JP3588427B2 - 偏波分散補償回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送路（光ファイバ）の偏波分散によって生じた光信号歪みを整形する偏波分散補償回路に関する。
【０００２】
ここで、光ファイバの偏波分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ） とは、光ファイバの複屈折性のために光信号の偏光状態（偏波状態）によって伝搬速度が変化する現象であり、これが光信号歪みの要因の一つになっている。
【０００３】
【従来の技術】
光通信の発展に伴い、既設の光ファイバに高速な光信号を伝搬させたいという要求が高まっている。しかし、既設の光ファイバは比較的高い偏波分散を有するので、高速な光信号を伝搬させたときの光信号歪みが大きな問題になる。
【０００４】
これを解決するための偏波分散補償回路としては、２つの偏光プリズム（偏光ビームスプリッタ）および機械的可動鏡を用いたものが知られている（参考文献：Ｆ．Ｈｅｉｓｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．，”ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮ ＯＦ ＦＩＲＳＴ−ＯＲＳＥＲ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＭＯＤＥ ＤＩＳＰＥＲＳＩＯＮ ＩＮ Ａ １０ Ｇｂ／ｓ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ”， ＷｄＣ１１， ＥＣＯＣ’９８， １９９８）。
【０００５】
図７は、上記文献に記載されている従来の偏波分散補償回路の構成例を示す。図において、入力ポート１０１から入力された光信号は、偏光コントローラ１０２を介して第１の偏光プリズム１０３に入力される。ここで、光伝送路で遅れたＴＭ光は直進するポートに出力され、進んだＴＥ光は直交するポートに出力され、偏光分離が行われる。ＴＥ光は、２枚の反射鏡を含む機械的可動鏡１０４を介して第２の偏光プリズム１０５に入力され、直接入力されるＴＭ光と偏光合成されて出力ポート１０６に出力される。この機械的可動鏡１０４を移動させることにより、ＴＥ光が空間的に伝搬する光路長が変化し、ＴＥ光とＴＭ光の遅延量が調整されて偏波分散補償が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の偏波分散補償回路には、次のような問題点がある。
第１は、機械的可動鏡１０４を有しているので信頼性に欠けることである。偏波分散は時間的に大きく変動する特性をもつが、従来の偏波分散補償回路では偏波分散の変動に追従するために機械的可動鏡１０４を動かす必要があり、長期的な安定性が問題となる。
【０００７】
第２は、空間的に光学系を構成しているので、各部品（１０３，１０４，１０５）の位置に厳しい精度が要求されることである。特に、従来の偏波分散補償回路では、機械的可動鏡１０４を動かしたときにも光学的な結合量が変化しないように、極めて厳しい位置精度が要求される。
【０００８】
第３は、従来の偏波分散補償回路が個別部品を組み合わせた構成であり、かつバルク部品の偏光コントローラ１０２や可動部材の機械的可動鏡１０４を用いた構成であるので小型化に限界があることである。
【０００９】
本発明は、バルク部品や可動部材を用いず、小型で信頼性に優れた導波路型の偏波分散補償回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の偏波分散補償回路は、基板上に、入力光を直交する２つの偏光成分に分離して２つの出力ポートに出力する導波路型偏光分離手段と、２つの偏光成分の位相差を調整する位相調整手段と、２つの偏光成分を同一偏光に変換する第１の偏光入れ替え手段と、位相調整手段で位相差が調整され、第１の偏光入れ替え手段で同一偏光になった２つの偏光成分を入力し、所定の分岐比で２つの出力ポートに合分波する分岐比可変光カプラと、分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分の遅延差を調整する遅延調整手段と、同一偏光成分を直交する２つの偏光成分に変換する第２の偏光入れ替え手段と、遅延調整手段で遅延差が調整され、第２の偏光入れ替え手段で直交する偏光になった２つの偏光成分を入力し、偏光合成して出力する導波路型偏光合成手段とを備え、位相調整手段に設定する位相差、分岐比可変光カプラに設定する分岐比、遅延調整手段に設定する遅延差を調整して入力光の偏波分散を補償する構成である。
【００１１】
請求項２の偏波分散補償回路は、請求項１の構成における導波路型偏光分離手段と遅延調整手段との間の位相調整手段および分岐比可変光カプラを２段構成とし、第１および第２の位相調整手段に設定する位相差、第１および第２の分岐比可変光カプラに設定する分岐比、遅延調整手段に設定する遅延差を調整して入力光の偏波分散を補償する構成である。
【００１２】
遅延調整手段は一対の光遅延線で構成され、かつ一対の光遅延線の少なくとも一方が遅延量を可変する手段を含む構成である。この光遅延線の遅延量を可変する手段は、Ｎを正の整数としたときに、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチと、Ｎ組の長さの異なる光導波路対とを交互に接続し、初段の２入力２出力光スイッチの一方の入力ポートを光遅延線の入力ポートとし、最終段の２入力２出力光スイッチの一方の出力ポートを光遅延線の出力ポートとし、各２入力２出力光スイッチの入出力ポート間をスルー状態またはクロス状態に設定することにより各組の光導波路対のいずれか一方の光導波路を選択して遅延量を可変させる構成である。また、可変遅延線を形成するＮ組の光導波路対の各光路長差が、１：２：４：８：…：２Ｎ−１ のように２の階乗の比になるように構成することにより、Ｎ段で単位遅延量の１〜２Ｎ−１倍の遅延量を自由に選択することができる。
【００１３】
分岐比可変光カプラは、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に位相調整手段を形成したマッハツェンダ型干渉計により構成する。この位相調整手段を駆動することにより、任意の分岐比を実現することができる。
【００１４】
導波路型偏光分離手段および導波路型偏光合成手段は、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に複屈折を調整する手段を形成した構成である。偏光入れ替え手段は、半波長板またはファラデー回転子を用いた構成である。
【００１５】
また、以上の偏波分散補償回路において、偏波分散補償回路を構成する光導波路が石英系光導波路であり、位相調整手段が石英系光導波路上に形成された薄膜ヒータとしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の偏波分散補償回路の第１の実施形態を示す。なお、ここでは、シリコン基板上に形成した石英系光導波路を用いて構成した例について説明する。この石英系光導波路は、光ファイバとの整合に優れた安定な光回路を構成できるからであるが、これに限定されるものではなく、例えばＬｉＮｂＯ３ 光導波路や半導体光導波路など、他の光導波路を用いてもよい。
【００１７】
図１において、シリコン基板１０上には、入力用チャネル光導波路１１、導波路型偏光分離素子１２、一対の光導波路１３ａ，１３ｂ、分岐比可変光カプラ１４、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂ、導波路型偏光合成素子１６、出力用チャネル光導波路１７が順次配置され、さらに一対の光導波路１３ａ，１３ｂおよび一対の光遅延線１５ａ，１５ｂの各一方に偏光入れ替え手段１８ａ，１８ｂが配置される。また、一対の光導波路１３ａ，１３ｂには、相対的な位相差を調整する位相調整手段１９ａ，１９ｂが配置される。
【００１８】
導波路型偏光分離素子１２の１つの入力ポートは入力用チャネル光導波路１１となり、２つの出力ポートに一対の光導波路１３ａ，１３ｂを介して分岐比可変光カプラ１４の２つの入力がそれぞれ光学的に接続される。偏光入れ替え手段１８ａは、ここでは光導波路１３ａ側に配置しているが、光導波路１３ａ，１３ｂのいずれにあってもよい。位相調整手段１９ａ，１９ｂは、ここでは光導波路１３ａ，１３ｂにそれぞれ配置しているが、光導波路１３ａ，１３ｂのいずれか一方にあってもよい。また、偏光入れ替え手段１８ａと位相調整手段１９ａの位置は入れ替えてもよい。
【００１９】
分岐比可変光カプラ１４の２つの出力には、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂの一端が光学的に接続され、その他端に導波路型偏光合成素子１６の２つの入力ポートがそれぞれ光学的に接続される。導波路型偏光合成素子１６の１つの出力ポートは出力用チャネル光導波路１７となる。偏光入れ替え手段１８ｂは、ここでは光遅延線１５ｂ側に配置しているが、光遅延線１５ａ，１５ｂのいずれにあってもよい。また、偏光入れ替え手段１８ｂと光遅延線１５ｂの位置は入れ替えてもよい。
【００２０】
以下、式を用いて光伝送路の偏波分散とその補償回路について説明する。光伝送路の偏波分散特性は、偏波分散を１次の項まで近似すれば、「２つの直交する偏光状態ｅ１ ，ｅ２ の間に群遅延時間差τＤ を与える特性」と見なすことができる。この光伝送路の偏光伝達特性を式で表すと、
【００２１】
【数１】
となる。ここで、Ａは光伝送路の偏波分散特性を表す Ｊｏｎｅｓ行列、ｆは光周波数、ｊは虚数単位である。また、Ｘは、光伝送路Ｕｔ の固有偏光状態である Ｊｏｎｅｓベクトル対ｅ１ ，ｅ２ を直線偏光の Ｊｏｎｅｓベクトル対ｅｘ＝（１，Ｏ） ，ｅｙ＝（０，１） に変換するユニタリ行列である。
【００２２】
ユニタリ行列Ｘは、一般に共通の位相項を除いて、３つのパラメータφ，ψ，θを用いて
【００２３】
【数２】
と表される。
【００２４】
次に、図１の偏波分散補償回路の動作について、式を用いて説明する。入力用チャネル光導波路１１から入力された光信号は、導波路型偏光分離素子１２によりｅｘ＝（１，Ｏ）成分とｅｙ＝（０，１）成分に分離される。ここでは、光導波路１３ａにｅｙ 成分が分離され、光導波路１３ｂにｅｘ 成分が分離される。光導波路１３ａに分離されたｅｙ 成分は、偏光入れ替え手段１８ａによりｅｘ 光に変換され、続いて位相調整手段１９ａ，１９ｂにより相対的な位相差αが与えられる。このとき、位相調整手段１９ａ，１９ｂの動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｕ１（α） は、
【００２５】
【数３】
で与えられる。
【００２６】
続いて、光信号のｅｘ ，ｅｙ 成分は、分岐比可変光カプラ１４により合分波される。このときの分岐比可変光カプラ１４の分岐比をκ＝ ｓｉｎβとすると、分岐比可変光カプラ１４の動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｕ２（β） は、
【００２７】
【数４】
で与えられる。
【００２８】
分岐比可変光カプラ１４から出力される光信号は、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂに導かれ、ここで相対的な遅延差τを受ける。このときの光遅延線１５ａ，１５ｂの動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｕ３（τ） は、
【００２９】
【数５】
で与えられる。
【００３０】
光遅延線１５ｂを出た光信号は、偏光入れ替え手段１８ｂによりｅｘ 成分からｅｙ 光に変換され、光遅延線１５ａを出た光信号と導波路型偏波合成素子１６で合波される。
【００３１】
以上により、図１の偏波分散補償回路全体の動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｂは、
Ｂ＝Ｕ３（τ） Ｕ２（β） Ｕ１（α） …（６）
で与えられる。ここで、偏波分散補償回路のパラメータが
α＝φ …（７）
β＝ψ−π／４ …（８）
τ＝τＤ …（９）
となるように設定すれば、光伝送路と偏波分散補償回路を合わせた Ｊｏｎｅｓ行列Ｃは、
【００３２】
【数６】
で与えられる。式（１０）は、もはや偏波分散τＤ を含んでいない。
【００３３】
すなわち、図１に示す第１の実施形態の構成では、位相調整手段１９ａ，１９ｂと分岐比可変光カプラ１４がいわゆる偏光コントローラとして作用し、光遅延線１５ａ，１５ｂが可変遅延線として作用し、全体として偏波分散補償回路を構成している。これにより、本発明の偏波分散補償回路は、光伝送路における１次の偏波分散を補償できることがわかる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の偏波分散補償回路の第２の実施形態を示す。図２において、シリコン基板２０上には、入力用チャネル光導波路２１、導波路型偏光分離素子２２、一対の光導波路２３ａ，２３ｂ、分岐比可変光カプラ２４ａ、一対の光導波路２３ｃ，２３ｄ、分岐比可変光カプラ２４ｂ、一対の光遅延線２５ａ，２５ｂ、導波路型偏光合成素子２６、出力用チャネル光導波路２７が順次配置され、さらに一対の光導波路２３ａ，２３ｂおよび一対の光遅延線２５ａ，２５ｂの各一方に偏光入れ替え手段２８ａ，２８ｂが配置される。また、一対の光導波路２３ａ，２３ｂおよび２３ｃ，２３ｄには、相対的な位相差を調整する位相調整手段２９ａ，２９ｂおよび２９ｃ，２９ｄが配置される。
【００３５】
導波路型偏光分離素子２２の１つの入力ポートは入力用チャネル光導波路２１となり、２つの出力ポートに一対の光導波路２３ａ，２３ｂを介して分岐比可変光カプラ２４ａの２つの入力がそれぞれ光学的に接続される。偏光入れ替え手段２８ａは、ここでは光導波路２３ａ側に配置しているが、光導波路２３ａ，２３ｂのいずれにあってもよい。位相調整手段２９ａ，２９ｂは、ここでは光導波路２３ａ，２３ｂにそれぞれ配置しているが、光導波路２３ａ，２３ｂのいずれか一方にあってもよい。また、偏光入れ替え手段２８ａと位相調整手段２９ａの位置は入れ替えてもよい。
【００３６】
分岐比可変光カプラ２４ａの２つの出力には、一対の光導波路２３ｃ，２３ｄを介して分岐比可変光カプラ２４ｂの２つの入力がそれぞれ光学的に接続される。位相調整手段２９ｃ，２９ｄは、ここでは光導波路２３ｃ，２３ｄにそれぞれ配置しているが、光導波路２３ｃ，２３ｄのいずれか一方にあってもよい。
【００３７】
分岐比可変光カプラ２４ｂの２つの出力には、一対の光遅延線２５ａ，２５ｂの一端が光学的に接続され、その他端に導波路型偏光合成素子２６の２つの入力ポートがそれぞれ光学的に接続される。導波路型偏光合成素子２６の１つの出力ポートは出力用チャネル光導波路２７となる。偏光入れ替え手段２８ｂは、ここでは光遅延線２５ｂ側に配置しているが、光遅延線２５ａ，２５ｂのいずれにあってもよい。また、偏光入れ替え手段２８ｂと光遅延線２５ｂの位置は入れ替えてもよい。
【００３８】
本実施形態の偏波分散補償回路では、位相調整手段２９ａ，２９ｂと分岐比可変光カプラ２４ａにより構成された第１の偏光コントローラと、位相調整手段２９ｃ，２９ｄと分岐比可変光カプラ２４ｂにより構成された第２の偏光コントローラが縦続に接続された構成になっている。これにより、１つの偏光コントローラのみを有する第１の実施形態の構成に比べて、調整できる位相量の制限を緩和することができる。
【００３９】
従来、傾いた１／２波長板と傾いた１／４波長板で構成されたバルク部品の偏光コントローラを２段縦続に接続すると、各波長板を傾ける角度に制限があっても、各１／２波長板と各１／４波長板を用いたリセット動作により、無限に変化していく偏光状態に追従させることができる、いわゆるエンドレスな偏光コントローラを構成できることが知られている（参考文献：Ｎ．Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ ａｎｄ Ｇ．Ｒ．Ｗａｌｋｅｒ，”Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｃｏｍｍｎｉｃａｔｉｏｎ”， Ｊ． ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．８， ｎｏ．３， ｐｐ．４３８−４５８， １９９９）。
【００４０】
本実施形態の構成でも数学的には全く同様に、位相調整手段２９ａ〜２９ｄおよび分岐比可変光カプラ２４ａ，２４ｂを用いてリセット動作が可能であり、エンドレスな偏光コントロールが可能となる。したがって、位相調整手段２９ａ〜２９ｄの位相調整量に制限があるような場合でも、時々刻々変化する光信号の偏光状態に常に追従して偏波分散補償を行うことが可能となる。
【００４１】
次に、図１，２に示す本発明の偏波分散補償回路を導波路型偏光分離素子１２（２２）および導波路型偏光合成素子１６（２６）、偏光入れ替え手段１８（２８）、位相調整手段１９（２９）、分岐比可変光カプラ１４（２４）、光遅延線１５（２５）に分割し、それぞれの構成および機能について説明する。図３は、導波路型偏光分離素子１２（２２）の構成例を示す。図４は、分岐比可変光カプラ１４（２４）の構成例を示す。図５は、光遅延線１５（２５）の構成例を示す。
【００４２】
（導波路型偏光分離素子１２（２２）の構成）
導波路型偏光分離素子１２（２２）と導波路型偏光合成素子１６（２６）は可逆の構成であるので、以下導波路型偏光分離素子１２について説明する。図３に示す導波路型偏光分離素子１２（２２）は、２入力２出力の２つの光カプラ３１，３２と、それらを接続する２本のアーム導波路３３ａ，３３ｂと、一方のアーム導波路３３ａ上に形成される複屈折調整用のアモルファスシリコン薄膜（応力付与膜）３４と、両アーム導波路３３ａ，３３ｂ上に形成される動作点調整用の薄膜ヒータ３５ａ，３５ｂとにより構成される。
【００４３】
このアモルファスシリコン薄膜３４にレーザを照射して、いわゆるレーザトリミングを行うことにより、ｘ偏光に対する干渉計の位相差φｘ とｙ偏光に対する干渉計の位相差φｙ の間にπの位相差を与えることができる。したがって、薄膜ヒータ３５ａ，３５ｂにより動作点を調整することにより、例えばｙ偏光が一方の出力ポートから出力され、ｘ偏光が他方の出力ポートから出力されるような偏光分離機能が実現する。導波路型偏光合成素子１６（２６）は、導波路型偏光分離素子１２（２２）と逆の経路により偏光合成して出力する構成となる。
【００４４】
なお、ここでは導波路型偏光分離素子（導波路型偏光合成素子）として、石英系光導波路とアモルファスシリコン薄膜および薄膜ヒータによるマッハツェンダ型干渉計を用いた構成を示したが、これはこの組み合わせが光ファイバとの整合性に優れ、制御性がよいためである。しかし、本発明の偏波分散補償回路における導波路型偏光分離素子（導波路型偏光合成素子）はこれに限定されるものではなく、半導体光導波路の構造やＬｉＮｂＯ３ 導波路のプロトン交換を用いた導波路型偏光分離素子など、他の導波路型偏光分離素子を用いてもよい。
【００４５】
（偏光入れ替え手段１８（２８）の構成）
偏光入れ替え手段１８（２８）は、光導波路に半波長板を挿入して実現される。偏光入れ替え手段１８ａ（２８ａ）は、例えばｙ偏光をｘ偏光に入れ替えるものであり、導波路型偏光分離素子１２（２２）で偏光分離されたｘ偏光およびｙ偏光を共にｘ偏光とし、偏光入れ替え手段１８ｂ（２８ｂ）は、ｘ偏光の一方をｙ偏光に入れ替えて導波路型偏光合成素子１６（２６）に入力して偏光合成する。なお、偏光入れ替え手段は、半波長板に限定されるものではなく、例えばファラデー回転子など他の偏光入れ替え手段を用いてもよい。
【００４６】
（位相調整手段１９（２９）の構成）
位相調整手段１９（２９）は、光導波路上に薄膜ヒータを形成して実現される。光導波路上に形成された薄膜ヒータでは、熱光学効果によって２つの偏光成分の相対的な位相差を調整する。
【００４７】
なお、位相調整手段は、石英系光導波路上に形成される薄膜ヒータに限定されるものではなく、半導体光導波路のキャリア変調による屈折率変化やＬｉＮｂＯ３ 光導波路の電気光学効果など、他の位相調整手段を用いてもよい。
【００４８】
（分岐比可変光カプラ１４（２４）の構成）
図４に示す分岐比可変光カプラ１４（２４）は、２入力２出力の２つの光カプラ４１，４２と、それらを接続する２本のアーム導波路４３ａ，４３ｂによりマッハツェンダ型干渉計を構成し、一方のアーム導波路４３ａ上に薄膜ヒータ４４が形成された構成である。この薄膜ヒータ４４を駆動して２本のアーム導波路の光路長差を０〜πの範囲で調整すれば、光カプラ４１の２入力から光カプラ４２の２出力への分岐比を変えることができる。
【００４９】
なお、分岐比可変光カプラは、石英系光導波路で形成したマッハツェンダ型干渉計の熱光学効果を用いた構成に限定されるものではなく、半導体光導波路のキャリア変調による光吸収量変化やＬｉＮｂＯ３ 光導波路の電気光学効果など、他の手法を用いてもよい。
【００５０】
（光遅延線１５（２５）の構成例）
図５に示す光遅延線１５（２５）は、Ｎ（正の整数：ここではＮ＝７）組の光導波路対５１ａ〜５１ｇと、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈから構成される。２入力２出力光スイッチ５２ａは、２つの光カプラ５３ａ，５４ａと、それらを接続する２本の導波路アームからなるマッハツェンダ型干渉計構成をとり、一方（または両方）の導波路アーム上にＴＯ移相器として動作する薄膜ヒータ５５ａが形成されている。他の２入力２出力光スイッチ５２ｂ〜５２ｈについても同様である。
【００５１】
第１の２入力２出力光スイッチ５２ａの一方の入力ポートは光遅延線１５（２５）の入力ポートとなり、２つの出力ポートに光導波路対５１ａが接続される。光導波路対５１ａの他端には、第２の２入力２出力光スイッチ５２ｂの２つの入力ポートが接続され、その２つの出力ポートには次の光導波路対５１ｂが接続される。同様に、各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇの前後に２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈが接続され、各２入力２出力光スイッチの設定に応じて各組の光導波路対の短い光導波路または長い光導波路のいずれかが選択されるようになっている。第８の２入力２出力光スイッチ５２ｈの一方の出力ポートは、光遅延線１５（２５）の出力ポートとなる。
【００５２】
また、各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇは短い光導波路と長い光導波路が対になっており、その間の光路長差が、
ΔＤ，２ΔＤ，４ΔＤ，８ΔＤ，…，２Ｎ−１ΔＤ
のいずれかになるように設定されている。なお、各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇの光路長差はこの順番に限らず、順番を入れ替えて配置してもよい。
【００５３】
このような構成の光遅延線１５（２５）の動作について説明する。ただし、２入力２出力光スイッチ５２は、薄膜ヒータ５５に電力を加えないときに入出力ポートが「スルー状態」となり、電力を加えたときに「クロス状態」になるものとする。なお、２入力２出力光スイッチには、薄膜ヒータ５５に電力を加えないときに「クロス状態」となり、電力を加えたときに「スルー状態」になるものもある。
【００５４】
すべての２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈを「スルー状態」にすると、光遅延線１５（２５）の入力ポートに入力された光信号は各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇの短い光導波路を通過して出力ポートへ至る。このときの光遅延線全体での遅延量をＤ０ とする。次に、２入力２出力光スイッチ５２ｃ，５２ｄ，５２ｆ，５２ｈを「クロス状態」とすると、光導波路対５１ｃ，５１ｆ，５１ｇの長い光導波路を通過し、その他は短い光導波路を通過して出力ポートへ至る。このときの光遅延線全体の遅延量は、
Ｄ０＋４ΔＤ＋３２ΔＤ＋６４ΔＤ＝Ｄ０＋１００ΔＤ
となる。このように、各２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈを「スルー状態」または「クロス状態」に切り替えることにより、光遅延線１５（２５）の遅延量を一般にＤ０ からＤ０＋（２Ｎ−１）ΔＤまでΔＤ刻みで実現することができる。
【００５５】
なお、ここでは光スイッチとして石英系光導波路の熱光学効果を用いた２入力２出力光スイッチを示した。これは、この組み合わせが消光比に優れた安定な光スイッチを実現できるからであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体光スイッチやマイクロメカニカルスイッチ等の他の光スイッチを用いてもよい。
【００５６】
また、図１（図２）に示す本発明の偏波分散補償回路の実施形態では、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂ（２５ａ，２５ｂ）の両方が遅延量を変える構成としたが、一対の光遅延線のうちの一方の遅延量が固定で、他方の遅延量が可変となる構成としてもよい。
【００５７】
（偏波分散補償回路の作製）
本発明の偏波分散補償回路の作製は、石英系光導波路を用いて行った。まず、シリコン基板上に火炎堆積法によりＳｉＯ２下部クラッド層を堆積し、次にＧｅＯ２をドーパントとして添加したＳｉＯ２ガラスのコア層を堆積した後に、電気炉で透明ガラス化した。次に、コア層をエッチングしてコア部を作製した。続いて、所定の光導波路上に薄膜ヒータ、電気配線、アモルファスシリコン薄膜を蒸着した。最後に、所定の光導波路にレーザを照射して残留応力を開放した。
【００５８】
図６は、作製した偏波分散補償回路に偏波分散により分離した光パルスを入力したときの補償特性を示す。半値全幅５０ｐｓｅｃ 、繰り返し周波数１０ＧＨｚの光パルスを、偏波分散量 １．８ｐｓｅｃ／（ｋｍ）１／２ の光ファイバを ６００ｋｍ伝送した後に評価した。図６には、伝送前、伝送後で偏波分散補償前、伝送後で偏波分散補償後の光パルス形状を示す。偏波分散により劣化した光パルス形状が補償されていることがわかる。なお、完全に元の光パルス波形に戻っていないのは、高次の偏波分散の影響であるが、多くの場合は高次の偏波分散による信号劣化は小さい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、主要部材を光導波路によって構成することができるので、小型で信頼性に優れた偏波分散補償回路を実現することができる。このような本発明の偏波分散補償回路と従来の光ファイバ伝送路と組み合わせることにより、高速な光信号伝送が可能となり、通信品質の向上と経済性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏波分散補償回路の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明の偏波分散補償回路の第２の実施形態を示す図。
【図３】導波路型偏光分離素子１２（２２）の構成例を示す図。
【図４】分岐比可変光カプラ１４（２４）の構成例を示す図。
【図５】光遅延線１５（２５）の構成例を示す図。
【図６】本発明の偏波分散補償回路による補償特性を説明する図。
【図７】従来の偏波分散補償回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
１０，２０ シリコン基板
１１，２１ 入力用チャネル光導波路
１２，２２ 導波路型偏光分離素子
１３，２３ 光導波路
１４，２４ 分岐比可変光カプラ
１５，２５ 光遅延線
１６，２６ 導波路型偏光合成素子
１７，２７ 出力用チャネル光導波路
１８，２８ 偏光入れ替え手段
１９，２９ 位相調整手段
３１，３２，４１，４２ 光カプラ
３３，４３ アーム導波路
３４ アモルファスシリコン薄膜
３５，４４ 薄膜ヒータ
５１ 光導波路対
５２ ２入力２出力光スイッチ
５３，５４ 光カプラ
５５ 薄膜ヒータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送路（光ファイバ）の偏波分散によって生じた光信号歪みを整形する偏波分散補償回路に関する。
【０００２】
ここで、光ファイバの偏波分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ） とは、光ファイバの複屈折性のために光信号の偏光状態（偏波状態）によって伝搬速度が変化する現象であり、これが光信号歪みの要因の一つになっている。
【０００３】
【従来の技術】
光通信の発展に伴い、既設の光ファイバに高速な光信号を伝搬させたいという要求が高まっている。しかし、既設の光ファイバは比較的高い偏波分散を有するので、高速な光信号を伝搬させたときの光信号歪みが大きな問題になる。
【０００４】
これを解決するための偏波分散補償回路としては、２つの偏光プリズム（偏光ビームスプリッタ）および機械的可動鏡を用いたものが知られている（参考文献：Ｆ．Ｈｅｉｓｍａｎｎ ｅｔ ａｌ．，”ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮ ＯＦ ＦＩＲＳＴ−ＯＲＳＥＲ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＭＯＤＥ ＤＩＳＰＥＲＳＩＯＮ ＩＮ Ａ １０ Ｇｂ／ｓ ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ”， ＷｄＣ１１， ＥＣＯＣ’９８， １９９８）。
【０００５】
図７は、上記文献に記載されている従来の偏波分散補償回路の構成例を示す。図において、入力ポート１０１から入力された光信号は、偏光コントローラ１０２を介して第１の偏光プリズム１０３に入力される。ここで、光伝送路で遅れたＴＭ光は直進するポートに出力され、進んだＴＥ光は直交するポートに出力され、偏光分離が行われる。ＴＥ光は、２枚の反射鏡を含む機械的可動鏡１０４を介して第２の偏光プリズム１０５に入力され、直接入力されるＴＭ光と偏光合成されて出力ポート１０６に出力される。この機械的可動鏡１０４を移動させることにより、ＴＥ光が空間的に伝搬する光路長が変化し、ＴＥ光とＴＭ光の遅延量が調整されて偏波分散補償が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の偏波分散補償回路には、次のような問題点がある。
第１は、機械的可動鏡１０４を有しているので信頼性に欠けることである。偏波分散は時間的に大きく変動する特性をもつが、従来の偏波分散補償回路では偏波分散の変動に追従するために機械的可動鏡１０４を動かす必要があり、長期的な安定性が問題となる。
【０００７】
第２は、空間的に光学系を構成しているので、各部品（１０３，１０４，１０５）の位置に厳しい精度が要求されることである。特に、従来の偏波分散補償回路では、機械的可動鏡１０４を動かしたときにも光学的な結合量が変化しないように、極めて厳しい位置精度が要求される。
【０００８】
第３は、従来の偏波分散補償回路が個別部品を組み合わせた構成であり、かつバルク部品の偏光コントローラ１０２や可動部材の機械的可動鏡１０４を用いた構成であるので小型化に限界があることである。
【０００９】
本発明は、バルク部品や可動部材を用いず、小型で信頼性に優れた導波路型の偏波分散補償回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の偏波分散補償回路は、基板上に、入力光を直交する２つの偏光成分に分離して２つの出力ポートに出力する導波路型偏光分離手段と、２つの偏光成分の位相差を調整する位相調整手段と、２つの偏光成分を同一偏光に変換する第１の偏光入れ替え手段と、位相調整手段で位相差が調整され、第１の偏光入れ替え手段で同一偏光になった２つの偏光成分を入力し、所定の分岐比で２つの出力ポートに合分波する分岐比可変光カプラと、分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分の遅延差を調整する遅延調整手段と、同一偏光成分を直交する２つの偏光成分に変換する第２の偏光入れ替え手段と、遅延調整手段で遅延差が調整され、第２の偏光入れ替え手段で直交する偏光になった２つの偏光成分を入力し、偏光合成して出力する導波路型偏光合成手段とを備え、位相調整手段に設定する位相差、分岐比可変光カプラに設定する分岐比、遅延調整手段に設定する遅延差を調整して入力光の偏波分散を補償する構成である。
【００１１】
請求項２の偏波分散補償回路は、請求項１の構成における導波路型偏光分離手段と遅延調整手段との間の位相調整手段および分岐比可変光カプラを２段構成とし、第１および第２の位相調整手段に設定する位相差、第１および第２の分岐比可変光カプラに設定する分岐比、遅延調整手段に設定する遅延差を調整して入力光の偏波分散を補償する構成である。
【００１２】
遅延調整手段は一対の光遅延線で構成され、かつ一対の光遅延線の少なくとも一方が遅延量を可変する手段を含む構成である。この光遅延線の遅延量を可変する手段は、Ｎを正の整数としたときに、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチと、Ｎ組の長さの異なる光導波路対とを交互に接続し、初段の２入力２出力光スイッチの一方の入力ポートを光遅延線の入力ポートとし、最終段の２入力２出力光スイッチの一方の出力ポートを光遅延線の出力ポートとし、各２入力２出力光スイッチの入出力ポート間をスルー状態またはクロス状態に設定することにより各組の光導波路対のいずれか一方の光導波路を選択して遅延量を可変させる構成である。また、可変遅延線を形成するＮ組の光導波路対の各光路長差が、１：２：４：８：…：２Ｎ−１ のように２の階乗の比になるように構成することにより、Ｎ段で単位遅延量の１〜２Ｎ−１倍の遅延量を自由に選択することができる。
【００１３】
分岐比可変光カプラは、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に位相調整手段を形成したマッハツェンダ型干渉計により構成する。この位相調整手段を駆動することにより、任意の分岐比を実現することができる。
【００１４】
導波路型偏光分離手段および導波路型偏光合成手段は、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に複屈折を調整する手段を形成した構成である。偏光入れ替え手段は、半波長板またはファラデー回転子を用いた構成である。
【００１５】
また、以上の偏波分散補償回路において、偏波分散補償回路を構成する光導波路が石英系光導波路であり、位相調整手段が石英系光導波路上に形成された薄膜ヒータとしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の偏波分散補償回路の第１の実施形態を示す。なお、ここでは、シリコン基板上に形成した石英系光導波路を用いて構成した例について説明する。この石英系光導波路は、光ファイバとの整合に優れた安定な光回路を構成できるからであるが、これに限定されるものではなく、例えばＬｉＮｂＯ３ 光導波路や半導体光導波路など、他の光導波路を用いてもよい。
【００１７】
図１において、シリコン基板１０上には、入力用チャネル光導波路１１、導波路型偏光分離素子１２、一対の光導波路１３ａ，１３ｂ、分岐比可変光カプラ１４、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂ、導波路型偏光合成素子１６、出力用チャネル光導波路１７が順次配置され、さらに一対の光導波路１３ａ，１３ｂおよび一対の光遅延線１５ａ，１５ｂの各一方に偏光入れ替え手段１８ａ，１８ｂが配置される。また、一対の光導波路１３ａ，１３ｂには、相対的な位相差を調整する位相調整手段１９ａ，１９ｂが配置される。
【００１８】
導波路型偏光分離素子１２の１つの入力ポートは入力用チャネル光導波路１１となり、２つの出力ポートに一対の光導波路１３ａ，１３ｂを介して分岐比可変光カプラ１４の２つの入力がそれぞれ光学的に接続される。偏光入れ替え手段１８ａは、ここでは光導波路１３ａ側に配置しているが、光導波路１３ａ，１３ｂのいずれにあってもよい。位相調整手段１９ａ，１９ｂは、ここでは光導波路１３ａ，１３ｂにそれぞれ配置しているが、光導波路１３ａ，１３ｂのいずれか一方にあってもよい。また、偏光入れ替え手段１８ａと位相調整手段１９ａの位置は入れ替えてもよい。
【００１９】
分岐比可変光カプラ１４の２つの出力には、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂの一端が光学的に接続され、その他端に導波路型偏光合成素子１６の２つの入力ポートがそれぞれ光学的に接続される。導波路型偏光合成素子１６の１つの出力ポートは出力用チャネル光導波路１７となる。偏光入れ替え手段１８ｂは、ここでは光遅延線１５ｂ側に配置しているが、光遅延線１５ａ，１５ｂのいずれにあってもよい。また、偏光入れ替え手段１８ｂと光遅延線１５ｂの位置は入れ替えてもよい。
【００２０】
以下、式を用いて光伝送路の偏波分散とその補償回路について説明する。光伝送路の偏波分散特性は、偏波分散を１次の項まで近似すれば、「２つの直交する偏光状態ｅ１ ，ｅ２ の間に群遅延時間差τＤ を与える特性」と見なすことができる。この光伝送路の偏光伝達特性を式で表すと、
【００２１】
【数１】
【００２２】
ユニタリ行列Ｘは、一般に共通の位相項を除いて、３つのパラメータφ，ψ，θを用いて
【００２３】
【数２】
【００２４】
次に、図１の偏波分散補償回路の動作について、式を用いて説明する。入力用チャネル光導波路１１から入力された光信号は、導波路型偏光分離素子１２によりｅｘ＝（１，Ｏ）成分とｅｙ＝（０，１）成分に分離される。ここでは、光導波路１３ａにｅｙ 成分が分離され、光導波路１３ｂにｅｘ 成分が分離される。光導波路１３ａに分離されたｅｙ 成分は、偏光入れ替え手段１８ａによりｅｘ 光に変換され、続いて位相調整手段１９ａ，１９ｂにより相対的な位相差αが与えられる。このとき、位相調整手段１９ａ，１９ｂの動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｕ１（α） は、
【００２５】
【数３】
【００２６】
続いて、光信号のｅｘ ，ｅｙ 成分は、分岐比可変光カプラ１４により合分波される。このときの分岐比可変光カプラ１４の分岐比をκ＝ ｓｉｎβとすると、分岐比可変光カプラ１４の動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｕ２（β） は、
【００２７】
【数４】
【００２８】
分岐比可変光カプラ１４から出力される光信号は、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂに導かれ、ここで相対的な遅延差τを受ける。このときの光遅延線１５ａ，１５ｂの動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｕ３（τ） は、
【００２９】
【数５】
【００３０】
光遅延線１５ｂを出た光信号は、偏光入れ替え手段１８ｂによりｅｘ 成分からｅｙ 光に変換され、光遅延線１５ａを出た光信号と導波路型偏波合成素子１６で合波される。
【００３１】
以上により、図１の偏波分散補償回路全体の動作を表す Ｊｏｎｅｓ行列Ｂは、
Ｂ＝Ｕ３（τ） Ｕ２（β） Ｕ１（α） …（６）
で与えられる。ここで、偏波分散補償回路のパラメータが
α＝φ …（７）
β＝ψ−π／４ …（８）
τ＝τＤ …（９）
となるように設定すれば、光伝送路と偏波分散補償回路を合わせた Ｊｏｎｅｓ行列Ｃは、
【００３２】
【数６】
【００３３】
すなわち、図１に示す第１の実施形態の構成では、位相調整手段１９ａ，１９ｂと分岐比可変光カプラ１４がいわゆる偏光コントローラとして作用し、光遅延線１５ａ，１５ｂが可変遅延線として作用し、全体として偏波分散補償回路を構成している。これにより、本発明の偏波分散補償回路は、光伝送路における１次の偏波分散を補償できることがわかる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の偏波分散補償回路の第２の実施形態を示す。図２において、シリコン基板２０上には、入力用チャネル光導波路２１、導波路型偏光分離素子２２、一対の光導波路２３ａ，２３ｂ、分岐比可変光カプラ２４ａ、一対の光導波路２３ｃ，２３ｄ、分岐比可変光カプラ２４ｂ、一対の光遅延線２５ａ，２５ｂ、導波路型偏光合成素子２６、出力用チャネル光導波路２７が順次配置され、さらに一対の光導波路２３ａ，２３ｂおよび一対の光遅延線２５ａ，２５ｂの各一方に偏光入れ替え手段２８ａ，２８ｂが配置される。また、一対の光導波路２３ａ，２３ｂおよび２３ｃ，２３ｄには、相対的な位相差を調整する位相調整手段２９ａ，２９ｂおよび２９ｃ，２９ｄが配置される。
【００３５】
導波路型偏光分離素子２２の１つの入力ポートは入力用チャネル光導波路２１となり、２つの出力ポートに一対の光導波路２３ａ，２３ｂを介して分岐比可変光カプラ２４ａの２つの入力がそれぞれ光学的に接続される。偏光入れ替え手段２８ａは、ここでは光導波路２３ａ側に配置しているが、光導波路２３ａ，２３ｂのいずれにあってもよい。位相調整手段２９ａ，２９ｂは、ここでは光導波路２３ａ，２３ｂにそれぞれ配置しているが、光導波路２３ａ，２３ｂのいずれか一方にあってもよい。また、偏光入れ替え手段２８ａと位相調整手段２９ａの位置は入れ替えてもよい。
【００３６】
分岐比可変光カプラ２４ａの２つの出力には、一対の光導波路２３ｃ，２３ｄを介して分岐比可変光カプラ２４ｂの２つの入力がそれぞれ光学的に接続される。位相調整手段２９ｃ，２９ｄは、ここでは光導波路２３ｃ，２３ｄにそれぞれ配置しているが、光導波路２３ｃ，２３ｄのいずれか一方にあってもよい。
【００３７】
分岐比可変光カプラ２４ｂの２つの出力には、一対の光遅延線２５ａ，２５ｂの一端が光学的に接続され、その他端に導波路型偏光合成素子２６の２つの入力ポートがそれぞれ光学的に接続される。導波路型偏光合成素子２６の１つの出力ポートは出力用チャネル光導波路２７となる。偏光入れ替え手段２８ｂは、ここでは光遅延線２５ｂ側に配置しているが、光遅延線２５ａ，２５ｂのいずれにあってもよい。また、偏光入れ替え手段２８ｂと光遅延線２５ｂの位置は入れ替えてもよい。
【００３８】
本実施形態の偏波分散補償回路では、位相調整手段２９ａ，２９ｂと分岐比可変光カプラ２４ａにより構成された第１の偏光コントローラと、位相調整手段２９ｃ，２９ｄと分岐比可変光カプラ２４ｂにより構成された第２の偏光コントローラが縦続に接続された構成になっている。これにより、１つの偏光コントローラのみを有する第１の実施形態の構成に比べて、調整できる位相量の制限を緩和することができる。
【００３９】
従来、傾いた１／２波長板と傾いた１／４波長板で構成されたバルク部品の偏光コントローラを２段縦続に接続すると、各波長板を傾ける角度に制限があっても、各１／２波長板と各１／４波長板を用いたリセット動作により、無限に変化していく偏光状態に追従させることができる、いわゆるエンドレスな偏光コントローラを構成できることが知られている（参考文献：Ｎ．Ｇ．Ｗａｌｋｅｒ ａｎｄ Ｇ．Ｒ．Ｗａｌｋｅｒ，”Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｃｏｍｍｎｉｃａｔｉｏｎ”， Ｊ． ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ．８， ｎｏ．３， ｐｐ．４３８−４５８， １９９９）。
【００４０】
本実施形態の構成でも数学的には全く同様に、位相調整手段２９ａ〜２９ｄおよび分岐比可変光カプラ２４ａ，２４ｂを用いてリセット動作が可能であり、エンドレスな偏光コントロールが可能となる。したがって、位相調整手段２９ａ〜２９ｄの位相調整量に制限があるような場合でも、時々刻々変化する光信号の偏光状態に常に追従して偏波分散補償を行うことが可能となる。
【００４１】
次に、図１，２に示す本発明の偏波分散補償回路を導波路型偏光分離素子１２（２２）および導波路型偏光合成素子１６（２６）、偏光入れ替え手段１８（２８）、位相調整手段１９（２９）、分岐比可変光カプラ１４（２４）、光遅延線１５（２５）に分割し、それぞれの構成および機能について説明する。図３は、導波路型偏光分離素子１２（２２）の構成例を示す。図４は、分岐比可変光カプラ１４（２４）の構成例を示す。図５は、光遅延線１５（２５）の構成例を示す。
【００４２】
（導波路型偏光分離素子１２（２２）の構成）
導波路型偏光分離素子１２（２２）と導波路型偏光合成素子１６（２６）は可逆の構成であるので、以下導波路型偏光分離素子１２について説明する。図３に示す導波路型偏光分離素子１２（２２）は、２入力２出力の２つの光カプラ３１，３２と、それらを接続する２本のアーム導波路３３ａ，３３ｂと、一方のアーム導波路３３ａ上に形成される複屈折調整用のアモルファスシリコン薄膜（応力付与膜）３４と、両アーム導波路３３ａ，３３ｂ上に形成される動作点調整用の薄膜ヒータ３５ａ，３５ｂとにより構成される。
【００４３】
このアモルファスシリコン薄膜３４にレーザを照射して、いわゆるレーザトリミングを行うことにより、ｘ偏光に対する干渉計の位相差φｘ とｙ偏光に対する干渉計の位相差φｙ の間にπの位相差を与えることができる。したがって、薄膜ヒータ３５ａ，３５ｂにより動作点を調整することにより、例えばｙ偏光が一方の出力ポートから出力され、ｘ偏光が他方の出力ポートから出力されるような偏光分離機能が実現する。導波路型偏光合成素子１６（２６）は、導波路型偏光分離素子１２（２２）と逆の経路により偏光合成して出力する構成となる。
【００４４】
なお、ここでは導波路型偏光分離素子（導波路型偏光合成素子）として、石英系光導波路とアモルファスシリコン薄膜および薄膜ヒータによるマッハツェンダ型干渉計を用いた構成を示したが、これはこの組み合わせが光ファイバとの整合性に優れ、制御性がよいためである。しかし、本発明の偏波分散補償回路における導波路型偏光分離素子（導波路型偏光合成素子）はこれに限定されるものではなく、半導体光導波路の構造やＬｉＮｂＯ３ 導波路のプロトン交換を用いた導波路型偏光分離素子など、他の導波路型偏光分離素子を用いてもよい。
【００４５】
（偏光入れ替え手段１８（２８）の構成）
偏光入れ替え手段１８（２８）は、光導波路に半波長板を挿入して実現される。偏光入れ替え手段１８ａ（２８ａ）は、例えばｙ偏光をｘ偏光に入れ替えるものであり、導波路型偏光分離素子１２（２２）で偏光分離されたｘ偏光およびｙ偏光を共にｘ偏光とし、偏光入れ替え手段１８ｂ（２８ｂ）は、ｘ偏光の一方をｙ偏光に入れ替えて導波路型偏光合成素子１６（２６）に入力して偏光合成する。なお、偏光入れ替え手段は、半波長板に限定されるものではなく、例えばファラデー回転子など他の偏光入れ替え手段を用いてもよい。
【００４６】
（位相調整手段１９（２９）の構成）
位相調整手段１９（２９）は、光導波路上に薄膜ヒータを形成して実現される。光導波路上に形成された薄膜ヒータでは、熱光学効果によって２つの偏光成分の相対的な位相差を調整する。
【００４７】
なお、位相調整手段は、石英系光導波路上に形成される薄膜ヒータに限定されるものではなく、半導体光導波路のキャリア変調による屈折率変化やＬｉＮｂＯ３ 光導波路の電気光学効果など、他の位相調整手段を用いてもよい。
【００４８】
（分岐比可変光カプラ１４（２４）の構成）
図４に示す分岐比可変光カプラ１４（２４）は、２入力２出力の２つの光カプラ４１，４２と、それらを接続する２本のアーム導波路４３ａ，４３ｂによりマッハツェンダ型干渉計を構成し、一方のアーム導波路４３ａ上に薄膜ヒータ４４が形成された構成である。この薄膜ヒータ４４を駆動して２本のアーム導波路の光路長差を０〜πの範囲で調整すれば、光カプラ４１の２入力から光カプラ４２の２出力への分岐比を変えることができる。
【００４９】
なお、分岐比可変光カプラは、石英系光導波路で形成したマッハツェンダ型干渉計の熱光学効果を用いた構成に限定されるものではなく、半導体光導波路のキャリア変調による光吸収量変化やＬｉＮｂＯ３ 光導波路の電気光学効果など、他の手法を用いてもよい。
【００５０】
（光遅延線１５（２５）の構成例）
図５に示す光遅延線１５（２５）は、Ｎ（正の整数：ここではＮ＝７）組の光導波路対５１ａ〜５１ｇと、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈから構成される。２入力２出力光スイッチ５２ａは、２つの光カプラ５３ａ，５４ａと、それらを接続する２本の導波路アームからなるマッハツェンダ型干渉計構成をとり、一方（または両方）の導波路アーム上にＴＯ移相器として動作する薄膜ヒータ５５ａが形成されている。他の２入力２出力光スイッチ５２ｂ〜５２ｈについても同様である。
【００５１】
第１の２入力２出力光スイッチ５２ａの一方の入力ポートは光遅延線１５（２５）の入力ポートとなり、２つの出力ポートに光導波路対５１ａが接続される。光導波路対５１ａの他端には、第２の２入力２出力光スイッチ５２ｂの２つの入力ポートが接続され、その２つの出力ポートには次の光導波路対５１ｂが接続される。同様に、各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇの前後に２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈが接続され、各２入力２出力光スイッチの設定に応じて各組の光導波路対の短い光導波路または長い光導波路のいずれかが選択されるようになっている。第８の２入力２出力光スイッチ５２ｈの一方の出力ポートは、光遅延線１５（２５）の出力ポートとなる。
【００５２】
また、各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇは短い光導波路と長い光導波路が対になっており、その間の光路長差が、
ΔＤ，２ΔＤ，４ΔＤ，８ΔＤ，…，２Ｎ−１ΔＤ
のいずれかになるように設定されている。なお、各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇの光路長差はこの順番に限らず、順番を入れ替えて配置してもよい。
【００５３】
このような構成の光遅延線１５（２５）の動作について説明する。ただし、２入力２出力光スイッチ５２は、薄膜ヒータ５５に電力を加えないときに入出力ポートが「スルー状態」となり、電力を加えたときに「クロス状態」になるものとする。なお、２入力２出力光スイッチには、薄膜ヒータ５５に電力を加えないときに「クロス状態」となり、電力を加えたときに「スルー状態」になるものもある。
【００５４】
すべての２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈを「スルー状態」にすると、光遅延線１５（２５）の入力ポートに入力された光信号は各組の光導波路対５１ａ〜５１ｇの短い光導波路を通過して出力ポートへ至る。このときの光遅延線全体での遅延量をＤ０ とする。次に、２入力２出力光スイッチ５２ｃ，５２ｄ，５２ｆ，５２ｈを「クロス状態」とすると、光導波路対５１ｃ，５１ｆ，５１ｇの長い光導波路を通過し、その他は短い光導波路を通過して出力ポートへ至る。このときの光遅延線全体の遅延量は、
Ｄ０＋４ΔＤ＋３２ΔＤ＋６４ΔＤ＝Ｄ０＋１００ΔＤ
となる。このように、各２入力２出力光スイッチ５２ａ〜５２ｈを「スルー状態」または「クロス状態」に切り替えることにより、光遅延線１５（２５）の遅延量を一般にＤ０ からＤ０＋（２Ｎ−１）ΔＤまでΔＤ刻みで実現することができる。
【００５５】
なお、ここでは光スイッチとして石英系光導波路の熱光学効果を用いた２入力２出力光スイッチを示した。これは、この組み合わせが消光比に優れた安定な光スイッチを実現できるからであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体光スイッチやマイクロメカニカルスイッチ等の他の光スイッチを用いてもよい。
【００５６】
また、図１（図２）に示す本発明の偏波分散補償回路の実施形態では、一対の光遅延線１５ａ，１５ｂ（２５ａ，２５ｂ）の両方が遅延量を変える構成としたが、一対の光遅延線のうちの一方の遅延量が固定で、他方の遅延量が可変となる構成としてもよい。
【００５７】
（偏波分散補償回路の作製）
本発明の偏波分散補償回路の作製は、石英系光導波路を用いて行った。まず、シリコン基板上に火炎堆積法によりＳｉＯ２下部クラッド層を堆積し、次にＧｅＯ２をドーパントとして添加したＳｉＯ２ガラスのコア層を堆積した後に、電気炉で透明ガラス化した。次に、コア層をエッチングしてコア部を作製した。続いて、所定の光導波路上に薄膜ヒータ、電気配線、アモルファスシリコン薄膜を蒸着した。最後に、所定の光導波路にレーザを照射して残留応力を開放した。
【００５８】
図６は、作製した偏波分散補償回路に偏波分散により分離した光パルスを入力したときの補償特性を示す。半値全幅５０ｐｓｅｃ 、繰り返し周波数１０ＧＨｚの光パルスを、偏波分散量 １．８ｐｓｅｃ／（ｋｍ）１／２ の光ファイバを ６００ｋｍ伝送した後に評価した。図６には、伝送前、伝送後で偏波分散補償前、伝送後で偏波分散補償後の光パルス形状を示す。偏波分散により劣化した光パルス形状が補償されていることがわかる。なお、完全に元の光パルス波形に戻っていないのは、高次の偏波分散の影響であるが、多くの場合は高次の偏波分散による信号劣化は小さい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、主要部材を光導波路によって構成することができるので、小型で信頼性に優れた偏波分散補償回路を実現することができる。このような本発明の偏波分散補償回路と従来の光ファイバ伝送路と組み合わせることにより、高速な光信号伝送が可能となり、通信品質の向上と経済性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏波分散補償回路の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明の偏波分散補償回路の第２の実施形態を示す図。
【図３】導波路型偏光分離素子１２（２２）の構成例を示す図。
【図４】分岐比可変光カプラ１４（２４）の構成例を示す図。
【図５】光遅延線１５（２５）の構成例を示す図。
【図６】本発明の偏波分散補償回路による補償特性を説明する図。
【図７】従来の偏波分散補償回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
１０，２０ シリコン基板
１１，２１ 入力用チャネル光導波路
１２，２２ 導波路型偏光分離素子
１３，２３ 光導波路
１４，２４ 分岐比可変光カプラ
１５，２５ 光遅延線
１６，２６ 導波路型偏光合成素子
１７，２７ 出力用チャネル光導波路
１８，２８ 偏光入れ替え手段
１９，２９ 位相調整手段
３１，３２，４１，４２ 光カプラ
３３，４３ アーム導波路
３４ アモルファスシリコン薄膜
３５，４４ 薄膜ヒータ
５１ 光導波路対
５２ ２入力２出力光スイッチ
５３，５４ 光カプラ
５５ 薄膜ヒータ
Claims (9)
- 基板上に、
入力光を直交する２つの偏光成分に分離して２つの出力ポートに出力する導波路型偏光分離手段と、
前記導波路型偏光分離手段の２つの出力ポートに分離された２つの偏光成分の位相差を調整する位相調整手段と、
前記導波路型偏光分離手段の２つの出力ポートに分離された２つの偏光成分を同一偏光に変換する第１の偏光入れ替え手段と、
前記位相調整手段で位相差が調整され、前記第１の偏光入れ替え手段で同一偏光になった２つの偏光成分を入力し、所定の分岐比で２つの出力ポートに合分波する分岐比可変光カプラと、
前記分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分の遅延差を調整する遅延調整手段と、
前記分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分を直交する２つの偏光成分に変換する第２の偏光入れ替え手段と、
前記遅延調整手段で遅延差が調整され、前記第２の偏光入れ替え手段で直交する偏光になった２つの偏光成分を入力し、偏光合成して出力する導波路型偏光合成手段とを備え、
前記位相調整手段に設定する位相差、前記分岐比可変光カプラに設定する分岐比、前記遅延調整手段に設定する遅延差を調整して前記入力光の偏波分散を補償する構成であることを特徴とする偏波分散補償回路。 - 基板上に、
入力光を直交する２つの偏光成分に分離して２つの出力ポートに出力する導波路型偏光分離手段と、
前記導波路型偏光分離手段の２つの出力ポートに分離された２つの偏光成分の位相差を調整する第１の位相調整手段と、
前記導波路型偏光分離手段の２つの出力ポートに分離された２つの偏光成分を同一偏光に変換する第１の偏光入れ替え手段と、
前記第１の位相調整手段で位相差が調整され、前記第１の偏光入れ替え手段で同一偏光になった２つの偏光成分を入力し、所定の分岐比で２つの出力ポートに合分波する第１の分岐比可変光カプラと、
前記分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分の位相差を調整する第２の位相調整手段と、
前記第２の位相調整手段で位相差が調整された２つの偏光成分を入力し、所定の分岐比で２つの出力ポートに合分波する第２の分岐比可変光カプラと、
前記第２の分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分の遅延差を調整する遅延調整手段と、
前記分岐比可変光カプラの２つの出力ポートに出力される同一偏光成分を直交する２つの偏光成分に変換する第２の偏光入れ替え手段と、
前記遅延調整手段で遅延差が調整され、前記第２の偏光入れ替え手段で直交する偏光になった２つの偏光成分を入力し、偏光合成して出力する導波路型偏光合成手段とを備え、
前記第１および第２の位相調整手段に設定する位相差、前記第１および第２の分岐比可変光カプラに設定する分岐比、前記遅延調整手段に設定する遅延差を調整して前記入力光の偏波分散を補償する構成であることを特徴とする偏波分散補償回路。 - 前記遅延調整手段は一対の光遅延線で構成され、かつ一対の光遅延線の少なくとも一方が遅延量を可変する手段を含む構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分散補償回路。
- 前記光遅延線の遅延量を可変する手段は、Ｎを正の整数としたときに、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチと、Ｎ組の長さの異なる光導波路対とを交互に接続し、初段の２入力２出力光スイッチの一方の入力ポートを光遅延線の入力ポートとし、最終段の２入力２出力光スイッチの一方の出力ポートを光遅延線の出力ポートとし、各２入力２出力光スイッチの入出力ポート間をスルー状態またはクロス状態に設定することにより各組の光導波路対のいずれか一方の光導波路を選択して遅延量を可変させる構成であることを特徴とする請求項３に記載の偏波分散補償回路。
- 前記Ｎ組の光導波路対の各光路長差が、１：２：４：８：…：２Ｎ−１ のように２の階乗の比になっていることを特徴とする請求項４に記載の偏波分散補償回路。
- 前記分岐比可変光カプラは、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に位相調整手段を形成したマッハツェンダ型干渉計構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分散補償回路。
- 前記導波路型偏光分離手段および前記導波路型偏光合成手段は、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に複屈折を調整する手段を形成した構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分散補償回路。
- 前記第１および第２の偏光入れ替え手段は、半波長板またはファラデー回転子を用いた構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分散補償回路。
- 偏波分散補償回路を構成する光導波路が石英系光導波路であり、請求項１、請求項２または請求項６に記載の位相調整手段が石英系光導波路上に形成された薄膜ヒータであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の偏波分散補償回路。
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