Mach-Zehnder interferometer, which is a basic circuit, is usually 2 to 20 millimeters, and is periodically repeated at a wavelength of 0.04 to 4 nm (optical frequency of 5 to 500 GHz) in the operating wavelength range. Filter characteristics. In addition, since the operating wavelength range is as narrow as 10 nm or less, the wavelength dependence of the coupling ratio of the directional coupler constituting the circuit can be neglected. Therefore, a design theory for realizing an arbitrary filter characteristic is also known. Ori (Journ
al of Lightwave Technology
y, Vol. 13, No. 1, pp. 73-82, 19
95), high-performance optical signal processors such as a group delay equalizer and a high-order dispersion equalizer have been developed.

【0004】一方、波長信号処理器の動作波長域は10
0nm以上と広帯域である。基本回路であるマッハツェ
ンダ干渉計の2本の光導波路の光路長差は通常μmオー
ダである。動作波長域は10nm以上と広帯域ではある
が、回路を構成する方向性結合器の結合率の波長依存性
を無視できないため、フィルタの設計が難しく、波長無
依存カップラやバンド域平坦光分波器等の単純な機能の
フィルタが開発されているに過ぎなかった。
On the other hand, the operating wavelength range of the wavelength signal processor is 10
The bandwidth is as wide as 0 nm or more. The optical path length difference between two optical waveguides of a Mach-Zehnder interferometer, which is a basic circuit, is usually on the order of μm. Although the operating wavelength range is as wide as 10 nm or more, the wavelength dependence of the coupling ratio of the directional coupler that constitutes the circuit cannot be ignored, making it difficult to design filters, and using wavelength-independent couplers and band-flat optical demultiplexers. Only simple functions such as filters have been developed.

【0005】このため、従来、任意のフィルタ特性を実
現する(プログラマブル)光信号処理器は、光周波数信
号処理器で構成されてきた(特願平6−136187号
公報)。図1は、従来のプログラマブル光周波数信号処
理器の回路構成(N段構成)である。この回路構成で
は、N+1個の結合率可変な2入力2出力の可変方向性
結合器9−n(n=1,2,…,N+1)を一列に配置
し、N箇所の互いに隣り合う可変方向性結合器の間を、
異なる光路長差(遅延時間Δτに対応)を有する2本の
光導波路1−n,2−n(n=1,2,…,N)で結合
した構成をとる。二つの入力ポートが14、15であ
り、二つの出力ポートが16、17である。
For this reason, conventionally, a (programmable) optical signal processor realizing an arbitrary filter characteristic has been constituted by an optical frequency signal processor (Japanese Patent Application No. 6-136187). FIG. 1 shows a circuit configuration (N-stage configuration) of a conventional programmable optical frequency signal processor. In this circuit configuration, N + 1 variable directional couplers 9-n (n = 1, 2,..., N + 1) with variable coupling ratios and two inputs and two outputs are arranged in a line, and N variable directions adjacent to each other are arranged. Between the sex couplers,
The configuration is such that two optical waveguides 1-n, 2-n (n = 1, 2,..., N) having different optical path length differences (corresponding to the delay time Δτ) are coupled. Two input ports are 14 and 15, and two output ports are 16 and 17.

【0006】各2本の光導波路の上には、位相を制御す
るための位相制御器4−(2n−1),4−2n(n=
1,2,…,N)が少なくとも1個設置されている。可
変方向性結合器9−nは、2個の3dBカップラ11−
(2n−1),11−2nおよび、その2個の3dBカ
ップラを結ぶ光路長の等しい2本の光導波路12−n,
13−nから構成され、2本の光導波路には、少なくと
も1個の位相制御器10−(2n−1),10−2nが
設置されている。可変方向性結合器9−nは位相制御器
4−(2n−1),4−2nの位相量を変化させること
により、任意のパワー結合率を設定することが可能であ
る。このプログラマブル光周波数信号処理器では、可変
方向性結合器の位相制御器10−(2n−1),10−
2n(n=1,2,…,N)と、光路長の異なる2本の
光導波路上の位相制御器4−(2n−1),4−2n
(n=1,2,…,N)とを制御することにより、任意
のフィルタ特性を実現している。
On each of the two optical waveguides, there are provided phase controllers 4- (2n-1) and 4-2n (n =
1, 2,..., N) are installed. The variable directional coupler 9-n includes two 3 dB couplers 11-
(2n-1), 11-2n, and two optical waveguides 12-n, having the same optical path length connecting the two 3 dB couplers,
13-n, at least one phase controller 10- (2n-1) and 10-2n are installed in the two optical waveguides. The variable directional coupler 9-n can set an arbitrary power coupling ratio by changing the phase amount of the phase controllers 4- (2n-1) and 4-2n. In this programmable optical frequency signal processor, the phase controllers 10- (2n-1), 10-
2n (n = 1, 2,..., N) and phase controllers 4- (2n-1) and 4-2n on two optical waveguides having different optical path lengths.
(N = 1, 2,..., N) realizes an arbitrary filter characteristic.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来のプログラマブル
光信号処理器は、可変方向性結合器の波長依存性を考慮
せずに設計されているために、可変方向性結合器の波長
依存性が顕在化する10nm以上の動作波長域となる
と、設計通りのフィルタ特性が実現されないという問題
があった。光波長多重通信で使用される波長帯域は、光
ファイバアンプの帯域幅により決まる。現在の光ファイ
バアンプの増幅帯域は30nm程度で、さらに広帯域な
ファイバアンプの開発が進められており、将来的には4
0nm以上の広帯域な波長多重通信も夢ではなくなりつ
つある。このような光波長多重通信の広帯域化の進歩に
併せて、動作波長域が10nm以上でも、設計通りのフ
ィルタ特性が実現可能な広帯域な(プログラマブル)光
信号処理器の開発が望まれている。
Since the conventional programmable optical signal processor is designed without considering the wavelength dependence of the variable directional coupler, the wavelength dependence of the variable directional coupler is apparent. In the operating wavelength range of 10 nm or more, there is a problem that filter characteristics as designed cannot be realized. The wavelength band used in the optical wavelength division multiplexing communication is determined by the bandwidth of the optical fiber amplifier. The amplification band of the present optical fiber amplifier is about 30 nm, and the development of a fiber amplifier having a wider band is being advanced.
Broadband wavelength multiplexing communication of 0 nm or more is no longer a dream. Along with the progress of the broadband of the optical wavelength division multiplexing communication, development of a wideband (programmable) optical signal processor capable of realizing a designed filter characteristic even when the operating wavelength range is 10 nm or more is desired.

【0008】従来のプログラマブル光信号処理器の動作
波長域を限定しているのは、可変方向性結合器の波長依
存性である。可変方向性結合器が波長依存性をもつの
は、それを構成している方向性結合器が波長依存性を有
するからである。可変方向性結合器の波長依存性が顕在
化する10nm以上では、その振幅特性および位相特性
が設計値からずれ、全体の光信号処理器の特性が設計し
た特性よりずれる。この問題を解決するためには、その
振幅特性および位相特性が動作波長域において一定とな
るような波長無依存な(可変)方向性結合器が必要とな
る。
What limits the operating wavelength range of the conventional programmable optical signal processor is the wavelength dependence of the variable directional coupler. The variable directional coupler has a wavelength dependence because the directional coupler constituting the directional coupler has a wavelength dependence. Above 10 nm, at which the wavelength dependence of the variable directional coupler becomes apparent, the amplitude characteristics and the phase characteristics deviate from the design values, and the characteristics of the entire optical signal processor deviate from the designed characteristics. In order to solve this problem, it is necessary to provide a wavelength-independent (variable) directional coupler whose amplitude characteristics and phase characteristics are constant in the operating wavelength range.

【0009】したがって、本発明の課題は、プログラマ
ブル光信号処理器において、動作波長域を10nm以上
に広帯域化することにあり、そのような広帯域光信号処
理器を提供することにあり、さらにはそのような広帯域
光信号処理器を確実に実現するための設計方法を提供す
ることにある。
Accordingly, an object of the present invention is to broaden the operating wavelength range to 10 nm or more in a programmable optical signal processor, and to provide such a broadband optical signal processor. It is an object of the present invention to provide a design method for reliably realizing such a broadband optical signal processor.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明では、従来のプロ
グラマブル光信号処理器において波長依存性の原因とな
っている可変方向性結合器9−n(n=1,2,…,N
+1)の代わりに、振幅特性および位相特性ともに波長
無依存な特性を有する方向性結合器、または、振幅特性
および位相特性ともに波長無依存な特性を有する可変振
幅値を有する方向性結合器3−n(n=1,2,…,N
+1)を用いることにより、動作波長域を10nm以上
に広帯域化する。
According to the present invention, a variable directional coupler 9-n (n = 1, 2,..., N) causing wavelength dependency in a conventional programmable optical signal processor.
Instead of +1), a directional coupler having both wavelength-independent and amplitude-dependent characteristics and a directional coupler 3- having a variable amplitude value having both wavelength-independent and amplitude-dependent characteristics. n (n = 1, 2,..., N
By using +1), the operating wavelength range is broadened to 10 nm or more.

【0011】すなわち、本発明の請求項1の広帯域光信
号処理器は、N+1個(Nは1以上)の2入力2出力の
光結合器が一列に並べられ、その互いに隣り合う光結合
器の間はそれぞれ光路長差を有する2本の光導波路で結
ばれ、前記各2本の光導波路の光路長差がN箇所の前記
光結合器間で互いに等しく、前記各2本の光導波路の上
に少なくとも各1個の位相制御器が設けられている回路
構成を有し、さらに、前記光結合器が、その2個の入力
ポートのいずれのポートから光信号を入力した場合に
も、その2個の出力ポートから出力された光信号に対し
て、光信号処理器の動作波長域で一定となる振幅および
位相伝送特性を有することを特徴とする。
That is, in the broadband optical signal processor according to the first aspect of the present invention, N + 1 (N is 1 or more) 2-input / 2-output optical couplers are arranged in a line, and the optical couplers adjacent to each other are arranged. The two optical waveguides are connected by two optical waveguides each having a difference in optical path length, and the optical path length difference between the two optical waveguides is equal to each other between the N optical couplers. Has a circuit configuration in which at least one phase controller is provided, and when the optical coupler receives an optical signal from any one of the two input ports, Optical signals output from the output ports have amplitude and phase transmission characteristics that are constant in the operating wavelength range of the optical signal processor.

【0012】本発明の請求項2の広帯域光信号処理器
は、前記請求項1の広帯域光信号処理器において、前記
2入力2出力の光結合器の振幅結合率θn と前記2本の
光導波路の上に設けられた位相制御器の位相量φn が、
所望フィルタ特性に対し、下記式;
[0012] broadband optical signal processor according to claim 2 of the present invention, the claims in a broadband optical signal processor of claim 1, wherein the second amplitude coupling ratio of the input two-output optical coupler theta n and the two optical The phase amount φ n of the phase controller provided on the wave path is
For the desired filter characteristics, the following equation:

【0013】[0013]

【数3】 (Equation 3)

【0014】ここで、ak [n],bk [n]は下記の漸化式に
より求められる複素数である。
Here, a k [n] and b k [n] are complex numbers obtained by the following recurrence formula.

【0015】[0015]

【数4】 (Equation 4)

【0016】また、φan,φbnは設計されたn番目の前
記光結合器の2出力ある各出力ポートに対応する位相量
である;に基づいて計算された値をとることを特徴とす
る。
Further, φ an and φ bn are phase amounts corresponding to two output ports having two outputs of the designed n-th optical coupler, and take values calculated based on the values. .

【0017】本発明の請求項3の広帯域光信号処理器
は、前記請求項2の広帯域光信号処理器において、前記
光結合器が、2本の光導波路を(m+1)箇所(mは2
以上)で互いに近接させて構成した(m+1)個の方向
性結合器を有し、前記方向性結合器に挾まれたm箇所に
おいて、該2本の光導波路が5μm以下の光路長差を有
していることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the broadband optical signal processor according to the second aspect, the optical coupler includes two optical waveguides at (m + 1) locations (where m is 2
Above), there are (m + 1) directional couplers arranged close to each other, and at m places sandwiched between the directional couplers, the two optical waveguides have an optical path length difference of 5 μm or less. It is characterized by doing.

【0018】本発明の請求項4の広帯域光信号処理器
は、前記請求項2の広帯域光信号処理器において、前記
光結合器が、2本の光導波路を(m+1)箇所(mは2
以上)で互いに近接させて構成した(m+1)個の方向
性結合器を有し、前記方向性結合器に挾まれたm箇所に
おいて、該2本の光導波路が等しい光路長差を有し、各
該光導波路上には少なくとも1個の光路長調整部が設け
られていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the broadband optical signal processor according to the second aspect, the optical coupler includes two optical waveguides at (m + 1) locations (where m is 2
Above), there are (m + 1) directional couplers arranged close to each other, and at m places sandwiched between the directional couplers, the two optical waveguides have an equal optical path length difference; At least one optical path length adjusting unit is provided on each of the optical waveguides.

【0019】本発明の請求項5の広帯域光信号処理器
は、前記請求項2の広帯域光信号処理器において、前記
の光結合器が、該動作波長域において、その波長一定の
振幅結合率値が可変である可変光結合器であることを特
徴とする。
A broadband optical signal processor according to a fifth aspect of the present invention is the wideband optical signal processor according to the second aspect, wherein the optical coupler has a constant wavelength coupling ratio value in the operating wavelength range. Is a variable optical coupler that is variable.

【0020】本発明の請求項6の広帯域光信号処理器
は、前記請求項5の広帯域光信号処理器において、前記
の可変光結合器が、2本の光導波路を(n+1)箇所
(nは3以上)で互いに近接させて構成した(n+1)
個の方向性結合器を有し、前記方向性結合器に挾まれた
n箇所において、該2本の光導波路が、等しい光路長差
を有するか、あるいは、5μm以下の光路長差を有し、
各該光導波路上には少なくとも1個の光路長調整部が設
けられていることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the broadband optical signal processor of the fifth aspect, the variable optical coupler includes two optical waveguides at (n + 1) locations (where n is 3 or more) (n + 1)
Directional couplers, and at n positions sandwiched between the directional couplers, the two optical waveguides have the same optical path length difference, or have an optical path length difference of 5 μm or less. ,
At least one optical path length adjusting unit is provided on each of the optical waveguides.

【0021】また、本発明の請求項7の広帯域光信号処
理器の設計方法は、N+1個(Nは1以上)の2入力2
出力の光結合器が一列に並べられ、その互いに隣り合う
光結合器の間はそれぞれ光路長差を有する2本の光導波
路で結ばれ、前記各2本の光導波路の光路長差がN箇所
の前記光結合器間で互いに等しく、前記各2本の光導波
路の上に少なくとも各1個の位相制御器が設けられてい
る回路構成を有し、さらに、前記光結合器が、その2個
の入力ポートのいずれのポートから光信号を入力した場
合にも、その2個の出力ポートから出力された光信号に
対して、光信号処理器の動作波長域で一定となる振幅お
よび位相伝送特性を有する広帯域光信号処理器において
所望のフィルタ特性を実現することのできる広帯域光信
号処理器の設計方法であって、前記所望フィルタ特性に
対する前記光結合器の振幅結合率と前記位相制御器の位
相量を、下記設計手順1から4に基づいて求めることに
より、これら光結合器の振幅結合率と位相制御器の位相
量とを確定し、これらによって、前記所望のフィルタ特
性を実現することを特徴とする。
The method for designing a broadband optical signal processor according to claim 7 of the present invention is characterized in that N + 1 (N is 1 or more) 2-input 2
The output optical couplers are arranged in a line, and the optical couplers adjacent to each other are connected by two optical waveguides each having an optical path length difference, and the optical path length difference between the two optical waveguides is N places. A circuit configuration in which at least one phase controller is provided on each of the two optical waveguides, wherein the two optical waveguides are further equal to each other. When an optical signal is input from any of the input ports, the amplitude and phase transmission characteristics of the optical signal output from the two output ports are constant in the operating wavelength range of the optical signal processor. A method for designing a broadband optical signal processor capable of realizing a desired filter characteristic in a broadband optical signal processor having: (a) an amplitude coupling ratio of the optical coupler with respect to the desired filter characteristic and a phase of the phase controller; The quantity below the design By determining on the basis of the forward 1 to 4, to confirm the phase of the amplitude coupling ratio and the phase controller of optical couplers, these by, characterized in that to achieve the desired filter characteristics.

【0022】(設計手順1)前記所望フィルタ特性をN
次の複素係数のフーリエ級数展開で近似する。
(Design Procedure 1) The desired filter characteristic is N
Approximate by Fourier series expansion of the following complex coefficients.

【0023】(設計手順2)求めたフーリエ級数関数を
絶対値の最大が1以下になるように規格化する。
(Design Procedure 2) The obtained Fourier series function is normalized so that the maximum of the absolute value is 1 or less.

【0024】(設計手順3)規格化されたフーリエ級数
関数を用いて、該光信号処理器の全伝送特性を2行2列
の伝送特性行列で表現する。
(Design Procedure 3) Using a standardized Fourier series function, all the transmission characteristics of the optical signal processor are represented by a 2-by-2 transmission characteristic matrix.

【0025】(設計手順4)求めた該光信号処理器全体
の伝送特性行列を、光路長差のある前記各2本の光導波
路と前記光結合器より構成される各単位構成に対応する
2行2列の伝送特性行列の積の形に分解し、単位構成を
表す2行2列の伝送特性行列が、前記光結合器の振幅結
合率と前記位相制御器の位相量をパラメータとして表現
されることに基づいて、前記光結合器の振幅結合率と前
記位相制御器の位相量を求める。
(Design Procedure 4) The obtained transmission characteristic matrix of the entire optical signal processor is converted into a matrix corresponding to each unit configuration composed of the two optical waveguides having an optical path length difference and the optical coupler. The transmission characteristic matrix is decomposed into a product of the transmission characteristic matrices in the row 2 column, and the transmission characteristic matrix in 2 rows and 2 columns representing the unit configuration is expressed using the amplitude coupling ratio of the optical coupler and the phase amount of the phase controller as parameters. Based on this, the amplitude coupling ratio of the optical coupler and the phase amount of the phase controller are obtained.

【0026】[0026]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳述
する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail.

【0027】(実施形態例1)図2は、本発明の広帯域
プログラマブル光信号処理器の回路構成(N段構成)を
示すもので、図中、図1と同一構成要素には同一符号を
付して説明を簡略化する。この回路構成では、N+1個
の振幅特性および位相特性が動作波長域において一定と
なる2入力2出力の波長無依存な可変方向性結合器3−
n(n=1,2,…,N+1)を一列に配列し、N箇所
の互いに隣り合う波長無依存な可変方向性結合器の間を
異なる光路長差ΔL(遅延時間Δτに対応)を有する2
本の光導波路1−n,2−n(n1,2,…,N)で結
合した構成をとる。N箇所の各2本の光導波路の光路長
差は、全て等しくΔL(遅延時間Δτに対応)に設定さ
れている。そして、各2本の光導波路の上には、位相を
制御するための位相制御器4−(2n−1),4−2n
(n=1,2,…,N)が少なくとも1個設置されてい
る。
(Embodiment 1) FIG. 2 shows a circuit configuration (N-stage configuration) of a wideband programmable optical signal processor of the present invention. In the drawing, the same components as those in FIG. The description will be simplified. In this circuit configuration, the N + 1 amplitude and phase characteristics are constant in the operating wavelength range, and the two-input two-output wavelength-independent variable directional coupler 3-
n (n = 1, 2,..., N + 1) are arranged in a line, and there are different optical path length differences ΔL (corresponding to delay time Δτ) between N mutually adjacent wavelength-independent variable directional couplers. 2
The optical waveguides 1-n and 2-n (n1, 2,..., N) are combined. The optical path length differences of each of the two optical waveguides at N locations are all set equal to ΔL (corresponding to the delay time Δτ). A phase controller 4- (2n-1), 4-2n for controlling the phase is provided on each of the two optical waveguides.
(N = 1, 2,..., N) are at least one.

【0028】本実施形態例では、シリコン基板5上に形
成された石英平面導波路により回路を形成した。導波路
は基板5上に火炎堆積法を用いて石英薄膜を形成し、導
波路構造はフォトリソグラフィ工程により作製した。光
導波路は7×7μmの正方形断面を持ち、光導波路部分
の屈折率はまわりの石英ガラスより0.7%高く作製し
た。
In this embodiment, a circuit is formed by the quartz planar waveguide formed on the silicon substrate 5. As the waveguide, a quartz thin film was formed on the substrate 5 using a flame deposition method, and the waveguide structure was formed by a photolithography process. The optical waveguide had a square cross section of 7 × 7 μm, and the refractive index of the optical waveguide was made 0.7% higher than the surrounding quartz glass.

【0029】プログラマブル光信号処理器は、動作波長
域においてある波長間隔で周期的な特性を示す。この周
波数Δλは、
The programmable optical signal processor exhibits periodic characteristics at certain wavelength intervals in the operating wavelength range. This frequency Δλ is

【0030】[0030]

【数5】 (Equation 5)

【0031】で表される。ここで、ΔLは2本の光導波
路の光路長差、nは光導波路の屈折率、λは動作波長域
の中心波長である。
## EQU1 ## Here, ΔL is the optical path length difference between the two optical waveguides, n is the refractive index of the optical waveguide, and λ is the center wavelength of the operating wavelength range.

【0032】この式からわかるように、プログラマブル
光信号処理器のフィルタ特性の周期Δλは光路長差ΔL
により決定される。例えば、光路長差ΔL=2mmの
時、フィルタ特性の周期波長は0.8nm(周波数で換
算すると100GHzの周波数間隔に対応)となる。本
実施形態例では、周期波長は1.6nm(周波数間隔2
00GHzに対応)で設計した。
As can be seen from this equation, the period Δλ of the filter characteristic of the programmable optical signal processor is equal to the optical path length difference ΔL.
Is determined by For example, when the optical path length difference ΔL = 2 mm, the periodic wavelength of the filter characteristic is 0.8 nm (corresponding to a frequency interval of 100 GHz when converted in frequency). In this embodiment, the periodic wavelength is 1.6 nm (frequency interval 2).
(Corresponding to 00 GHz).

【0033】図3は、本実施形態例で用いた結合率可変
で、振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な方向性
結合器3の回路構成(3段構成)である。回路は3個の
マッハツェンダ干渉計を多段に配列した構成よりなる。
回路は4個の方向性結合器7−1〜7−4とそれらを結
ぶ2本の光導波路6−1〜6−6よりなり、二つの入力
ポート18、19と二つの出力ポート20、21を有す
る。本実施形態例では、これら2本の光導波路の光路長
を等しく設定した。また、各2本の光導波路上には光路
長調整部8−1〜8−6を配置した。本実施形態例で用
いた、振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な可変
方向性結合器は、光路長調整部8−1〜8−6の光路長
変化を調整することにより、振幅特性および位相特性を
波長に対して平坦に保ったまま、振幅結合率を任意に設
定することが可能である。
FIG. 3 shows a circuit configuration (three-stage configuration) of the directional coupler 3 used in this embodiment, which has a variable coupling ratio and whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength. The circuit has a configuration in which three Mach-Zehnder interferometers are arranged in multiple stages.
The circuit comprises four directional couplers 7-1 to 7-4 and two optical waveguides 6-1 to 6-6 connecting them, two input ports 18, 19 and two output ports 20, 21. Having. In the present embodiment, the optical path lengths of these two optical waveguides are set equal. The optical path length adjusting units 8-1 to 8-6 are arranged on each of the two optical waveguides. The variable directional coupler used in the present embodiment, in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously wavelength-independent, adjusts the change in the optical path length of the optical path length adjusting units 8-1 to 8-6 to adjust the amplitude characteristic. It is possible to arbitrarily set the amplitude coupling ratio while keeping the phase characteristics flat with respect to the wavelength.

【0034】本実施形態例では、位相制御器4−(2n
−1),4−2n(n=1,2,…,N)と、振幅特性
および位相特性が同時に波長無依存な可変方向性結合器
の光路長調整部8−1〜8−6とには、熱光学効果を利
用したヒータを用いた。ヒータを加熱することにより、
加熱部分のガラスの屈折率が高くなることを利用して、
位相制御と光路長調整とを行っている。
In this embodiment, the phase controller 4- (2n
-1), 4-2n (n = 1, 2,..., N) and the optical path length adjusting units 8-1 to 8-6 of the variable directional couplers whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength. Used a heater utilizing the thermo-optic effect. By heating the heater,
Utilizing the fact that the refractive index of the glass in the heated part is high,
Phase control and optical path length adjustment are performed.

【0035】一般的な2入力2出力の光結合器の伝送特
性は、次のような2行2列の伝送行列で表現される。
The transmission characteristics of a general two-input two-output optical coupler are expressed by the following transmission matrix of two rows and two columns.

【0036】[0036]

【数6】 (Equation 6)

【0037】ここで、θは振幅結合率sinθの角度表
示(以後、sinθだけでなく、その角度表示であるθ
も振幅結合率と呼ぶ)を表し、φ1 ,φ2 は2つの出力
ポートからの出力光の位相を表している。振幅結合率θ
に対して光結合率を設計することにより、φ1 ,φ2
決定される。
Here, θ is the angle display of the amplitude coupling ratio sin θ (hereinafter, not only sin θ, but also the angle display θ).
And also represents called the amplitude coupling ratio), φ 1, φ 2 represents the output light of the phase from the two output ports. Amplitude coupling rate θ
Φ 1 and φ 2 are determined by designing the optical coupling ratio with respect to.

【0038】ここでは、回路を無損失と仮定しており、
伝送行列はユニタリ行列となる。行列の(1,1)要素
は入力ポート18から出力ポート20への伝送特性を、
(2,1)要素は入力ポート18から出力ポート21へ
の伝送特性を表している。
Here, it is assumed that the circuit has no loss.
The transmission matrix is a unitary matrix. The (1, 1) element of the matrix indicates the transmission characteristic from the input port 18 to the output port 20,
The (2,1) element represents a transmission characteristic from the input port 18 to the output port 21.

【0039】従来のプログラマブル光信号処理器に用い
られていた可変方向性結合器では、回路を構成する2個
の方向性結合器11−(2n−1),11−2nは、全
て動作波長でパワー結合率が3dBとなるように設計さ
れていた。振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な
本実施形態例で用いた可変方向性結合器では、動作波長
域が10nm以上と広帯域であり、構成要素である4個
の方向性結合器7−1〜7−4のパワー結合率値はそれ
ぞれ波長により変化するため、方向性結合器を規定する
のにパワー結合率値を用いることができない。このた
め、ここでは、方向性結合器を2本の光導波路が接近し
ている部分、つまり結合部分の長さで表現する。4個の
方向性結合器7−1〜7−4の結合部分の長さは、それ
ぞれ0.78mm,0.01mm,0.01mm,0.
78mmとした。図4および図5は、50%結合になる
ように光路長調整部8−1〜8−6を調整した可変方向
性結合器のパワー結合率および位相特性φ1 ,φ2 の波
長依存性を測定した結果である。ここで、振幅特性の2
乗がパワー結合率となる。動作波長域は1.5〜1.6
μmとした。これらの図で本可変方向性結合器のパワー
結合率特性(振幅特性)および位相特性ともに、動作波
長域において波長に対して一定値を実現していることが
わかる。
In the variable directional coupler used in the conventional programmable optical signal processor, the two directional couplers 11- (2n-1) and 11-2n forming the circuit are all operating wavelengths. The power coupling ratio was designed to be 3 dB. In the variable directional coupler used in the present embodiment in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are wavelength-independent at the same time, the operating wavelength range is as wide as 10 nm or more, and the four directional couplers 7- Since the power coupling ratio values of 1 to 7-4 vary depending on the wavelength, the power coupling ratio values cannot be used to define the directional coupler. For this reason, here, the directional coupler is represented by a portion where the two optical waveguides are close to each other, that is, a length of the coupling portion. The lengths of the coupling portions of the four directional couplers 7-1 to 7-4 are 0.78 mm, 0.01 mm, 0.01 mm, and 0.
It was 78 mm. FIGS. 4 and 5 show the power coupling ratio and the wavelength dependence of the phase characteristics φ 1 and φ 2 of the variable directional coupler in which the optical path length adjustment units 8-1 to 8-6 are adjusted so as to achieve 50% coupling. It is a measurement result. Here, the amplitude characteristic 2
The power becomes the power coupling ratio. The operating wavelength range is 1.5 to 1.6
μm. From these figures, it can be seen that both the power coupling ratio characteristic (amplitude characteristic) and the phase characteristic of the variable directional coupler achieve a constant value with respect to wavelength in the operating wavelength range.

【0040】参考のために、図6および図7に、従来の
可変方向性結合器のパワー結合率特性(振幅特性)およ
び位相特性を示す。この図では、波長1.55μmで5
0%結合になるように、設計されている。図からわかる
ように、パワー結合率に大きな波長依存性があることが
わかる。また、位相項φ1 にも波長依存性が見られる。
ただし、位相項φ2 は波長に対し完全に一定である。こ
れは、従来の可変方向性結合器の回路構成のもつ対称性
から証明できる。このように、振幅特性(パワー結合率
特性)および位相特性ともに大きな波長依存性を有して
いるために、従来の可変方向性結合器を用いたプログラ
マブル光信号処理器では、設計波長から10nm以上ず
れた波長域では、希望のフィルタ特性から大きくずれて
しまうという問題が生じた。
For reference, FIGS. 6 and 7 show a power coupling ratio characteristic (amplitude characteristic) and a phase characteristic of a conventional variable directional coupler. In this figure, at a wavelength of 1.55 μm, 5
It is designed to have 0% coupling. As can be seen, the power coupling ratio has a large wavelength dependence. The phase term φ 1 also has wavelength dependence.
However, the phase term φ 2 is completely constant with respect to the wavelength. This can be proved from the symmetry of the circuit configuration of the conventional variable directional coupler. As described above, since both the amplitude characteristic (power coupling ratio characteristic) and the phase characteristic have large wavelength dependence, the conventional programmable optical signal processor using the variable directional coupler has a wavelength of 10 nm or more from the design wavelength. In the shifted wavelength region, there is a problem that the filter characteristics are largely shifted from desired filter characteristics.

【0041】このことを明確にするために、実際に8段
のプログラマブル光信号処理器について、従来の可変方
向性結合器を用いたプログラマブル光信号処理器と、振
幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な本発明の可変
方向性結合器を用いた広帯域プログラマブル光信号処理
器を作製し、両者の特性の比較を行った。プログラムし
た特性は周期波長1.6μm(周波数間隔200GHz
に対応)の群遅延等化器特性である。群遅延等化器は、
光ファイバの長距離伝送の際に生じる線形な群遅延を補
償するための等化器である。図8から図11は本発明の
広帯域プログラマブル光信号処理器によりプログラミン
グした群遅延等化器特性の測定結果であり、図12から
図15は従来のプログラマブル光信号処理器によりプロ
グラミングした群遅延等化器特性の測定結果である。図
8〜図11で、広帯域プログラマブル光信号処理器の動
作波長域は1.5〜1.6μmであり、図8、図9は動
作波長域の短波長端での群遅延等化器特性を有し、図1
0、図11は動作波長域の中心波長域(1.55μm)
での群遅延等化器特性を有している。図8および図10
は光透過強度特性を示しており、図9および図11は群
遅延特性を示している。光透過強度特性は振幅特性の2
乗で表される。群遅延等化は図の群遅延特性の傾きのあ
る直線群遅延部分を利用して行われる。この群遅延の傾
きは、ファイバ分散により生じた線形のファイバ群遅延
に対して逆の値をもつように設計されている。図からわ
かるように、動作波長域の中心と端でほぼ等しい群遅延
特性を実現していることがわかる。これは、振幅特性と
位相特性とが同時に波長無依存な本発明で用いている可
変方向性結合器の効果である。一方、図12〜図15に
おいて、従来のプログラマブル光信号処理器は1.55
μmで所望の群遅延等化特性を実現するように設計され
た。図12、図13は1.5μm帯での群遅延等化器特
性を示しており、図14、図15は1.55μm帯(設
計波長域)での群遅延等化器特性を示している。図12
および図14は光透過強度特性を示しており、図13お
よび図15は群遅延特性を示している。図からわかるよ
うに、設計波長域では、設計通りの群遅延特性が実現さ
れているが、設計波長から50nm離れた1.5μm帯
では設計の群遅延特性から大きくずれていることがわか
る。これは、従来の可変方向性結合器の波長依存性の影
響である。
In order to clarify this fact, for an eight-stage programmable optical signal processor, the amplitude characteristic and the phase characteristic of the programmable optical signal processor using the conventional variable directional coupler and the wavelength characteristic are simultaneously measured. A wideband programmable optical signal processor using the independent directional coupler of the present invention was fabricated, and the characteristics of both were compared. The programmed characteristic is a periodic wavelength of 1.6 μm (frequency interval 200 GHz
) Of the group delay equalizer. The group delay equalizer is
This is an equalizer for compensating for a linear group delay that occurs during long-distance transmission of an optical fiber. 8 to 11 show the measurement results of the group delay equalizer characteristics programmed by the broadband programmable optical signal processor of the present invention. FIGS. 12 to 15 show the group delay equalizer programmed by the conventional programmable optical signal processor. It is a measurement result of a container characteristic. 8 to 11, the operating wavelength range of the broadband programmable optical signal processor is 1.5 to 1.6 μm, and FIGS. 8 and 9 show the group delay equalizer characteristics at the short wavelength end of the operating wavelength range. Figure 1
0, FIG. 11 shows the central wavelength range of the operating wavelength range (1.55 μm)
And has a group delay equalizer characteristic. 8 and 10
Indicates light transmission intensity characteristics, and FIGS. 9 and 11 illustrate group delay characteristics. The light transmission intensity characteristic is the amplitude characteristic 2
Expressed as a power. The group delay equalization is performed using a linear group delay portion having a slope of the group delay characteristic shown in FIG. The slope of the group delay is designed to have an inverse value with respect to a linear fiber group delay caused by fiber dispersion. As can be seen from the figure, it is understood that the group delay characteristics at the center and the end of the operating wavelength range are substantially equal. This is an effect of the variable directional coupler used in the present invention in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously independent of wavelength. 12 to 15, the conventional programmable optical signal processor is 1.55
It was designed to achieve the desired group delay equalization characteristics at μm. 12 and 13 show the group delay equalizer characteristics in the 1.5 μm band, and FIGS. 14 and 15 show the group delay equalizer characteristics in the 1.55 μm band (design wavelength band). . FIG.
14 and FIG. 14 show light transmission intensity characteristics, and FIGS. 13 and 15 show group delay characteristics. As can be seen from the figure, the group delay characteristic as designed is realized in the design wavelength region, but it is significantly deviated from the design group delay characteristic in the 1.5 μm band 50 nm away from the design wavelength. This is due to the wavelength dependency of the conventional variable directional coupler.

【0042】この広帯域プログラマブル光信号処理器の
設計の詳細を以下に述べる。設計すべき未知回路パラメ
ータは、振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存なN
+1個の可変方向性結合器3−n(n=1,2,…,N
+1)の振幅結合率θn (n=0,1,…,N)およ
び、位相制御器4−(2n−1),4−2n(n=1,
2,…,N)の位相量φn (n=1,2,…,N)であ
る。
The details of the design of the broadband programmable optical signal processor will be described below. The unknown circuit parameters to be designed are N, whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously wavelength-independent.
+1 variable directional couplers 3-n (n = 1, 2,..., N
Amplitude coupling rate +1) θ n (n = 0,1 , ..., N) and, phase controller 4- (2n-1), 4-2n (n = 1,
2,..., N) is the phase amount φ n (n = 1, 2,..., N).

【0043】図2において、入力ポート14より入射さ
れた信号光は、各段の光路長の異なる2本の光導波路1
−n,2−n(n=1,2,…,N)を通過し、2つの
出力ポート16,17に出射される。この時、信号光は
各可変方向性結合器3−n(n=1,2,…,N+1)
により分岐される。例えば、最も短い光路を進む信号光
は導波路2−1,2−2,…,2−Nを通る。また、最
も長い光路を進む信号光は導波路1−1,1−2,…,
1−Nを通る。このように、出力ポートからの出力光は
いろいろな光路を通る信号光の和として表現される。光
信号が通過する物理的光路は2N 通りあるが、同じ光路
長を持つものを1本の光路と数えることにすると、信号
光は0,ΔL,2ΔL,…,NΔL(ΔLは各2本の光
導波路の導波路長差)の導波路長を持つN+1本の光路
のいずれかを通る。よって、ポート16からの出力光の
複素振幅は、
In FIG. 2, the signal light incident from the input port 14 is divided into two optical waveguides 1 having different optical path lengths at each stage.
−n, 2-n (n = 1, 2,..., N), and are output to two output ports 16 and 17. At this time, the signal light is transmitted to each of the variable directional couplers 3-n (n = 1, 2,..., N + 1).
Is branched. For example, the signal light traveling the shortest optical path passes through the waveguides 2-1, 2-2, ..., 2-N. The signal light traveling the longest optical path is composed of waveguides 1-1, 1-2,.
1-N. As described above, the output light from the output port is expressed as a sum of signal lights passing through various optical paths. There are 2 N physical optical paths through which an optical signal passes. If one having the same optical path length is counted as one optical path, the signal light is 0, ΔL, 2ΔL,..., NΔL (ΔL is 2 Pass through any one of the N + 1 optical paths having a waveguide length of (wavelength difference of the optical waveguides). Therefore, the complex amplitude of the output light from port 16 is

【0044】[0044]

【数7】 (Equation 7)

【0045】と表される。## EQU5 ##

【0046】ここで、式(3−1)の展開係数ak はN
+1の各光路を通過してきた信号光の複素振幅を表す。
βは光導波路1および2の伝搬定数、Xは動作波長域で
の光周波数、X0 は周波数特性の周期周波数を表してい
る。
Here, the expansion coefficient a k in the equation (3-1) is N
+1 represents the complex amplitude of the signal light passing through each optical path of +1.
β is the propagation constant of the optical waveguides 1 and 2, X is the optical frequency in the operating wavelength range, and X 0 is the periodic frequency of the frequency characteristic.

【0047】ここでは、振幅特性と位相特性とが同時に
波長無依存な可変方向性結合器を利用しているために、
可変方向性結合器の波長依存性は無視している。また、
式(3−1)では、電気のディジタルフィルタ理論でよ
く行われるように、
Here, since the variable directional coupler whose amplitude characteristic and phase characteristic are simultaneously independent of wavelength is used,
The wavelength dependence of the variable directional coupler is ignored. Also,
In the equation (3-1), as is often done in the electric digital filter theory,

【0048】[0048]

【外1】 [Outside 1]

【0049】を複素平面上の関数h(z)に拡張してい
る。このz複素平面上では、周波数関数h(X)は|z
|=1の半径1の円周上の関数とみなされる。
Is extended to a function h (z) on a complex plane. On this z complex plane, the frequency function h (X) is | z
It is regarded as a function on the circumference of the radius 1 of | = 1.

【0050】式(3−1)において、スルー特性h
(z)はz-1の多項式で表現されている。この式はディ
ジタルフィルタの分野において、FIR(Finite
Impulse Response)型と呼ばれる帰
還のないタイプのディジタルフィルタの伝送特性に等し
いことがわかる。この事実は、以下に述べる光フィルタ
の合成に重要な役割を演じる。
In the equation (3-1), the through characteristic h
(Z) is represented by a polynomial of z -1 . This equation is used in the field of digital filters in FIR (Finite
It can be seen that the transmission characteristics are equal to those of a digital filter of a type without feedback called an “Impulse Response” type. This fact plays an important role in the synthesis of the optical filter described below.

【0051】同様に、ポート14から入射し、ポート1
7から射出される出力光f(z)は、下式のように表さ
れる。
Similarly, light enters from port 14 and
The output light f (z) emitted from 7 is represented by the following equation.

【0052】[0052]

【数8】 (Equation 8)

【0053】本信号処理器は2入力2出力なので、信号
処理器全体の伝送行列Sは、次式で表される2×2の行
列で表現される。
Since the present signal processor has two inputs and two outputs, the transmission matrix S of the entire signal processor is represented by a 2 × 2 matrix expressed by the following equation.

【0054】[0054]

【数9】 (Equation 9)

【0055】ここで、サフィックス*はパラ共役を表す
(h* (z)=h* (1/z* ))。回路が無損失であ
ると仮定すると、h(z)とf(z)の間には、式
(4)の行列の行列式が1になるという下記式、
Here, the suffix * represents paraconjugate (h * (z) = h * (1 / z * )). Assuming that the circuit is lossless, between h (z) and f (z), the determinant of the matrix of equation (4) is 1,

【0056】[0056]

【数10】 (Equation 10)

【0057】で表されるユニタリ関係が成立する。A unitary relationship represented by the following is established.

【0058】具体的には以下に示す手順により、クロス
特性(入力ポート14より出力ポート17への透過特
性)が所望フィルタ特性を満足するための回路パラメー
タを求めた。以下の設計手順は図16および図17にま
とめられている。
More specifically, circuit parameters for satisfying the desired filter characteristics of the cross characteristics (the transmission characteristics from the input port 14 to the output port 17) were obtained by the following procedure. The following design procedure is summarized in FIG. 16 and FIG.

【0059】(設計手順1)式(3−2)の複素展開係
数であるbk を、所望フィルタ特性を満足するように求
めるにあたり、式(3−2)に書かれた光フィルタの伝
送特性がFIR(Finite Impulse Re
sponse)型と呼ばれるディジタルフィルタと同じ
であることを利用する。具体的には、複素展開係数bk
を求めるにあたり、ディジタルフィルタの分野で開発さ
れている各種の近似手法を用いる。例えば、フーリエ展
開法、窓関数法、周波数サンプリング法、Remez
Exchange法等が良く知られている(Oppen
heim & Schafer著“Digital S
ignal Processing”)。この計算の
際、所望フィルタ特性の要求条件より、実現されるフィ
ルタ特性が所望フィルタ特性の条件を十分に満足するの
に必要な最小展開項数が求まる。この最小展開項数がプ
ログラマブル光信号処理器の段数Nにあたる。
(Design Procedure 1) In determining the complex expansion coefficient b k of the equation (3-2) so as to satisfy the desired filter characteristic, the transmission characteristic of the optical filter described in the equation (3-2) is obtained. Is FIR (Finite Impulse Re)
It utilizes the same as a digital filter called a “sponse” type. Specifically, the complex expansion coefficient b k
In order to obtain, various approximation techniques developed in the field of digital filters are used. For example, Fourier expansion method, window function method, frequency sampling method, Remez
The Exchange method and the like are well known (Open
Heim & Schafer, "Digital S
signal processing ”). In this calculation, the minimum number of expansion terms necessary for the realized filter characteristic to sufficiently satisfy the condition of the desired filter characteristic is obtained from the required condition of the desired filter characteristic. Corresponds to the number N of stages of the programmable optical signal processor.

【0060】(設計手順2)設計手順1では、所望フィ
ルタ特性を実現するように、上記の最適なディジタルフ
ィルタの設計手法を用い式(3−2)の複素展開係数を
求めた。この求めた複素展開係数をそのまま用いて光信
号処理器を実現すると、振幅特性の絶対値が100%を
越える場合がある。しかし、光波という物理量を用いる
アナログ信号処理器である本信号処理器では、エネルギ
保存則のために、式(3−2)の複素振幅の絶対値が1
00%を越えることは本質的にできない。このため、デ
ィジタルフィルタの合成手法により求めた複素展開係数
k を、次式により、振幅特性の絶対値が100%を越
えないように規格化を行う必要がある。
(Design Procedure 2) In the design procedure 1, the complex expansion coefficient of the equation (3-2) was obtained by using the above-mentioned optimal digital filter design technique so as to realize desired filter characteristics. If an optical signal processor is realized using the obtained complex expansion coefficients as they are, the absolute value of the amplitude characteristic may exceed 100%. However, in this signal processor, which is an analog signal processor using a physical quantity called a light wave, the absolute value of the complex amplitude in the equation (3-2) is 1 due to the law of conservation of energy.
It cannot be essentially exceeded 00%. For this reason, it is necessary to normalize the complex expansion coefficient b k obtained by the synthesis method of the digital filter by the following equation so that the absolute value of the amplitude characteristic does not exceed 100%.

【0061】[0061]

【数11】 [Equation 11]

【0062】(設計手順3)設計手順2で求めた規格化
した複素展開係数を有する複素展開特性をこの光信号処
理器のクロス出力(ポート14からポート17への出
力)で実現するように、この光信号処理器の伝送特性を
表すS行列を求める。具体的には、S行列の残りの未知
伝送関数h(z)を式(5)のユニタリ関係より求め
る。h(z)h*(z)は、ユニタリ関係より、設計手
順2で規格化したf(z)を用い、さらに、zに関する
一次式の積の形に展開することにより、次式(7)で表
される。
(Design Procedure 3) The complex expansion characteristic having the normalized complex expansion coefficient obtained in Design Procedure 2 is realized by the cross output (output from port 14 to port 17) of this optical signal processor. An S matrix representing the transmission characteristics of the optical signal processor is obtained. Specifically, the remaining unknown transfer function h (z) of the S matrix is obtained from the unitary relation of Expression (5). h (z) h * (z) is expressed by the following equation (7) by using f (z) standardized in the design procedure 2 from the unitary relation, and further developing it into the form of a linear product of z. It is represented by

【0063】[0063]

【数12】 (Equation 12)

【0064】ただし、ak ,ak *は既知である多項式f
(z)f* (z)の根で、既知である。
Where a k and a k * are known polynomials f
(Z) The root of f * (z), known.

【0065】この式(7)中、a0 は、既知であるf
(z)の複素展開係数b0 を用いて式(8)の様に求め
られる。
In the equation (7), a 0 is a known value of f
It is obtained as in equation (8) using the complex expansion coefficient b 0 of (z).

【0066】[0066]

【数13】 (Equation 13)

【0067】式中、φaN,φbNは振幅特性と位相特性と
が同時に波長無依存な(可変)方向性結合器3−(N+
1)の2つの出力ポートからの光出力の位相を表してい
る。φaN,φbNは以下のようにして求めることができ
る。|a0 |は式(8)より求められるので、
In the equation, φ aN and φ bN represent a wavelength-independent (variable) directional coupler 3- (N +
1) shows the phase of the optical output from the two output ports. φ aN and φ bN can be obtained as follows. | A 0 | is obtained from equation (8),

【0068】[0068]

【数14】 [Equation 14]

【0069】(式中θN は振幅特性と位相特性とが同時
に波長無依存な(可変)方向性結合器3−(N+1)の
振幅結合率)よりθN が求まる。その振幅結合率θN
対応する、振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な
(可変)方向性結合器が設計できるので、位相φaN,φ
bNが求められる。このようにして、式(8)よりa0
位相が求められ、a0 の計算ができる。求めたa0 を用
いて、式(7)よりh(z)が求められる。
[0069] (wherein theta N is a amplitude and phase characteristics at the same time the wavelength-independent (amplitude coupling rate of the variable) directional couplers 3- (N + 1)) than theta N is obtained. Since it is possible to design a wavelength-independent (variable) directional coupler corresponding to the amplitude coupling rate θ N and having both amplitude characteristics and phase characteristics simultaneously, the phases φ aN and φ
bN is required. In this way, the phase of a 0 is obtained from equation (8), and the calculation of a 0 can be performed. Using a 0 determined, h (z) is obtained from the equation (7).

【0070】式(7)において、h(z)とh* (z)
の積の形で表される必要性から、右辺の多項式の零点は
{ak ,1/ak *}というN個のペアとして求められ
る。h(z)を求める際、h(z)の多項式は{ak
1/ak *}の根のペアの内どちらか一方を根として持っ
ている必要があるので、この根の選択の仕方にともな
い、h(z)は2N 個の解を持つ。これら2N 個のh
(z)の解は、振幅特性はともに等しく、異なる位相特
性を持つ。全体としてf(z)が共通でh(z)が異な
るS行列が2N 個存在し、結果として、2N 種類の回路
パラメータが求まる。ただし、この2N 個のいずれの回
路パラメータで回路を作製しても、クロス特性は同一な
特性f(z)でされる。本実施形態例ではクロス特性で
あるf(z)の特性に興味があるので、2N 個のh
(z)のうちの適当な1個の解を選択した。もちろん、
h(z)の選択には、低素子感度なもの、位相特性が適
当なもの等、選択の基準を適当に設けて選択することも
可能である。
In the equation (7), h (z) and h * (z)
, The zeros of the polynomial on the right side are obtained as N pairs of { ak , 1 / ak * }. When calculating h (z), the polynomial of h (z) is { ak ,
Since it is necessary to have one of the root pairs of 1 / a k * * as a root, h (z) has 2 N solutions depending on how this root is selected. These 2 N h
The solution (z) has the same amplitude characteristics and different phase characteristics. As a whole, there are 2 N S matrices having common f (z) and different h (z), and as a result, 2 N types of circuit parameters are obtained. However, the cross characteristic is the same characteristic f (z) regardless of whether the circuit is manufactured using any of the 2 N circuit parameters. In the present embodiment, since we are interested in the characteristic of f (z), which is the cross characteristic, 2 N h
An appropriate one solution of (z) was selected. of course,
The selection of h (z) can be made by appropriately setting a selection criterion, such as one having low element sensitivity and one having an appropriate phase characteristic.

【0071】(設計手順4)回路パラメータを求めるた
めに、全体のN段の光信号処理回路の伝送特性を表すS
行列を、1段の単位構成の伝送特性を表すS行列の積の
形に展開する。
(Design Procedure 4) In order to obtain the circuit parameters, S representing the transmission characteristics of the entire N-stage optical signal processing circuit
The matrix is developed in the form of a product of S matrices representing the transmission characteristics of a single-stage unit configuration.

【0072】[0072]

【数15】 (Equation 15)

【0073】ここで、Sn はn段目の単位構成回路とす
る。
Here, S n is the unit configuration circuit of the n- th stage.

【0074】図2で、n段目の単位構成回路は1−n,
2−nの光導波路と、4−(2n−1),4−2nの位
相制御器と、3−(n+1)の振幅特性、位相特性同時
波長無依存(可変)方向性結合器より構成され、n=0
の単位構成回路は、振幅特性と位相特性とが同時に波長
無依存な1個の(可変)方向性結合器3−1により構成
される。3−(n+1)の可変方向性結合器は、図4、
5に示した回路構成で構成されている。図4、5で示し
た、振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な(可
変)方向性結合器のS行列は、式(2)で与えられてい
る。これを用いてn番目の単位構成のS行列は次のよう
に与えられる。
In FIG. 2, the unit configuration circuit of the n-th stage is 1-n,
It comprises a 2-n optical waveguide, 4- (2n-1) and 4-2n phase controllers, and 3- (n + 1) amplitude characteristics and phase characteristics simultaneous wavelength-independent (variable) directional coupler. , N = 0
Is constituted by one (variable) directional coupler 3-1 whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength. The 3- (n + 1) variable directional coupler is shown in FIG.
The circuit configuration shown in FIG. The S matrix of the (variable) directional coupler in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously wavelength-independent (variable) shown in FIGS. 4 and 5 is given by Expression (2). Using this, the S matrix of the n-th unit configuration is given as follows.

【0075】[0075]

【数16】 (Equation 16)

【0076】ここで、θn は、振幅特性と位相特性とが
同時に波長無依存な(可変)方向性結合器3−(n+
1)の振幅結合率の角度表示を表しており、φan,φbn
はその2つの出力ポートからの光出力の位相を表してい
る。また、φn は、振幅特性と位相特性とが同時に波長
無依存な(可変)方向性結合器に挾まれた2本の光導波
路上の位相制御器4−(2n−1),4−2nの位相差
量を表している。S0 は、振幅特性と位相特性とが同時
に波長無依存な(可変)方向性結合器3−1だけから構
成されることより、
Here, θ n is a wavelength-independent (variable) directional coupler 3- (n +
1) shows the angle display of the amplitude coupling ratio of 1), and φ an , φ bn
Represents the phase of the light output from the two output ports. Φ n is a phase controller 4- (2n-1), 4-2n on two optical waveguides sandwiched by a (variable) directional coupler whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength. Represents the amount of phase difference. S 0 is composed of only the (variable) directional coupler 3-1 in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously wavelength-independent,

【0077】[0077]

【数17】 [Equation 17]

【0078】と表される。Is expressed as follows.

【0079】実際のS行列の分解は、単位構成S行列の
逆行列Sn -1 =Sn +(Sn +はSn の転置共役行列)をn
=N,N−1,…,2,1,0の順番に順次S行列の左
側より作用させることにより行われる。
[0079] degradation of the actual S matrix, the inverse matrix S n -1 = S n + unit configuration S matrix (S n + is transposed conjugate matrix of S n) n
= N, N-1,..., 2, 1, 0 in order.

【0080】[0080]

【数18】 (Equation 18)

【0081】ここで、S[n] =Sn n-1 …S2 1
0 を表す。この繰り返し操作によりSn は求められる。
[0081] In this case, S [n] = S n S n-1 ... S 2 S 1 S
Represents 0 . Sn is obtained by this repetitive operation.

【0082】式(12)でS[n] を既知とすると、z
(n+1)/2 の項が零になる条件より、振幅特性と位相特性
とが同時に波長無依存な(可変)方向性結合器3−(n
+1)の振幅結合率θn が求まる。具体的には、
If S [n] is known from equation (12), z
Under the condition that the term of (n + 1) / 2 becomes zero, the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously wavelength-independent (variable) directional coupler 3- (n
Amplitude coupling ratio θ n +1) is obtained. In particular,

【0083】[0083]

【数19】 [Equation 19]

【0084】よりθn が求まる。式中、an [n],bn [n]
はS[n] における既知の複素展開係数である。θn が求
まると、その振幅結合率に対応する、振幅特性と位相特
性とが同時に波長無依存な(可変)方向性結合器が設計
でき、結果的に、位相φan,φbnが求められる。また、
From the above, θ n is obtained. Where a n [n] and b n [n]
Is a known complex expansion coefficient in S [n] . Once θ n is determined, a wavelength-independent (variable) directional coupler whose amplitude characteristics and phase characteristics simultaneously correspond to the amplitude coupling ratio can be designed. As a result, phases φ an and φ bn are determined. . Also,

【0085】[0085]

【外2】 [Outside 2]

【0086】位相制御器4−(2n−1),4−2nの
位相差量φn が求まる。具体的には、
The phase difference φ n between the phase controllers 4- (2n-1) and 4-2n is obtained. In particular,

【0087】[0087]

【数20】 (Equation 20)

【0088】ただし、However,

【0089】[0089]

【数21】 (Equation 21)

【0090】である。Is as follows.

【0091】[0091]

【外3】 [Outside 3]

【0092】θn は式(13)より求められ既知であ
り、位相φan,φbnも既知である。また、an-1 [n],a
n [n],bn-1 [n],bn [n]は、S[n] における既知の複素
展開係数で既知であることから、
Θ n is obtained from equation (13) and is known, and the phases φ an and φ bn are also known. Also, a n-1 [n] , a
Since n [n] , b n-1 [n] and b n [n] are known with known complex expansion coefficients in S [n] ,

【0093】[0093]

【外4】 [Outside 4]

【0094】また、振幅特性と位相特性とが同時に波長
無依存な(可変)方向性結合器4−nの位相φan-1,φ
bn-1は、
Further, the phases φ an−1 , φ an of the directional coupler 4-n in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously independent of wavelength (variable).
bn-1 is

【0095】[0095]

【数22】 (Equation 22)

【0096】より、振幅結合率φn-1 を求め、振幅特性
と位相特性とが同時に波長無依存な(可変)方向性結合
器4−nを設計し、その位相φan-1,φbn-1を決定し
た。
[0096] than to obtain the amplitude coupling ratio phi n-1, the amplitude and phase characteristics and is designed at the same time wavelength-independent (variable) directional couplers 4-n and the phase φ an-1, φ bn -1 was determined.

【0097】このようにして、S行列の各分解段階で、
単位構成回路に含まれる回路パラメータθn およびφn
が求められる。そして、分解手順を最終段まで完了する
ことにより、全回路パラメータθn (n=0,1,…,
N)およびφn (n=1,2,…,N)が求められる。
Thus, at each decomposition stage of the S matrix,
Circuit parameters θ n and φ n included in the unit configuration circuit
Is required. By completing the disassembly procedure up to the final stage, all circuit parameters θ n (n = 0, 1,.
N) and φ n (n = 1, 2,..., N) are obtained.

【0098】以上説明したように、本発明では、所望の
クロスフィルタ特性に対して2N 通りの回路パラメータ
が求められる。これらの回路パラメータのいずれを採用
しても、同一のクロスフィルタ特性が得られる。このこ
とから、本発明では、回路パラメータに関する数値限定
を受けず、上記の回路合成手法で求めた全ての回路パラ
メータに本発明の権利の適用が及ぶことを主張する。
As described above, in the present invention, 2N kinds of circuit parameters are obtained for desired cross filter characteristics. Regardless of which of these circuit parameters is employed, the same cross filter characteristics can be obtained. From this, the present invention asserts that the rights of the present invention extend to all the circuit parameters obtained by the above-described circuit synthesis method, without being limited by numerical values relating to the circuit parameters.

【0099】(実施形態例2)実施形態例1では、周期
波長を1.6μm(周波数間隔200GHzに対応)と
した。本実施形態例では、周期波長を4μm(周波数間
隔500GHzに対応)として、実施形態例1と同様な
プログラマブル光信号処理器を作製した。実施形態例1
と異なるのは、2本の光導波路の光路長差ΔLだけであ
る。
(Embodiment 2) In Embodiment 1, the periodic wavelength is set to 1.6 μm (corresponding to a frequency interval of 200 GHz). In the present embodiment, a programmable optical signal processor similar to that of the first embodiment was manufactured by setting the periodic wavelength to 4 μm (corresponding to a frequency interval of 500 GHz). Embodiment 1
The only difference is the optical path length difference ΔL between the two optical waveguides.

【0100】図18は本発明の広帯域プログラマブル光
信号処理器を用いてプログラムした群遅延等化特性であ
る。動作波長域は1.5〜1.6μmである。100n
mに及ぶ全動作波長域にわたり、等しい群遅延等化特性
が実現されていることがわかる。図19は従来のプログ
ラマブル光信号処理器を用いてプログラムした群遅延等
化特性である。設計波長は1.55μmである。設計波
長から離れるにつれて、群遅延等化特性が所望特性
(1.55μm付近の特性)から大きくずれていく様子
が見られる。この例では、一応設計の特性とほぼ等しい
群遅延等化特性を維持している波長範囲は、ほぼ20μ
m程度であることがわかる。この群遅延等化特性では、
30μm以上の広帯域の光波長多重通信には使用するこ
とができない。今後の広帯域光波長多重通信において、
本発明の広帯域プログラマブル光信号処理器が大きな役
割をしめることは、本実施形態例から明白である。
FIG. 18 shows group delay equalization characteristics programmed using the wideband programmable optical signal processor of the present invention. The operating wavelength range is 1.5 to 1.6 μm. 100n
It can be seen that equal group delay equalization characteristics are realized over the entire operating wavelength range up to m. FIG. 19 shows group delay equalization characteristics programmed using a conventional programmable optical signal processor. The design wavelength is 1.55 μm. It can be seen that the group delay equalization characteristic greatly deviates from the desired characteristic (the characteristic near 1.55 μm) as the distance from the design wavelength increases. In this example, the wavelength range in which the group delay equalization characteristic almost equal to the design characteristic is maintained is approximately 20 μm.
m. In this group delay equalization characteristic,
It cannot be used for optical wavelength multiplex communication over a wide band of 30 μm or more. In future broadband optical wavelength division multiplexing communications,
It is clear from the present embodiment that the broadband programmable optical signal processor of the present invention plays a large role.

【0101】以上、実施形態例を用いて、本発明の構成
および作用を説明したが、本発明は本実施形態例に限定
されるものではない。例えば、本発明では石英平面光回
路を用いたが、InGaAsP系等の半導体、LiNb
3 等の電気光学材料、有機光学材料などの別の材料で
平面回路を形成することも可能である。また、平面回路
の代わりに光ファイバを用いることも可能である。ま
た、本発明では、1つの回路で任意の光信号処理を可能
にするため、可変結合率を持つ、振幅特性と位相特性と
が同時に波長無依存な方向性結合器を用いたが、単一機
能の光信号処理器を実現するためには、振幅特性と位相
特性とが同時に波長無依存な可変方向性結合器のかわり
に、固定結合率を持つ、振幅特性と位相特性とが同時に
波長無依存な方向性結合器を用いることも可能であり、
この方が、部品数が少なくて済むというメリットもあ
る。本実施形態例では、位相制御および光路長制御を行
なうのに、熱光学効果を用いたが、位相制御の方法とし
ては、他の物理現象、例えば、電気光学効果、カー効果
に代表される非線形光学効果、磁気光学効果等を利用す
ることも可能である。
The configuration and operation of the present invention have been described above using the embodiment, but the present invention is not limited to the embodiment. For example, although a quartz planar optical circuit is used in the present invention, a semiconductor such as an InGaAsP-based semiconductor, LiNb
It is also possible to form a planar circuit with another material such as an electro-optical material such as O 3 or an organic optical material. It is also possible to use an optical fiber instead of a planar circuit. Further, in the present invention, in order to enable arbitrary optical signal processing with one circuit, a directional coupler having a variable coupling ratio and having amplitude and phase characteristics simultaneously independent of wavelength is used. In order to realize a functional optical signal processor, instead of a variable directional coupler in which the amplitude and phase characteristics are simultaneously wavelength-independent, the amplitude and phase characteristics have a fixed coupling ratio at the same time. It is also possible to use dependent directional couplers,
This also has the merit that the number of parts can be reduced. In the present embodiment, the thermo-optical effect is used to perform the phase control and the optical path length control. However, other physical phenomena such as the electro-optical effect and the nonlinear effect represented by the Kerr effect are used as the phase control method. It is also possible to use an optical effect, a magneto-optical effect, and the like.

【0102】このように、本発明は、素子の組合せ方を
表す回路構成と所望フィルタ特性を与えて回路パラメー
タを計算する回路合成手法を組み合わせて光信号処理器
を実現するための発明であり、その回路の物理的実現手
段には拘束されない。また、本実施形態例で述べた回路
パラメータは設計例の一つに過ぎず、この数値により限
定されるものではないことも併せて述べておく。
As described above, the present invention is an invention for realizing an optical signal processor by combining a circuit configuration representing a combination of elements and a circuit synthesis technique for calculating circuit parameters by giving desired filter characteristics. You are not bound by the physical implementation of the circuit. It is also noted that the circuit parameters described in the present embodiment are only one of the design examples and are not limited by the numerical values.

【0103】また、本発明は、振幅特性と位相特性とが
同時に波長無依存なN+1個の可変方向性結合器に挾ま
れたN箇所の2本の光導波路がそれぞれ一定の光路長差
を持つ構成を特徴としているが、その際、振幅特性と位
相特性とが同時に波長無依存な可変方向性結合器に挾ま
れたN箇所の2本の光導波路の光路長の長い側を、一方
にそろえるかどうかという導波路構成にも本発明は制約
されない。なぜなら、振幅特性と位相特性とが同時に波
長無依存な可変方向性結合器の結合率を適当に変えるこ
とにより、各2本の光導波路の光路長の長い側を互い違
いにしたりというような各種の導波路構成のフィルタを
実現することも可能であるからである。
Further, according to the present invention, two optical waveguides at N locations sandwiched between N + 1 variable directional couplers whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously wavelength-independent have a constant optical path length difference. In this case, the two optical waveguides at N locations sandwiched by the variable directional couplers whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength are aligned with one of the longer optical path lengths. The present invention is not limited to the waveguide configuration of whether or not. This is because the amplitude characteristic and the phase characteristic simultaneously change the coupling rate of the variable directional coupler in which the wavelength is independent at the same time, so that the long side of the optical path length of each of the two optical waveguides is alternated. This is because it is also possible to realize a filter having a waveguide configuration.

【0104】本発明は、素子の組合せ方を表す回路構成
および回路パラメータの設計手順に関するものである。
本発明の請求項に特徴的なのは、回路構成に加えて、回
路パラメータを求めるための設計手順を付加して要求し
ていることにある。実際に所望特性を実現しようとする
と、必ず所望特性を実現するための回路パラメータを算
出する設計手順が必要になる。本発明では、本回路構成
の回路パラメータである振幅特性と位相特性とが同時に
波長無依存なN+1個の可変方向性結合器の結合率、N
個の位相制御器の位相シフト量が、実施形態例で述べら
れた設計手順に基づいて求められている。このような多
くの回路パラメータを試行錯誤的に求めることは実際に
は不可能であり、たとえ計算機を用いて逐次近似手法に
より回路パラメータを求めようとしても、最適な回路パ
ラメータを得ることは不可能に近い。本発明で用いてい
る設計手順は、本発明独自のものであり、その特徴は、
逐次近似的手法とは異なり、有限の計算回数で最適な回
路パラメータを求めることが可能な点にある。
The present invention relates to a circuit configuration representing a combination of elements and a procedure for designing circuit parameters.
A feature of the claims of the present invention resides in that a request is made by adding a design procedure for obtaining circuit parameters in addition to the circuit configuration. In order to actually achieve the desired characteristics, a design procedure for calculating the circuit parameters for realizing the desired characteristics is required. According to the present invention, the coupling ratio of N + 1 variable directional couplers, in which the amplitude characteristics and the phase characteristics, which are the circuit parameters of the circuit configuration, are simultaneously wavelength-independent, N
The phase shift amount of each of the phase controllers is obtained based on the design procedure described in the embodiment. It is actually impossible to obtain such a large number of circuit parameters by trial and error, and it is impossible to obtain the optimal circuit parameters even if the circuit parameters are determined by a successive approximation method using a computer. Close to. The design procedure used in the present invention is unique to the present invention.
Unlike the successive approximation method, the point is that the optimal circuit parameters can be obtained with a finite number of calculations.

【0105】仮に本発明と類似の回路構成を有する発明
が存在しても、本発明は本発明独自の設計手順の存在に
より他特許との差別化を主張する。具体的には、実施形
態例で述べた群遅延等化器は、本設計手順を用いなくて
は得られない特性であり、回路構成が類似な場合でも、
実施形態例を比較することにより、他発明との差別化を
行なうことができる。
Even if an invention having a circuit configuration similar to that of the present invention exists, the present invention claims differentiation from other patents due to the existence of a unique design procedure of the present invention. Specifically, the group delay equalizer described in the embodiment has characteristics that cannot be obtained without using this design procedure, and even when the circuit configuration is similar,
By comparing the embodiments, it is possible to differentiate the present invention from other inventions.

【0106】[0106]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の広帯域光
信号処理器は、振幅特性と位相特性とが同時に波長無依
存な方向性結合器を用いた請求項1の回路構成を取るこ
とにより、従来では実現できなかった10nm以上の広
帯域な光信号処理器を実現可能とした。また、具体的
に、請求項2で要求している所望特性を実現するための
回路パラメータ設計手法により、所望特性に対して回路
パラメータを決定することが可能である。さらに、請求
項3あるいは4で要求した固定結合率を持つ、振幅特性
と位相特性とが同時に波長無依存な方向性結合器を用い
ることにより、任意のフィルタ特性がプログラム可能な
広帯域プログラマブル光信号処理器が可能である。ま
た、請求項5あるいは6で要求した可変結合率を持つ、
振幅特性と位相特性とが同時に波長無依存な方向性結合
器を用いることにより、一つに回路で任意のフィルタ特
性がプログラム可能な広帯域プログラマブル光信号処理
器が実現可能である。さらに、このような広帯域光処理
器は、請求項7に記載した設計手順により、所望のフィ
ルタ特性を容易に実現することができる。
As described above, the broadband optical signal processor of the present invention adopts the circuit configuration of claim 1 using a directional coupler whose amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength. Thus, an optical signal processor having a wide band of 10 nm or more, which cannot be realized in the past, can be realized. Further, specifically, it is possible to determine the circuit parameters for the desired characteristics by a circuit parameter designing technique for realizing the desired characteristics required in claim 2. Further, by using a directional coupler having the fixed coupling ratio required in claim 3 and having amplitude characteristics and phase characteristics simultaneously independent of wavelength, a wideband programmable optical signal processing in which an arbitrary filter characteristic can be programmed. Vessels are possible. In addition, it has a variable coupling rate required in claim 5 or 6,
By using a directional coupler in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are wavelength-independent at the same time, a broadband programmable optical signal processor in which an arbitrary filter characteristic can be programmed by one circuit can be realized. Further, such a broadband optical processor can easily realize desired filter characteristics by the design procedure described in claim 7.

【0107】このように優れた特徴をもつ本発明の広帯
域光信号処理器は、広帯域な波長多重通信の分野で、各
種光ファイバなどの高度情報処理を行うための高機能光
信号処理器として利用可能である。また、本光信号処理
器は、電気のディジタルフィルタと等価なフィルタ特性
が実現可能であることから、超高速な光信号処理器とし
ても利用可能である。
The broadband optical signal processor of the present invention having such excellent characteristics is used as a high-performance optical signal processor for performing advanced information processing of various optical fibers in the field of wideband wavelength division multiplexing communication. It is possible. Further, since the present optical signal processor can realize filter characteristics equivalent to an electric digital filter, it can also be used as an ultra-high-speed optical signal processor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来のプログラマブル光信号処理器の回路構成
図である。
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a conventional programmable optical signal processor.

【図2】本発明にかかる広帯域光信号処理器の回路構成
図である。
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a broadband optical signal processor according to the present invention.

【図3】本発明の実施形態例1で用いた、振幅特性と位
相特性とが同時に波長無依存で振幅結合率可変な方向性
結合器の回路構成(N段構成)図である。
FIG. 3 is a circuit configuration diagram (N-stage configuration) of a directional coupler used in Embodiment 1 of the present invention, in which amplitude characteristics and phase characteristics are simultaneously independent of wavelength and whose amplitude coupling ratio is variable.

【図4】本発明の実施形態例1で用いた、振幅特性と位
相特性とが同時に波長無依存な可変方向性結合器のパワ
ー結合率(振幅特性)を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing a power coupling ratio (amplitude characteristic) of a variable directional coupler used in the first embodiment of the present invention, in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously wavelength-independent.

【図5】実施形態例1で用いた、振幅特性と位相特性と
が同時に波長無依存な可変方向性結合器の位相特性を示
すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing a phase characteristic of a variable directional coupler used in the first embodiment in which the amplitude characteristic and the phase characteristic are simultaneously independent of wavelength.

【図6】従来のプログラマブル光信号処理器で用いられ
ている可変方向性結合器のパワー結合率(振幅特性)を
示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a power coupling ratio (amplitude characteristic) of a variable directional coupler used in a conventional programmable optical signal processor.

【図7】従来のプログラマブル光信号処理器で用いられ
ている可変方向性結合器の位相特性を示すグラフであ
る。
FIG. 7 is a graph showing a phase characteristic of a variable directional coupler used in a conventional programmable optical signal processor.

【図8】本発明の実施形態例1の回路構成(8段構成)
で実現した群遅延等化器における動作波長域(周期波長
は1.6nm)の短波長端である1.5μm波長帯の光
透過強度特性を示すグラフである。
FIG. 8 is a circuit configuration (eight-stage configuration) of Embodiment 1 of the present invention.
6 is a graph showing light transmission intensity characteristics in a 1.5 μm wavelength band which is a short wavelength end of an operating wavelength range (periodic wavelength is 1.6 nm) in the group delay equalizer realized in FIG.

【図9】本発明の実施形態例1の回路構成(8段構成)
で実現した群遅延等化器における動作波長域の短波長端
である1.5μm波長帯の群遅延等化特性を示すグラフ
である。
FIG. 9 is a circuit configuration (eight-stage configuration) of Embodiment 1 of the present invention.
6 is a graph showing a group delay equalization characteristic in a 1.5 μm wavelength band which is a short wavelength end of an operation wavelength range in the group delay equalizer realized in FIG.

【図10】本発明の実施形態例1の回路構成(8段構
成)で実現した群遅延等化器における動作波長域の中心
波長である1.55μm波長帯の光透過強度特性を示す
グラフである。
FIG. 10 is a graph showing light transmission intensity characteristics in a 1.55 μm wavelength band which is a center wavelength of an operation wavelength band in the group delay equalizer realized by the circuit configuration (eight-stage configuration) of the first embodiment of the present invention. is there.

【図11】本発明の実施形態例1の回路構成(8段構
成)で実現した群遅延等化器における動作波長域の中心
波長である1.55μm波長帯の群遅延等化特性を示す
グラフである。
FIG. 11 is a graph showing a group delay equalization characteristic of a 1.55 μm wavelength band which is a center wavelength of an operation wavelength band in a group delay equalizer realized by a circuit configuration (eight-stage configuration) of the first embodiment of the present invention. It is.

【図12】従来のプログラマブル光信号処理器(8段構
成)で実現した群遅延等化器における動作波長域(周期
波長は1.6nm)の短波長端である1.5μm波長帯
の光透過強度特性を示すグラフである。
FIG. 12 shows light transmission in a 1.5 μm wavelength band which is a short wavelength end of an operating wavelength band (periodic wavelength is 1.6 nm) in a group delay equalizer realized by a conventional programmable optical signal processor (eight-stage configuration). 5 is a graph showing strength characteristics.

【図13】従来のプログラマブル光信号処理器(8段構
成)で実現した群遅延等化器における動作波長域の短波
長端である1.5μm波長帯の群遅延等化特性を示すグ
ラフである。
FIG. 13 is a graph showing a group delay equalization characteristic of a 1.5 μm wavelength band which is a short wavelength end of an operation wavelength region in a group delay equalizer realized by a conventional programmable optical signal processor (eight-stage configuration). .

【図14】従来のプログラマブル光信号処理器(8段構
成)で実現した群遅延等化器における動作波長域の中心
波長である1.55μm波長帯の光透過強度特性を示す
グラフである。
FIG. 14 is a graph showing light transmission intensity characteristics in a 1.55 μm wavelength band which is a center wavelength of an operation wavelength region in a group delay equalizer realized by a conventional programmable optical signal processor (eight-stage configuration).

【図15】従来のプログラマブル光信号処理器(8段構
成)で実現した群遅延等化器における動作波長域の中心
波長である1.55μm波長帯の群遅延等化特性を示す
グラフである。
FIG. 15 is a graph showing a group delay equalization characteristic in a 1.55 μm wavelength band which is a center wavelength of an operation wavelength band in a group delay equalizer realized by a conventional programmable optical signal processor (eight-stage configuration).

【図16】本発明のプログラマブル光信号処理器の回路
パラメータθn (n=0,1,…,N)およびφn (n
=1,2,…,N)を決定するための設計手順の前半の
流れ図である。
FIG. 16 shows circuit parameters θ n (n = 0, 1,..., N) and φ n (n) of the programmable optical signal processor of the present invention.
= 1, 2,..., N).

【図17】本発明のプログラマブル光信号処理器の回路
パラメータθn (n=0,1,…,N)およびφn (n
=1,2,…,N)を決定するための設計手順の後半の
流れ図である。
FIG. 17 shows circuit parameters θ n (n = 0, 1,..., N) and φ n (n
= 1, 2,..., N).

【図18】本発明の実施形態例2で実現した群遅延等化
器の群遅延等化特性(周期波長は4nm)を示すグラフ
である。
FIG. 18 is a graph showing a group delay equalization characteristic (a periodic wavelength is 4 nm) of the group delay equalizer realized in the second embodiment of the present invention.

【図19】従来のプログラマブル光信号処理器(8段構
成)で実現した群遅延等化器の群遅延等化特性(周期波
長は4nm)を示すグラフである。
FIG. 19 is a graph showing group delay equalization characteristics (periodic wavelength: 4 nm) of a group delay equalizer realized by a conventional programmable optical signal processor (eight-stage configuration).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,2 光導波路 3 振幅特性、位相特性同時波長無依存な可変方向性結
合器 4 位相制御器 5 基板 6 光導波路 7 方向性結合器 8 光路長調整部 9 従来の可変方向性結合器 10 位相制御器 11 3dB方向性結合器 12,13 光導波路 14,15 入力ポート 16,17 出力ポート 18,19 入力ポート 20,21 出力ポート
Reference numerals 1 and 2 Optical waveguide 3 Amplitude characteristics and phase characteristics Simultaneous wavelength-independent variable directional coupler 4 Phase controller 5 Substrate 6 Optical waveguide 7 Directional coupler 8 Optical path length adjustment unit 9 Conventional variable directional coupler 10 Phase Controller 11 3 dB directional coupler 12, 13 Optical waveguide 14, 15 Input port 16, 17 Output port 18, 19 Input port 20, 21 Output port

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 N+1個(Nは1以上)の2入力2出力
の光結合器が一列に並べられ、その互いに隣り合う光結
合器の間はそれぞれ光路長差を有する2本の光導波路で
結ばれ、前記各2本の光導波路の光路長差がN箇所の前
記光結合器間で互いに等しく、前記各2本の光導波路の
上に少なくとも各1個の位相制御器が設けられている回
路構成を有し、さらに、前記光結合器が、その2個の入
力ポートのいずれのポートから光信号を入力した場合に
も、その2個の出力ポートから出力された光信号に対し
て、光信号処理器の動作波長域で一定となる振幅および
位相伝送特性を有することを特徴とする広帯域光信号処
理器。
1. N + 1 (N is 1 or more) two-input two-output optical couplers are arranged in a line, and two optical waveguides having an optical path length difference between adjacent optical couplers are used. The two optical waveguides have the same optical path length difference between the N optical couplers, and at least one phase controller is provided on each of the two optical waveguides. In the case where the optical coupler has an optical signal input from any of the two input ports, the optical coupler has a circuit configuration with respect to the optical signal output from the two output ports. A broadband optical signal processor having amplitude and phase transmission characteristics that are constant in an operating wavelength range of the optical signal processor.
【請求項2】 前記2入力2出力の光結合器の振幅結合
率θn と前記2本の光導波路の上に設けられた位相制御
器の位相量φn が、所望フィルタ特性に対し、下記式; 【数1】 ここで、ak [n],bk [n]は下記の漸化式により求められ
る複素数である。 【数2】 また、φan,φbnは設計されたn番目の前記光結合器の
2出力ある各出力ポートに対応する位相量である;に基
づいて計算された値をとることを特徴とする請求項1に
記載の広帯域光信号処理器。
2. The amplitude coupling ratio θ n of the two-input two-output optical coupler and the phase amount φ n of the phase controller provided on the two optical waveguides are as follows with respect to a desired filter characteristic. Equation; Here, a k [n] and b k [n] are complex numbers obtained by the following recurrence formula. (Equation 2) Also, φ an, φ bn is the phase amount corresponding to each output port with two outputs of the n-th of the optical coupler designed; claim 1, characterized in that taking the calculated value based on 4. The broadband optical signal processor according to 1.
【請求項3】 前記光結合器が、2本の光導波路を(m
+1)箇所(mは2以上)で互いに近接させて構成した
(m+1)個の方向性結合器を有し、前記方向性結合器
に挾まれたm箇所において、該2本の光導波路が5μm
以下の光路長差を有していることを特徴とする請求項2
に記載の広帯域光信号処理器。
3. The optical coupler according to claim 1, wherein the two optical waveguides are arranged in the optical coupler (m
+1) locations (m is 2 or more) and (m + 1) directional couplers arranged close to each other, and at m locations sandwiched between the directional couplers, the two optical waveguides are 5 μm.
3. The optical system according to claim 2, wherein the optical path length difference is as follows.
4. The broadband optical signal processor according to 1.
【請求項4】 前記光結合器が、2本の光導波路を(m
+1)箇所(mは2以上)で互いに近接させて構成した
(m+1)個の方向性結合器を有し、前記方向性結合器
に挾まれたm箇所において、該2本の光導波路が等しい
光路長差を有し、各該光導波路上には少なくとも1個の
光路長調整部が設けられていることを特徴とする請求項
2に記載の広帯域光信号処理器。
4. The optical coupler according to claim 1, wherein the two optical waveguides are connected to each other by (m
It has (m + 1) directional couplers arranged close to each other at +1) locations (m is 2 or more), and the two optical waveguides are equal at m locations sandwiched between the directional couplers. The broadband optical signal processor according to claim 2, wherein the optical waveguide has a difference in optical path length, and at least one optical path length adjusting unit is provided on each of the optical waveguides.
【請求項5】 前記の光結合器が、該動作波長域におい
て、その波長一定の振幅結合率値が可変である可変光結
合器であることを特徴とする請求項2に記載の広帯域光
信号処理器。
5. The wide-band optical signal according to claim 2, wherein said optical coupler is a variable optical coupler whose amplitude coupling ratio value is constant in said operating wavelength range. Processor.
【請求項6】 前記の可変光結合器が、2本の光導波路
を(n+1)箇所(nは3以上)で互いに近接させて構
成した(n+1)個の方向性結合器を有し、前記方向性
結合器に挾まれたn箇所において、該2本の光導波路
が、等しい光路長差を有するか、あるいは、5μm以下
の光路長差を有し、各該光導波路上には少なくとも1個
の光路長調整部が設けられていることを特徴とする請求
項5に記載の広帯域光信号処理器。
6. The variable optical coupler includes (n + 1) directional couplers each having two optical waveguides arranged close to each other at (n + 1) locations (n is 3 or more), At n positions sandwiched by the directional couplers, the two optical waveguides have the same optical path length difference, or have an optical path length difference of 5 μm or less, and at least one optical waveguide is provided on each of the optical waveguides. The broadband optical signal processor according to claim 5, further comprising: an optical path length adjusting unit.
【請求項7】 N+1個(Nは1以上)の2入力2出力
の光結合器が一列に並べられ、その互いに隣り合う光結
合器の間はそれぞれ光路長差を有する2本の光導波路で
結ばれ、前記各2本の光導波路の光路長差がN箇所の前
記光結合器間で互いに等しく、前記各2本の光導波路の
上に少なくとも各1個の位相制御器が設けられている回
路構成を有し、さらに、前記光結合器が、その2個の入
力ポートのいずれのポートから光信号を入力した場合に
も、その2個の出力ポートから出力された光信号に対し
て、光信号処理器の動作波長域で一定となる振幅および
位相伝送特性を有する広帯域光信号処理器において所望
のフィルタ特性を実現することのできる広帯域光信号処
理器の設計方法であって、 前記所望フィルタ特性に対する前記光結合器の振幅結合
率と前記位相制御器の位相量を、下記設計手順1から4
に基づいて求めることにより、これら光結合器の振幅結
合率と位相制御器の位相量とを確定し、これらによっ
て、前記所望のフィルタ特性を実現することを特徴とす
る広帯域光信号処理器の設計方法。 (設計手順1)前記所望フィルタ特性をN次の複素係数
のフーリエ級数展開で近似する。 (設計手順2)求めたフーリエ級数関数を絶対値の最大
が1以下になるように規格化する。 (設計手順3)規格化されたフーリエ級数関数を用い
て、該光信号処理器の全伝送特性を2行2列の伝送特性
行列で表現する。 (設計手順4)求めた該光信号処理器全体の伝送特性行
列を、光路長差のある前記各2本の光導波路と前記光結
合器より構成される各単位構成に対応する2行2列の伝
送特性行列の積の形に分解し、単位構成を表す2行2列
の伝送特性行列が、前記光結合器の振幅結合率と前記位
相制御器の位相量をパラメータとして表現されることに
基づいて、前記光結合器の振幅結合率と前記位相制御器
の位相量を求める。
7. N + 1 (N is 1 or more) 2-input / 2-output optical couplers are arranged in a line, and two optical waveguides having an optical path length difference between adjacent optical couplers are used. The two optical waveguides have the same optical path length difference between the N optical couplers, and at least one phase controller is provided on each of the two optical waveguides. In the case where the optical coupler has an optical signal input from any of the two input ports, the optical coupler has a circuit configuration with respect to the optical signal output from the two output ports. A method for designing a broadband optical signal processor capable of realizing desired filter characteristics in a broadband optical signal processor having amplitude and phase transmission characteristics that are constant in an operating wavelength range of the optical signal processor, wherein the desired filter Characteristics of the optocoupler The phase of the width coupling ratio and the phase controller, the following design procedure 1 4
Based on the above, the amplitude coupling ratio of these optical couplers and the phase amount of the phase controller are determined, and thereby, the desired filter characteristics are realized, thereby designing a broadband optical signal processor. Method. (Design Procedure 1) The desired filter characteristics are approximated by Fourier series expansion of N-order complex coefficients. (Design Procedure 2) Normalize the obtained Fourier series function so that the maximum absolute value is 1 or less. (Design Procedure 3) Using a standardized Fourier series function, all transmission characteristics of the optical signal processor are expressed by a 2-by-2 transmission characteristic matrix. (Design Procedure 4) The obtained transmission characteristic matrix of the entire optical signal processor is converted into two rows and two columns corresponding to each unit configuration including each of the two optical waveguides having an optical path length difference and the optical coupler. Is decomposed into the product of the transmission characteristic matrices, and a 2-by-2 transmission characteristic matrix representing the unit configuration is expressed using the amplitude coupling ratio of the optical coupler and the phase amount of the phase controller as parameters. Based on this, an amplitude coupling ratio of the optical coupler and a phase amount of the phase controller are obtained.
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