JP3348431B2 - Dispersion compensating optical circuit - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システム、
特に波長多重通信システムや超高速光通信システムなど
で用いられる分散補償光回路に関し、更に詳細には、小
さな挿入損失で広帯域の分散補償を行う分散補償光回路
に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical communication system,
In particular, the present invention relates to a dispersion compensating optical circuit used in a wavelength division multiplexing communication system or an ultra-high speed optical communication system, and more particularly to a dispersion compensating optical circuit that performs wideband dispersion compensation with small insertion loss.
【０００２】[0002]
【従来の技術】光通信システム、特に波長多重通信シス
テムや超高速光通信システムになどで用いられている従
来の分散補償素子の主なるものには、分散補償ファイバ
を用いるものと、ファイバグレーティングを用いるもの
とがある。また、分散補償ファイバ及びファイバグレー
ティングを用いた分散補償素子の問題点を解決する別構
成の分散補償素子として、導波路型の分散補償光回路が
提案されている。これらを以下に順に説明する。2. Description of the Related Art A conventional dispersion compensating element mainly used in an optical communication system, in particular, a wavelength division multiplexing communication system or an ultra-high speed optical communication system, includes a dispersion compensating fiber and a fiber grating. Some are used. Further, a waveguide type dispersion compensating optical circuit has been proposed as a dispersion compensating element having another configuration to solve the problems of the dispersion compensating element using the dispersion compensating fiber and the fiber grating. These will be described below in order.
【０００３】分散補償ファイバを用いた分散補償素子
は、ファイバコア部への不純物添加により意図的に分散
量を通常のファイバからずらすことにより分散を補償し
ようとするものである。この分散補償ファイバは、例え
ばOptics lettersの第５巻（１９８０年）の第４７６頁
からに４７８頁に記載されている。この例では、ＧｅＯ
2 をコア部へ添加することにより、分散補償の効果を得
ている。例えば１００ｋｍの通常ファイバの分散を補償
するためには、約１０ｋｍのファイバ長が必要となる。A dispersion compensating element using a dispersion compensating fiber is intended to compensate the dispersion by intentionally shifting the amount of dispersion from a normal fiber by adding impurities to a fiber core. This dispersion compensating fiber is described, for example, in Optics letters, Vol. 5 (1980), pages 476 to 478. In this example, GeO
By adding 2 to the core, an effect of dispersion compensation is obtained. For example, to compensate for the dispersion of a 100 km normal fiber, a fiber length of about 10 km is required.
【０００４】これに対し、ファイバグレーティングを用
いた分散補償素子は、回折格子を設けたファイバのコア
径を意図的にずらすことにより、実効的に回折格子の間
隔を変化させ、波長に応じて反射される位置に変化を持
たせ、反射時間の波長依存性により分散を補償しようと
するものである。このファイバグレーティングを用いた
分散補償素子は、例えばJournal of Lightwave Technol
ogy の第１１巻（１９９３年）の第１３２５頁からに１
３３０頁に記載されている。On the other hand, a dispersion compensating element using a fiber grating, by intentionally shifting the core diameter of a fiber provided with a diffraction grating, effectively changes the spacing between the diffraction gratings and reflects light in accordance with the wavelength. In this case, the position to be changed is changed, and the dispersion is compensated by the wavelength dependence of the reflection time. A dispersion compensating element using this fiber grating is, for example, the Journal of Lightwave Technol.
1 from page 1325 of Ogy, Volume 11 (1993)
It is described on page 330.
【０００５】図２を参照して、ファイバグレーティング
を用いた分散補償素子の構成及び機能を説明する。図２
は、ファイバグレーティングの構成を模式的に示す図で
ある。本ファイバへの入射光は、図２の左より入射す
る。コア部の屈折率と回折格子の間隔を固定したまま
で、コア部の径を末端に行くに従って徐々に小さくなる
ように絞ってある。これにより、コア部への光閉じ込め
効果が徐々に弱くなり、光がクラッド部に染み出すた
め、実効的な屈折率が末端に行くに従い徐々に小さくな
る。結果的に、回折格子の間隔が末端に行くに従い短く
なる効果が得られる。従って、入射光は、波長の長いも
のは近端で反射され、波長の短いものは遠端で反射され
ることになり、波長に応じた遅延効果が得られる。ファ
イバの長さを制御することにより、任意の分散補償が可
能となるものである。例えば１．５μｍ帯の波長域にお
いて１ｎｍの波長分布を持つ信号を通常ファイバ１００
ｋｍ分だけ補償するためには、１ｍ程度のファイバ長が
必要となる。Referring to FIG. 2, the configuration and function of a dispersion compensating element using a fiber grating will be described. FIG.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a configuration of a fiber grating. Light incident on the present fiber enters from the left side of FIG. While the refractive index of the core portion and the distance between the diffraction gratings are fixed, the diameter of the core portion is reduced so as to gradually decrease toward the end. As a result, the effect of confining light in the core part gradually weakens, and the light seeps into the cladding part, so that the effective refractive index gradually decreases toward the end. As a result, an effect is obtained in which the distance between the diffraction gratings becomes shorter toward the end. Accordingly, incident light having a longer wavelength is reflected at the near end, and light having a shorter wavelength is reflected at the far end, and a delay effect according to the wavelength is obtained. By controlling the length of the fiber, any dispersion compensation can be performed. For example, a signal having a wavelength distribution of 1 nm in a wavelength range of 1.5 μm
To compensate for the distance of km, a fiber length of about 1 m is required.
【０００６】以上の２種類の分散補償素子は、いずれも
素子寸法、挿入損失、帯域などの点で課題がある。その
詳細は、あとで述べることにする。Both of the above two types of dispersion compensating elements have problems in terms of element dimensions, insertion loss, band, and the like. The details will be described later.
【０００７】これら課題を克服するための工夫として、
導波路型分散補償光回路が、提案されている。この光回
路は、特願平第５−１６７６４５号公報あるいはElectr
onics Letters 第３１巻（１９９５年）の第２１９２頁
からに２１９４頁に記載されている。図３を参照しなが
ら、導波路型分散補償光回路の構成を以下に簡単に説明
する。シリコンよりなる基板３２上に非対称マッハチェ
ンダ型干渉系を構成する湾曲形状の光導波路３１が複数
形成されている。これらの光導波路３１は結合強度を温
度により制御できる可変カプラ３３及び半分の強度だけ
結合するカプラ３４によって直列に接続されている。各
々の光導波路部３１では、マッハチェンダ型の干渉効果
により、波長に依存した位相差が生じる。これを複数接
続することにより、一種のグレーティングを構成してい
るが、非対称構成のため、波長により伝播経路に差が生
じ、分散を補償することが可能となる。素子寸法は、７
６ｘ８８ｍｍである。As a device for overcoming these problems,
A waveguide-type dispersion compensation optical circuit has been proposed. This optical circuit is disclosed in Japanese Patent Application No. 5-167645 or Electr.
onics Letters, Vol. 31 (1995), pages 2192 to 2194. The configuration of the waveguide type dispersion compensating optical circuit will be briefly described below with reference to FIG. On a substrate 32 made of silicon, a plurality of curved optical waveguides 31 forming an asymmetric Mach-Chehner type interference system are formed. These optical waveguides 31 are connected in series by a variable coupler 33 whose coupling intensity can be controlled by temperature and a coupler 34 which couples by half the intensity. In each optical waveguide section 31, a phase difference depending on the wavelength occurs due to a Mach-Cheander type interference effect. By connecting a plurality of these, a kind of grating is formed, but due to the asymmetric structure, a difference occurs in the propagation path depending on the wavelength, and it is possible to compensate for dispersion. Element size is 7
6x88 mm.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の分
散補償素子には、それぞれ、以下のような問題があっ
た。まず、分散補償ファイバを利用した分散補償素子に
は、素子長が長く、挿入損失が大きいという問題があ
る。例えば１００ｋｍの通常ファイバの分散を補償する
ために必要な素子長は、約１０ｋｍと長い。また、その
時の挿入損失は、約７ｄＢと大きい。さらに、このファ
イバは振動や温度に対して不安定であって、これを伝送
路として用いることができないという問題がある。The above-described conventional dispersion compensating elements have the following problems. First, the dispersion compensating element using the dispersion compensating fiber has a problem that the element length is long and the insertion loss is large. For example, the element length required to compensate for the dispersion of a normal fiber of 100 km is as long as about 10 km. The insertion loss at that time is as large as about 7 dB. Furthermore, this fiber has a problem that it is unstable against vibration and temperature and cannot be used as a transmission line.
【０００９】次に、ファイバグレーティングを利用した
分散補償素子には、素子長が長く、補償帯域が狭いとい
う問題がある。例えば１．５μｍ帯の波長域において１
ｎｍの波長分布を持つ信号を通常ファイバ１００ｋｍ分
だけ補償するために、１ｍ程度の長い素子長が必要であ
る。また、通常の波長多重通信システムで用いられる波
長域は、少なくとも３０ｎｍであるから、全域をカバー
するためには、全長３０ｍあるいは３０個のファイバグ
レーティングを用意する必要があり、コストが嵩み、寸
法が大きくなるという問題が生じる。Next, a dispersion compensating element using a fiber grating has a problem that the element length is long and the compensation band is narrow. For example, in the wavelength range of 1.5 μm band, 1
A long element length of about 1 m is required to compensate a signal having a wavelength distribution of nm by 100 km of the fiber. Further, since the wavelength range used in a normal wavelength division multiplexing communication system is at least 30 nm, it is necessary to prepare a total length of 30 m or 30 fiber gratings in order to cover the entire range. Is increased.
【００１０】導波路型分散補償光回路では、分散補償フ
ァイバ又はファイバグレーティングを利用した分散補償
素子に付帯する上述のような問題は無いものの、やはり
素子長が約８ｃｍと依然大きいのが現状である。その主
な理由は、光導波路により光信号の遅延を生じさせるた
めに、大きな曲率を持つ導波路が必要となるが、挿入損
失の劣化を抑えるためには導波路の曲率半径を１ｃｍ程
度に抑えることが必要になるからである。また、基本的
に回折格子と同等の効果しか得られないことも、大きな
光路長依存性が得られない理由となっている。The waveguide type dispersion compensating optical circuit does not have the above-mentioned problems associated with the dispersion compensating element using the dispersion compensating fiber or the fiber grating, but still has a large element length of about 8 cm at present. . The main reason is that a waveguide having a large curvature is required to cause a delay of an optical signal by the optical waveguide, but the curvature radius of the waveguide is suppressed to about 1 cm in order to suppress deterioration of insertion loss. It is necessary. Further, the fact that only an effect equivalent to that of a diffraction grating can be basically obtained is also a reason why a large optical path length dependency cannot be obtained.
【００１１】以上のように従来の分散補償素子にはそれ
ぞれ問題があって、満足できるレベルには到達していな
い。そこで、本発明の目的は、上記問題を克服して、素
子寸法がｃｍ程度以下であって、挿入損失が小さく、補
償帯域が広い分散補償素子を提供することである。As described above, each of the conventional dispersion compensating elements has a problem and has not reached a satisfactory level. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a dispersion compensating element having an element size of about cm or less, having a small insertion loss and a wide compensation band, overcoming the above problems.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る分散補償光素子（以下、第１の発明と
言う）は、信号光の光ファイバ中の伝播速度の波長依存
を補償する分散補償光回路であって、波長に強く依存し
て入射光を大きく屈折させる機能を有し、光の進行方向
に直列に配置された複数個のフォトニック結晶を備え、
複数個のフォトニック結晶のうち隣合う各２個のフォト
ニック結晶は、その構造が各２個のフォトニック結晶の
中間点を通り光の進行方向に交差する対称軸に関し対称
に形成され、かつ対称軸に関し対称に配置され、信号光
は、信号光が先頭のフォトニック結晶内を伝播する際、
信号光の波長に応じて大きく屈折するように設定された
入射角で、先頭のフォトニック結晶に入射するようにし
たことを特徴としている。In order to achieve the above object, a dispersion compensating optical element according to the present invention (hereinafter referred to as a first invention) has a function of reducing the wavelength dependence of the propagation speed of signal light in an optical fiber. A dispersion compensating optical circuit for compensating, having a function of strongly refracting incident light depending on the wavelength, comprising a plurality of photonic crystals arranged in series in the light traveling direction,
Two adjacent photonic crystals of the plurality of photonic crystals are formed symmetrically with respect to a symmetry axis whose structure passes through an intermediate point of each of the two photonic crystals and intersects with the traveling direction of light, and The signal light is arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry, and when the signal light propagates through the first photonic crystal,
It is characterized in that the light is incident on the leading photonic crystal at an incident angle set so as to be largely refracted according to the wavelength of the signal light.
【００１３】本発明では、フォトニック結晶内の波長に
よる光路長の変化と、フォトニック結晶内の遅い伝播速
度の効果により、小さな挿入損失で広帯域にわたり大き
な分散補償を安定的に行う小さな寸法の分散補償光回路
を実現することができる。本発明では、フォトニック結
晶に特徴的な大きな屈折現象と分光現象とを利用する。
即ち、本発明は、結晶中の光伝播がある入射角では非常
に大きな屈折角を持って伝播すると言うフォトニック結
晶の性質と、入射光の波長に大きく依存してその屈折角
が変化するというフォトニック結晶の性質を利用してい
る。本発明で、基板は、自由キャリア吸収の影響をさけ
るため不純物濃度の低い高抵抗シリコン単結晶基板で形
成されている。According to the present invention, due to the effect of the change in the optical path length due to the wavelength in the photonic crystal and the effect of the slow propagation speed in the photonic crystal, the dispersion having a small size that stably performs a large dispersion compensation over a wide band with a small insertion loss. A compensating optical circuit can be realized. In the present invention, a large refraction phenomenon and a spectral phenomenon characteristic of a photonic crystal are used.
That is, according to the present invention, the property of a photonic crystal that light propagates in a crystal with a very large refraction angle at a certain incident angle, and that the refraction angle changes greatly depending on the wavelength of the incident light. Utilizes the properties of photonic crystals. In the present invention, the substrate is formed of a high-resistance silicon single crystal substrate having a low impurity concentration in order to avoid the influence of free carrier absorption.
【００１４】この現象の一例をＣＣＤカメラによって観
測した写真を図４（ａ）に示す。図４（ｂ）には比較の
ために通常のシリコン結晶に同様の光入射したときの写
真を示す。０．９９μｍと１．０μｍの２つの波長を持
つ光をフォトニック結晶に同一角度、同一位置から入射
すると、図４（ａ）に示すように、これら２つの波長の
光の伝播方向には約５０°の角度差が生じる。この現象
は、波長や入射角を変えると、様々に変化するが、その
一例として図５に伝播角の波長依存性の角度による変化
を示す。１５°の入射角において最も角度分散が大き
く、５０°／％が得られることが分かる。また波長変化
に応じて、伝播各の角度変化が、ほぼ線形に生じること
が分かる。FIG. 4A shows a photograph of an example of this phenomenon observed by a CCD camera. FIG. 4B shows a photograph when similar light is incident on a normal silicon crystal for comparison. When light having two wavelengths of 0.99 μm and 1.0 μm is incident on the photonic crystal from the same angle and from the same position, as shown in FIG. An angle difference of 50 ° results. This phenomenon changes variously when the wavelength or the incident angle is changed. As an example, FIG. 5 shows a change in the angle of the wavelength dependence of the propagation angle. It can be seen that the angular dispersion is the largest at an incident angle of 15 °, and 50 ° /% is obtained. Also, it can be seen that the angle change of each propagation occurs almost linearly according to the wavelength change.
【００１５】この現象を利用することにより、伝播光は
大きく屈折し、また波長に応じて伝播角が大きく変化す
る。これにより、波長に応じてフォトニック結晶内で光
路長差を生じさせることが可能となる。また、フォトニ
ック結晶中の群速度は、真空中の光速度に対して極端に
遅いことが知られており、この光路長差は実効的に大き
な伝播時間の差となって現れることになる。By utilizing this phenomenon, propagating light is greatly refracted, and the propagation angle changes greatly according to the wavelength. This makes it possible to cause an optical path length difference in the photonic crystal according to the wavelength. It is also known that the group velocity in a photonic crystal is extremely lower than the light velocity in a vacuum, and this optical path length difference appears as a large difference in effective propagation time.
【００１６】ここで用いる分光効果は、通常の回折格子
に対して約５０倍の光路差増強効果があり、通所のプリ
ズムと比較すると約５００倍の効果となる。この点で回
折格子と同等の効果を用いる従来例の導波路型分散補償
光回路とは大きく異なる。好適には、フォトニック結晶
の有する大きな群速度分散との相乗効果を利用して、光
ファイバ中の信号伝播速度の波長依存を補償する。これ
により、小さな寸法の分散補償光回路で大きな寸法の分
散補償光回路と同等の分散補償が可能となる。The spectral effect used here has an optical path difference enhancing effect about 50 times that of a normal diffraction grating, and about 500 times that of a regular prism. In this respect, it is greatly different from the conventional waveguide type dispersion compensation optical circuit which uses the same effect as the diffraction grating. Preferably, the wavelength dependence of the signal propagation velocity in the optical fiber is compensated for by utilizing the synergistic effect with the large group velocity dispersion of the photonic crystal. As a result, the same dispersion compensation as that of a large-sized dispersion compensation optical circuit can be performed by a small-sized dispersion compensation optical circuit.
【００１７】本発明では、上述のフォトニック結晶の性
質を用いることにより、信号光を大きく屈折させ、フォ
トニック結晶を２つ左右対称に配置することにより、大
きく湾曲した伝播光路を発生させることができる。フォ
トニック結晶内での屈折角は、伝播光の波長に対して敏
感に変化する性質があるため、波長に応じて光路の湾曲
度が大きく変化することになり、結果的に大きな光路差
を生じさせることができる。さらに、フォトニック結晶
内の伝播光は真空中の光速に対して２桁程度遅くできる
という性質があるため、６ｍｍ程度の素子サイズでも１
００ｋｍ程度のファイバ長の波長分散を補償するのに十
分な光路差が得られる。In the present invention, the signal light is largely refracted by using the above-described properties of the photonic crystal, and a large curved propagation optical path is generated by arranging two photonic crystals symmetrically. it can. Since the refraction angle in the photonic crystal has the property of being sensitive to the wavelength of the propagating light, the degree of curvature of the optical path changes greatly according to the wavelength, resulting in a large optical path difference. Can be done. Further, since the propagating light in the photonic crystal can be slowed down by about two orders of magnitude with respect to the speed of light in a vacuum, even if the element size is about 6 mm,
An optical path difference sufficient to compensate for chromatic dispersion of a fiber length of about 00 km is obtained.
【００１８】本分散補償光回路は、光通信システム、特
に波長多重通信システムや超高速光通信システムなどに
用いられる分散補償光回路として最適である。例えば波
長多重通信の分野で使用するときには、本発明に係る分
散補償光回路（以下、第２の発明と言う）は、波長多重
通信システムで複数の波長チャンネルに信号を分割して
伝送する際、各チャンネル毎に信号の波長分散をそれぞ
れ補償する分散補償光回路であって、波長に強く依存し
て入射光を大きく屈折させる機能を有し、光の進行方向
に直列に配置された複数個のフォトニック結晶を備え、
複数個のフォトニック結晶のうち隣合う各２個のフォト
ニック結晶は、その構造が各２個のフォトニック結晶の
中間点を通り光の進行方向に交差する対称軸に関し対称
に形成され、かつ対称軸に関し対称に配置され、信号光
は、信号光が先頭のフォトニック結晶内を伝播する際、
信号光の波長に応じて大きく屈折するように設定された
入射角で、先頭のフォトニック結晶に入射するように
し、隣合う各２個のフォトニック結晶であって、入射端
に近い方の第１のフォトニック結晶と出射端に近い方の
第２のフォトニック結晶の間で、各チャンネル毎に、光
の進行方向に直列に配置された第３及び第４のフォトニ
ック結晶を備え、第３のフォトニック結晶は、光信号を
分岐する機能を有して第１のフォトニック結晶の光出射
側に配置され、第４のフォトニック結晶は、光信号を合
流させる機能を有して第２のフォトニック結晶の光入射
側に配置され、波長多重通信での分散補償機能と、信号
引き出し、挿入（アドドロップ）機能を同時に行うこと
を特徴としている。The present dispersion compensating optical circuit is most suitable as a dispersion compensating optical circuit used in an optical communication system, particularly a wavelength division multiplexing communication system or an ultra-high speed optical communication system. For example, when used in the field of wavelength division multiplexing communication, the dispersion compensating optical circuit according to the present invention (hereinafter referred to as the second invention) is used for dividing a signal into a plurality of wavelength channels in a wavelength division multiplexing communication system for transmission. A dispersion compensating optical circuit for compensating chromatic dispersion of a signal for each channel, and has a function of strongly refracting incident light depending strongly on a wavelength, and a plurality of optical circuits arranged in series in the traveling direction of light. Equipped with a photonic crystal,
Two adjacent photonic crystals of the plurality of photonic crystals are formed symmetrically with respect to a symmetry axis whose structure passes through an intermediate point of each of the two photonic crystals and intersects with the traveling direction of light, and The signal light is arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry, and when the signal light propagates through the first photonic crystal,
At the incident angle set so as to be largely refracted according to the wavelength of the signal light, the light is incident on the first photonic crystal, and the two adjacent photonic crystals, each of which is closer to the incident end, A third photonic crystal disposed in series in the light traveling direction for each channel between the first photonic crystal and the second photonic crystal closer to the emission end; The third photonic crystal has a function of branching an optical signal and is arranged on the light emission side of the first photonic crystal, and the fourth photonic crystal has a function of merging the optical signal. It is arranged on the light incident side of the second photonic crystal, and is characterized by simultaneously performing a dispersion compensation function in wavelength division multiplexing communication and a signal extraction and insertion (add-drop) function.
【００１９】[0019]
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例１ 本実施形態例は、第１の発明に係る分散補償光回路の実
施形態の一例であって、図１は本実施形態例の分散補償
光回路の構造を示す模式図である。波長に強く依存して
入射光を大きく屈折させる２個のフォトニック結晶、即
ちフォトニック結晶１１とフォトニック結晶１２とが、
シリコン半導体基板１３上に左右対称に形成され、かつ
配置されている。基板１３は、自由キャリア吸収の影響
をさけるため不純物濃度の低い高抵抗シリコンからなっ
ている。フォトニック結晶１１とフォトニック結晶１２
とは、いずれも、酸化ケイ素中にシリコンよりなる直径
０．３μｍの円柱を三角格子状に０．６μｍピッチで周
期的に配置したものである。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiment 1 This embodiment is an example of the embodiment of the dispersion compensating optical circuit according to the first invention, and FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of the dispersion compensating optical circuit of this embodiment. Two photonic crystals that strongly refract incident light depending on the wavelength, that is, a photonic crystal 11 and a photonic crystal 12,
It is formed symmetrically on the silicon semiconductor substrate 13 and arranged. The substrate 13 is made of high-resistance silicon having a low impurity concentration in order to avoid the influence of free carrier absorption. Photonic crystal 11 and photonic crystal 12
In each case, a cylinder of silicon having a diameter of 0.3 μm is periodically arranged in a triangular lattice at a pitch of 0.6 μm in silicon oxide.
【００２０】このフォトニック結晶は、前述のように、
フォトニック結晶中の光伝播が、ある入射角では非常に
大きな屈折角を持って伝播し、また、その屈折角が入射
光の波長に大きく依存して変化するという屈折現象及び
分光現象を示す性質を持つ構造であり、図１に示すよう
に、信号光の波長に応じてフォトニック結晶中の伝播角
が大きく変化する。図１中には、分かりやすく４本の光
路を矢印で示したが、実際には連続的に波長は変化す
る。フォトニック結晶１１とフォトニック結晶１２は、
全く同じ構造であり、しかも、図１中でフォトニック結
晶１１と１２の中間点を通る対称軸に関し、左右対称と
なるように、設計されている。したがって、図１の左方
向からの入射光１４は、フォトニック結晶１１で短波長
光ほど大きく上方に折れ曲がり、再度、フォトニック結
晶１２で同じ角度で下方に戻され、右側の出力光１５と
なって出力される。This photonic crystal, as described above,
The property of light propagation in photonic crystals exhibiting a refraction phenomenon and a spectroscopic phenomenon in which light propagates with a very large refraction angle at a certain incident angle, and the refraction angle changes greatly depending on the wavelength of the incident light. As shown in FIG. 1, the propagation angle in the photonic crystal greatly changes according to the wavelength of the signal light. In FIG. 1, four optical paths are indicated by arrows for easy understanding, but the wavelengths actually change continuously. The photonic crystal 11 and the photonic crystal 12
It has exactly the same structure, and is designed to be symmetrical with respect to the axis of symmetry passing through the intermediate point between the photonic crystals 11 and 12 in FIG. Therefore, the incident light 14 from the left direction in FIG. 1 is bent more upward at the photonic crystal 11 as the wavelength becomes shorter, and is returned again downward at the same angle by the photonic crystal 12 to become the output light 15 on the right. Output.
【００２１】図５で得られた伝播角の波長依存性より、
入射光１４の入射角が、フォトニック結晶１１の端面に
対して１５°となるよう設定すると、５０°／％の角度
分散が得られる。入射光の波長分布が１．５μｍ帯で１
ｎｍあるとすると、この角度分散より３°の伝播角の差
が得られることになる。フォトニック結晶１１及び１２
の幅をそれぞれ３ｍｍとし、中心となる信号光の伝播角
を７０°としたとき、３°の伝播角差は、３ｍｍの光路
長差となって現れる。From the wavelength dependence of the propagation angle obtained in FIG.
When the incident angle of the incident light 14 is set to be 15 ° with respect to the end face of the photonic crystal 11, an angular dispersion of 50 ° /% is obtained. The wavelength distribution of the incident light is 1 in the 1.5 μm band.
If there is nm, a difference in propagation angle of 3 ° can be obtained from this angular dispersion. Photonic crystals 11 and 12
Is 3 mm, and the propagation angle of the signal light at the center is 70 °, the propagation angle difference of 3 ° appears as an optical path length difference of 3 mm.
【００２２】一方、フォトニック結晶中の群速度は、真
空中の光速の１００分の１程度まで低減できるので、こ
こで得られた３ｍｍの光路長差は、１ｎｓの信号間時間
差を伴った出射光１５として出射されることになる。こ
の１ｎｓの時間差は、通常ファイバを約１００ｋｍ伝播
した後の波長間時間ずれに相当するため、１００ｋｍの
ファイバ長の分散補償が可能であるということになる。On the other hand, since the group velocity in the photonic crystal can be reduced to about 1/100 of the light velocity in vacuum, the 3 mm optical path length difference obtained here is accompanied by a 1 ns signal-to-signal time difference. The light is emitted as the light 15. Since the time difference of 1 ns usually corresponds to a time difference between wavelengths after propagation of about 100 km in the fiber, dispersion compensation of a fiber length of 100 km is possible.
【００２３】実施形態例２ 本実施形態例は、第１の発明に係る分散補償光回路の実
施形態の別の例である。実施形態例１では、フォトニッ
ク結晶１１及び１２の群速度が一定であるという前提で
あったが、実際には、フォトニック結晶１１及び１２の
群速度には大なり小なり分散があり、つまり波長に応じ
て群速度が変化する。この効果を用いても、等価的に波
長毎の遅延時間に差を付けることが可能となるものの、
これだけでは分散補償素子の寸法を十分に小さくするこ
とが難しい。即ち、この群速度分散を極端に大きく取ろ
うとすると、群速度分散そのものにもさらに分散があ
り、つまり広帯域の全域にわたって一定率の群速度変化
を得ることが難しい。そこで、この群速度分散の効果を
ある程度利用しながら、実施形態例１に関し説明した伝
播角の波長依存効果を同時に用いることにより、実施形
態例１の分散補償光回路より相乗的に素子寸法を小さく
し、しかも波長均一性の良い分散補償効果が得られる。 Embodiment 2 This embodiment is another example of the embodiment of the dispersion compensating optical circuit according to the first invention. In the first embodiment, it has been assumed that the group velocities of the photonic crystals 11 and 12 are constant. However, in fact, the group velocities of the photonic crystals 11 and 12 have a greater or less dispersion. The group velocity changes according to the wavelength. Even if this effect is used, it is possible to equivalently make a difference in the delay time for each wavelength,
It is difficult to make the size of the dispersion compensating element sufficiently small only by this. That is, if the group velocity dispersion is to be made extremely large, the group velocity dispersion itself has further dispersion, that is, it is difficult to obtain a constant rate of group velocity change over the entire wide band. Therefore, by using the effect of the group velocity dispersion to some extent and simultaneously using the wavelength dependence effect of the propagation angle described in the first embodiment, the element size can be reduced synergistically from the dispersion compensation optical circuit of the first embodiment. In addition, a dispersion compensation effect with good wavelength uniformity can be obtained.
【００２４】実施形態例３ 本実施形態例は、第２の発明の分散補償光回路の実施形
態例の一例であって、図６は本実施形態例の分散補償光
回路の構成を示す模式的ブロック図である。実施形態例
１を構成する２つのフォトニック結晶１１及び１２とそ
れぞれ同様のフォトニック結晶６１及び６２を基板６３
の上に形成し、フォトニック結晶６１とフォトニック結
晶６２の間にさらに別のフォトニック結晶６８（図６で
は４個のみ図示）を入射側に、フォトニック結晶６９
（図６では４個のみ図示）を出射側に形成する。 Embodiment 3 This embodiment is an example of the embodiment of the dispersion compensating optical circuit of the second invention, and FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the dispersion compensating optical circuit of this embodiment. It is a block diagram. Photonic crystals 61 and 62 similar to the two photonic crystals 11 and 12 constituting the first embodiment, respectively, are formed on a substrate 63.
And another photonic crystal 68 (only four are shown in FIG. 6) between the photonic crystal 61 and the photonic crystal 62, and a photonic crystal 69
(Only four are shown in FIG. 6) are formed on the emission side.
【００２５】フォトニック結晶６８は、一本の入射光を
２波に分岐する機能を有す。また、フォトニック結晶６
９は、フォトニック結晶６８と全く同じものを左右対称
に配置したものであり、２波を合流させる機能を有す
る。フォトニック結晶６８により２波に分岐した信号光
のうち一方を受光部６６に導入し、もう一方は透過する
構成とする。また、発光部６７から出射された信号光
は、フォトニック結晶６９により先の透過光と合流され
てフォトニック結晶６２に導入される。The photonic crystal 68 has a function of splitting one incident light into two waves. In addition, the photonic crystal 6
Reference numeral 9 denotes an arrangement in which the same thing as the photonic crystal 68 is symmetrically arranged, and has a function of merging two waves. One of the signal lights branched into two waves by the photonic crystal 68 is introduced into the light receiving unit 66, and the other is transmitted. The signal light emitted from the light emitting section 67 is combined with the transmitted light by the photonic crystal 69 and introduced into the photonic crystal 62.
【００２６】これらの構成により、複数の波長チャンネ
ルを有する入射光６４は、フォトニック結晶６１により
各チャンネル毎に別のフォトニック結晶６８に入射し、
それぞれ別の受光部６６で電気信号に変換される。ま
た、透過光も同じくそれぞれ別に発光部６７により信号
挿入されてフォトニック結晶６２により全てのチャンネ
ルからの光信号が合流されて一本の出射光６５となって
外部に出射される。With these configurations, the incident light 64 having a plurality of wavelength channels is incident on another photonic crystal 68 for each channel by the photonic crystal 61,
The light is converted into an electric signal by another light receiving unit 66. Similarly, the transmitted light is also separately signal-inserted by the light emitting unit 67, and the optical signals from all the channels are combined by the photonic crystal 62 to be emitted as one emitted light 65 to the outside.
【００２７】現状の波長多重通信で標準的なチャンネル
間波長間隔は、１ｎｍであり、受光部６６あるいは発光
部６７の間隔を１６０μｍとすると、フォトニック結晶
６１あるいはフォトニック結晶６２の横幅は３ｍｍとな
る。In the current wavelength division multiplexing communication, the standard wavelength interval between channels is 1 nm. If the interval between the light receiving unit 66 and the light emitting unit 67 is 160 μm, the lateral width of the photonic crystal 61 or the photonic crystal 62 is 3 mm. Become.
【００２８】本実施形態例では、実施形態例１で説明し
た分散補償の効果が同時にある。図６では、分かりやす
くするために波長λ１からλ４までのフォトニック結晶
６１内での光線間隔を大きく示しているが、実際には３
°間隔でよい。したがって、全てのチャンネル光を傾斜
角７０度付近に設定すれば、各チャンネルの光信号に対
し最大１ｎｍの波長幅に対する分散補償が可能となる。
実際にはチャンネル間波長差が１ｎｍであるから、波長
幅は０．５ｎｍ以下に抑えられており、フォトニック結
晶６８あるいは６９内を伝播する光信号の光線幅は８０
μｍ以下であり、受光部６６あるいは発光部６７の寸法
は８０μｍ以上であれば良い。In the present embodiment, the effect of dispersion compensation described in the first embodiment is at the same time. In FIG. 6, the light beam interval in the photonic crystal 61 from the wavelengths λ1 to λ4 is shown large for easy understanding.
° interval. Therefore, if all the channel lights are set to the vicinity of the inclination angle of 70 degrees, dispersion compensation for the wavelength width of 1 nm at the maximum can be performed on the optical signal of each channel.
Actually, since the wavelength difference between channels is 1 nm, the wavelength width is suppressed to 0.5 nm or less, and the light width of the optical signal propagating in the photonic crystal 68 or 69 is 80 nm.
μm or less, and the size of the light receiving portion 66 or the light emitting portion 67 may be 80 μm or more.
【００２９】これらの受光部６６あるいは発光部６７
は、基板６３上に受光素子あるいは半導体レーザ素子を
集積しても良いし、斜めに反射する機構を設けて外部に
受光素子あるいは半導体レーザ素子を配置しても良い。The light receiving section 66 or the light emitting section 67
In this case, a light receiving element or a semiconductor laser element may be integrated on the substrate 63, or a light receiving element or a semiconductor laser element may be disposed outside by providing a mechanism for oblique reflection.
【００３０】これらの実施形態例において、２つのフォ
トニック結晶を用いたが、３つ以上のフォトニック結晶
を用いたり、フォトニック結晶の間に別の結晶を挿入し
たりしても同様の効果が期待できる。また、入射光の中
心波長を１．５μｍとしたが、フォトニック結晶の設計
次第でこの波長を変更することは容易に可能である。ま
た、実施形態例では、基板をシリコンとしたが、インジ
ウムリンやガリウムリンなどの化合物半導体材料でも実
現可能である。また、ここでは短波長ほど伝播遅延が生
じる構成としたが、逆に長波長ほど伝播遅延が生じるよ
うるに設計することも容易に可能である。In these embodiments, two photonic crystals are used, but the same effect can be obtained by using three or more photonic crystals or inserting another crystal between the photonic crystals. Can be expected. Although the center wavelength of the incident light is set to 1.5 μm, this wavelength can be easily changed depending on the design of the photonic crystal. In the embodiment, the substrate is made of silicon. However, the substrate can be made of a compound semiconductor material such as indium phosphide or gallium phosphide. Further, here, the configuration is such that the shorter the wavelength, the longer the propagation delay occurs. However, it is easily possible to design such that the longer the wavelength, the longer the propagation delay.
【００３１】[0031]
【発明の効果】本発明によれば、光ファイバ中の信号伝
播速度の波長依存を補償する分散補償素子において、波
長に対する強い伝播角依存性を有するフォトニック結晶
を対称配置し、波長による光路長変化とフォトニック結
晶の有する遅い群速度の効果により、小さな寸法、挿入
損失で広帯域の分散補償を実現することが可能となる。
これにより、以下の効果を奏することができる。第１の
効果は、分散補償光回路を小型・軽量化し、高集積化す
ることができる。その理由は、光導波路に必要な曲率半
径の制限がなく、現状のＬＳＩ作製工程に使用されてい
るリソグラフィー技術を応用可能であるからである。第
２の効果は、生産性の向上である。その理由は、第１の
効果により、素子寸法が小さくなり、同一面積のウエハ
から生産できる素子数が多くなるからである。また、フ
ァイバなど個別光学部品の実装に伴う位置合わせ工程が
不要となることによっても、生産性が向上する。第３の
効果は、特性安定性の向上である。その理由は、素子寸
法を小さくできることにより、機械的振動の影響が少な
くなり、また素子温度の管理が容易になるためである。
本発明に係わる分散補償光回路を適用することにより、
低い生産コストで良好な分散補償素子を実現することが
できる。According to the present invention, in a dispersion compensating element for compensating the wavelength dependence of the signal propagation velocity in an optical fiber, a photonic crystal having a strong propagation angle dependence on the wavelength is symmetrically arranged, and the optical path length according to the wavelength is determined. Due to the change and the effect of the slow group velocity of the photonic crystal, it is possible to achieve wideband dispersion compensation with small dimensions and insertion loss.
Thereby, the following effects can be obtained. The first effect is that the dispersion compensation optical circuit can be reduced in size and weight, and can be highly integrated. The reason is that there is no limitation on the radius of curvature required for the optical waveguide, and the lithography technology used in the current LSI manufacturing process can be applied. The second effect is an improvement in productivity. The reason is that the first effect reduces the element size and increases the number of elements that can be produced from a wafer having the same area. In addition, productivity is improved by eliminating the need for a positioning step involved in mounting individual optical components such as fibers. A third effect is improvement in characteristic stability. The reason for this is that the effect of mechanical vibration can be reduced and the control of the element temperature can be facilitated by reducing the element size.
By applying the dispersion compensating optical circuit according to the present invention,
A good dispersion compensating element can be realized at low production cost.
【図１】実施形態例１のフォトニック結晶を用いた分散
補償光回路の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a dispersion compensation optical circuit using a photonic crystal according to a first embodiment.
【図２】従来例のファイバグレーティング型分散補償素
子の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional fiber grating type dispersion compensation element.
【図３】従来例の導波路型分散補償光回路の構成を示す
模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional waveguide type dispersion compensation optical circuit.
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、フォトニ
ック結晶及びシリコン半導体の内部伝播光のＣＣＤ観測
像を示す図面である。FIGS. 4A and 4B are diagrams showing CCD observation images of light propagated inside a photonic crystal and a silicon semiconductor, respectively.
【図５】フォトニック結晶の内部伝播光の伝播角の波長
依存性を示す図面である。FIG. 5 is a diagram showing the wavelength dependence of the propagation angle of light propagating inside a photonic crystal.
【図６】実施形態例３のフォトニック結晶を用いた信号
引き出し、挿入機能を有する波長多重通信を可能とする
分散補償光回路の構成を示すブロック図である。FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a dispersion compensating optical circuit that enables wavelength division multiplexing communication having a signal extraction and insertion function using a photonic crystal according to a third embodiment.
１１ フォトニック結晶 １２ フォトニック結晶 １３ 基板 １４ 入射光 １５ 出射光 ２１ クラッド ２２ コア ２３ 回折格子 ２４ 入射光 ２５ 出射光 ３１ 光導波路 ３２ 基板 ３３ 可変カプラ ３４ カプラ ３５ 入射光 ３６ 出射光 ４１ 入射光 ４２ 内部伝播光 ６１ フォトニック結晶 ６２ フォトニック結晶 ６３ 基板 ６４ 入射光 ６５ 出射光 ６６ 受光部 ６７ 発光部 ６８ フォトニック結晶 ６９ フォトニック結晶 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Photonic crystal 12 Photonic crystal 13 Substrate 14 Incident light 15 Outgoing light 21 Cladding 22 Core 23 Diffraction grating 24 Incident light 25 Outgoing light 31 Optical waveguide 32 Substrate 33 Variable coupler 34 Coupler 35 Incident light 36 Outgoing light 41 Incident light 42 Inside Propagating light 61 Photonic crystal 62 Photonic crystal 63 Substrate 64 Incident light 65 Outgoing light 66 Light receiving section 67 Light emitting section 68 Photonic crystal 69 Photonic crystal
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−133826（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−36834（ＪＰ，Ａ) 小坂英男 他，フォトニック結晶のＰ ＬＣ応用に向けて，電子情報通信学会エ レクトロニクスソサイエティ大会講演論 文集１，日本，社団法人電子情報通信学 会，1998年９月７日，1998，Ｐ420−421 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08 G02B 1/02 G02B 6/293 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-9-133826 (JP, A) JP-A-9-36834 (JP, A) Hideo Kosaka et al. information and communication Engineers elect Russia Nix Society Conference Proceedings 1, Japan, the Institute of Electronics, information and communication Society, September 7, 1998, 1998, P420-421 (58) investigated the field (Int.Cl. 7, DB name) H04B 10/00-10/28 H04J 14/00-14/08 G02B 1/02 G02B 6/293
Claims (8)
依存を補償する分散補償光回路であって、 波長に強く依存して入射光を大きく屈折させる機能を有
し、光の進行方向に直列に配置された複数個のフォトニ
ック結晶を備え、 複数個のフォトニック結晶のうち隣合う各２個のフォト
ニック結晶は、その構造が各２個のフォトニック結晶の
中間点を通り光の進行方向に交差する対称軸に関し対称
に形成され、かつ対称軸に関し対称に配置され、 信号光は、信号光が先頭のフォトニック結晶内を伝播す
る際、信号光の波長に応じて大きく屈折するように設定
された入射角で、先頭のフォトニック結晶に入射するよ
うにしたことを特徴とする分散補償光回路。1. A dispersion compensating optical circuit for compensating a wavelength dependence of a propagation speed of a signal light in an optical fiber, the circuit having a function of strongly refracting an incident light strongly depending on a wavelength, and It comprises a plurality of photonic crystals arranged in series, and each of two adjacent photonic crystals among the plurality of photonic crystals has a structure passing through an intermediate point of each of the two photonic crystals. The signal light is formed symmetrically with respect to the axis of symmetry intersecting the traveling direction, and is arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry. When the signal light propagates through the leading photonic crystal, the signal light is largely refracted according to the wavelength of the signal light. A dispersion-compensating optical circuit, which is incident on the leading photonic crystal at an incident angle set as described above.
分散との相乗効果を利用して、信号光の光ファイバ中の
伝播速度の波長依存を補償することを特徴とする請求項
１に記載の分散補償光回路。2. The dispersion according to claim 1, wherein the wavelength dependence of the propagation speed of the signal light in the optical fiber is compensated for by utilizing a synergistic effect with the large group velocity dispersion of the photonic crystal. Compensation light circuit.
ンネルに信号を分割して伝送する際、各チャンネル毎に
信号の波長分散をそれぞれ補償する分散補償光回路であ
って、 波長に強く依存して入射光を大きく屈折させる機能を有
し、光の進行方向に直列に配置された複数個のフォトニ
ック結晶を備え、 複数個のフォトニック結晶のうち隣合う各２個のフォト
ニック結晶は、その構造が各２個のフォトニック結晶の
中間点を通り光の進行方向に交差する対称軸に関し対称
に形成され、かつ対称軸に関し対称に配置され、 信号光は、信号光が先頭のフォトニック結晶内を伝播す
る際、信号光の波長に応じて大きく屈折するように設定
された入射角で、先頭のフォトニック結晶に入射するよ
うにし、 隣合う各２個のフォトニック結晶であって、入射端に近
い方の第１のフォトニック結晶と出射端に近い方の第２
のフォトニック結晶の間で、各チャンネル毎に、光の進
行方向に直列に配置された第３及び第４のフォトニック
結晶を備え、 第３のフォトニック結晶は、光信号を分岐する機能を有
して第１のフォトニック結晶の光出射側に配置され、第
４のフォトニック結晶は、光信号を合流させる機能を有
して第２のフォトニック結晶の光入射側に配置され、 波長多重通信での分散補償機能と、信号引き出し、挿入
（アドドロップ）機能を同時に行うことを特徴とする分
散補償光回路。3. A dispersion compensating optical circuit for compensating a chromatic dispersion of a signal for each channel when a signal is divided and transmitted to a plurality of wavelength channels in a wavelength division multiplexing communication system. It has a function of refracting incident light greatly, and includes a plurality of photonic crystals arranged in series in the light traveling direction, and two adjacent photonic crystals among the plurality of photonic crystals are The structure is formed symmetrically with respect to the axis of symmetry passing through the midpoint of each of the two photonic crystals and intersecting the direction of light propagation, and is arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry. When propagating through the inside, the light is incident on the first photonic crystal at an incident angle set so as to be greatly refracted according to the wavelength of the signal light. The near morphism end towards the first photonic second crystals closer to the exit end
And third and fourth photonic crystals arranged in series in the light traveling direction for each channel between the photonic crystals of the above. The third photonic crystal has a function of branching an optical signal. The fourth photonic crystal is disposed on the light incident side of the second photonic crystal and has a function of merging optical signals. A dispersion compensating optical circuit characterized by simultaneously performing a dispersion compensating function in multiplex communication and a signal extraction and insertion (add-drop) function.
ニック結晶との間に、受光部と発光部とを備えているこ
とを特徴とする請求項３に記載の分散補償光回路。4. The dispersion compensation optical circuit according to claim 3, further comprising a light receiving unit and a light emitting unit between the third photonic crystal and the fourth photonic crystal.
体レーザ素子であることを特徴とする請求項４に記載の
分散補償光回路。5. The dispersion compensating optical circuit according to claim 4, wherein the light receiving section is a light receiving element, and the light emitting section is a semiconductor laser element.
ことを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項
に記載の分散補償光回路。6. The dispersion compensating optical circuit according to claim 1, wherein the wavelength distribution of the incident light is in a 1.5 μm band.
リコンよりなる円柱を所定ピッチの三角格子状で周期的
に配置したものであることを特徴とする請求項１から６
のうちのいずれか１項に記載の分散補償光回路。7. The photonic crystal according to claim 1, wherein a column made of silicon is periodically arranged in a triangular lattice at a predetermined pitch in silicon oxide.
The dispersion compensating optical circuit according to any one of the above.
単結晶基板で形成されていることを特徴とする請求項１
から７のうちのいずれか１項に記載の分散補償光回路。8. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is formed of a high-resistance silicon single crystal substrate having a low impurity concentration.
8. The dispersion compensating optical circuit according to any one of items 1 to 7.
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| 小坂英男 他，フォトニック結晶のＰＬＣ応用に向けて，電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集１，日本，社団法人電子情報通信学会，１９９８年９月７日，１９９８，Ｐ４２０−４２１ |
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