JP3995686B2

JP3995686B2 - 分散スロープ補償装置

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Publication number: JP3995686B2
Application number: JP2004571566A
Authority: JP
Inventors: 康平柴田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-05-08
Also published as: WO2004099848A1; US20060013530A1; US7171076B2; JPWO2004099848A1

Description

本発明は、分散スロープ補償装置に関し、特に波長分散の分散スロープの補償を行う分散スロープ補償装置に関する。

光通信ネットワークは、情報通信ネットワークの基盤形成の核となるもので、一層のサービスの高度化、広域化が望まれており、中でもＷＤＭ（Wavelength Division Multiplex）は光伝送システムの中心技術として、急速に開発が進んでいる。ＷＤＭは、波長の異なる光を多重化して、１本の光ファイバで複数の信号を同時に伝送する方式である。

一方、光ファイバによる光パルス伝送に対し、光ファイバにおける伝送速度は、光の波長毎に異なるため、伝送距離が伸びるにつれパルス波形が鈍る波長分散が生じる。波長分散は、波長が１ｎｍ異なるふたつの単色光を１ｋｍ伝搬させたときの伝搬時間差、単位はｐｓ／ｎｍ／ｋｍで定義される。具体例としては、光ファイバで通常使用されるＳＭＦ（Single Mode Fiber）では、１．５５μｍ付近で１５〜１６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散が発生する。

大容量・長距離の光伝送を実現するためのＷＤＭシステムで、波長分散によるパルス広がりが生じると、受信レベルを著しく劣化させてシステムに有害な影響を及ぼすことになる。このため、光ファイバで発生した波長分散に対しては、符号が逆の同じ量だけの波長分散を加えて、波長分散を等価的にゼロにする分散補償を行う必要がある。

現在、分散補償において最もよく用いられるものは、分散補償ファイバ（ＤＣＦ：Dispersion Compensating Fiber）である。ＤＣＦは、ＳＭＦのファイバ材料が有する材料分散に対して、特殊な屈折率分布により、逆の分散（構造分散）を発生するように設計されている（ＳＭＦは正の分散値を持つので、ＤＣＦは通常、負の分散値を持つよう設計される）。

従来、ＷＤＭシステムでＤＣＦを用いて分散補償を行う場合、ＷＤＭの中心チャネルの波長分散を補償するようなＤＣＦをＳＭＦに接続して、中心チャネル周りの光信号の波長分散の分散補償を行い、光伝送路上で補償しきれなかった波長分散（残留分散）に対しては、受信局側に設けられた分散補償器で補償している。

例えば、ＷＤＭの波長多重数が４０波ならば、中心チャネルである２０チャネルの光信号波長の波長分散に対して、これを補償するＤＣＦを接続し、かつ受信局側に分散補償器を設けて残留分散を補償する。

また、代表的な分散補償器としては、チャープト形ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＣＦＢＧ：Chirped Fiber Bragg Grating）がある。ＣＦＢＧは、光ファイバのコア上に屈折率を周期的に変化させる回折格子が形成されており、入力光の波長の違いに対応して遅延時間差を生じさせて、正負のいずれにも対応した分散補償を行うもので、光サーキュレータ等と組み合わせて用いられる。

さらに、従来の分散補償器として、全域通過光フィルタとして結合型リング共振器を用いて、光パルス入力に所望の位相応答を与えて、分散補償を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記のようなＤＣＦを用いて分散補償を行うシステムでは、受信局側に残留分散を補償するための分散補償器を、チャネル毎に設けなければならないため、非常に多くの種類及び数の分散補償器が必要となり、ＷＤＭシステムを経済的に構築することができないといった問題があった。

ここで残留分散が発生する理由について説明する。波長分散の特性を表現する場合、波長分散値の他に波長依存性（波長変化に応じた分散値の変化）も重要となる。この波長依存性のことを分散スロープ（単位はｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²）と呼ぶ。

分散補償を行う際は、信号光帯域全体に渡って分散値だけでなく、分散スロープ（Slope）も同時に補償する必要があるが、分散スロープは、ＤＣＦとＳＭＦとで異なるため、ＷＤＭ伝送で用いる波長バンド（例えば、Ｃバンドと呼ばれる範囲は１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ付近）の両端には、補償しきれなかった波長分散が残留してしまう。この残留分散は、伝送距離が伸びるにつれ累積して行き、その結果として受信側でチャネル毎に補償する必要がでてくる。

図２４は残留分散を示す図である。縦軸は波長分散（ｐｓ／ｎｍ）、横軸は波長（ｎｍ）である。ｃｈ１〜ｃｈ４０の４０波が波長多重されたＷＤＭ信号の分散補償の様子を示している。

ＳＭＦで１０ｋｍ伝送し、分散スロープ値０．２ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ²を有するＤＣＦで中心チャネル（ｃｈ２０）に対して分散補償した場合、Ｃバンド内でチャネル波長間隔１００ＧＨｚでは、ｃｈ１では約＋２０（ｐｓ／ｎｍ）、ｃｈ４０では約−３０（ｐｓ／ｎｍ）の残留分散が発生している（ｃｈ２０の波長分散値はゼロである）。

図２５は従来のＷＤＭシステムを示す図である。ＷＤＭシステム１００は、最大４０波の波長多重を行うシステムを示しており、局１１０、１２０、中継アンプ１３０−１〜１３０−６から構成される（片方向伝送のみ示す）。また、伝送路の光ファイバにはＳＭＦを使用し、分散補償ファイバとしてＤＣＦｆ１〜ｆ６を設置する（ＤＣＦは、コイル状にして小型パッケージに収納されて、光部品として中継装置内に設置されるものである）。

局１１０は、光送信部１１１−１〜１１１−４０、波長多重部１１２、ＷＤＭアンプ１１３を含み、局１２０は、光受信部１２１−１〜１２１−４０、波長分離部１２２、ＤＣＭ（Dispersion Compensation Module：分散補償器）１２３−１〜１２３−４０を含む。

局１１０に対し、光送信部１１１−１〜１１１−４０は、ｃｈ１〜ｃｈ４０の光信号をそれぞれ出力し、波長多重部１１２は、ｃｈ１〜ｃｈ４０の光信号の波長多重を行ってＷＤＭ信号を生成する。ＷＤＭアンプ１１３は、ＷＤＭ信号を増幅して伝送路へ出力する。

中継アンプ１３０−１〜１３０−６は、ＳＭＦを流れるＷＤＭ信号を中継・増幅する。また、ＤＣＦｆ１〜ｆ６は、ｃｈ２０の波長分散の補償を行う分散補償値を有しており、ｃｈ２０の光信号は、ＤＣＦｆ１〜ｆ６を通過する度にＳＭＦで発生した波長分散値がゼロになる。

局１２０に対し、波長分離部１２２は、ＷＤＭ信号をｃｈ１〜ｃｈ４０の４０波に波長分離し、ｃｈ１〜ｃｈ４０毎に設置されたＤＣＭ１２３−１〜１２３−４０は、各チャネルの残留分散の補償を行う。そして、光受信部１２１−１〜１２１−４０は、分散補償されたｃｈ１〜ｃｈ４０の光信号を受信処理する。

図２６は分散マップを示す図である。図２５のＷＤＭシステム１００の分散マップを示している。分散マップＭ１を見ると、１中継区間毎にｃｈ２０に対して、ＳＭＦによる正の分散値をＤＣＦの負の分散値で分散補償している様子がわかる。このため、ｃｈ２０の波長分散値は中継区間毎にゼロとなり、かつｃｈ２０の隣接チャネルの波長分散値も分散トレランス内に入っている。

しかし、信号帯域両端のｃｈ１、ｃｈ４０の波長分散値は、ｃｈ２０を対象に分散マネジメントを施した光伝送路では補償しきれないため、分散トレランスから大きく外れている。したがって、分散トレランスからはみ出てしまうチャネルに対しては、ＤＣＭ１２３を局側に設けて分散補償を行わなければならない（図２５のシステムでは全チャネルに対応したＤＣＭ１２３−１〜１２３−４０を設置している）。

また、伝送速度が例えば、１０Ｇｂ／ｓから４０Ｇｂ／ｓへ増加すると、分散トレランスはさらに厳しくなり（要するにアイパターンの開口度が小さくなる）、光受信部１２１−１〜１２１−４０で受信する波形は劣化して、信号“０”、“１”を間違って判定する確率（符号誤り率）が増えてしまうため、伝送速度が増大すると高精度な分散補償が要求される。

このように従来のＷＤＭシステムでは、ＤＣＦと、チャネル毎の複数の分散補償器とを設けて分散補償を行っているため、装置規模が大きくなり経済的なネットワーク構築が困難であった。また、分散補償器の数や種類の多さから分散マネジメント設計者に対する負担も大きかった。

一方、上述したＣＦＢＧは、単チャネル用の分散補償器であるため、チャネル間の残留分散を一括して補償することはできない。また、C.K.Madsen等が提案する上記の従来技術（特開２０００−１５１５１３号公報）は、分散スロープの可変幅が少なく、分散スロープ量を任意に設定できない。このため、４０Ｇｂ／ｓ、さらにはペタビット（Ｐｂ／ｓ）級の超高速伝送のＤＷＤＭ（Dense-WDM）システムに適用することができず、次世代のマルチメディアネットワーク構築に対する発展性が期待できないといった問題があった。
特開２０００−１５１５１３号公報（段落番号〔００５２〕〜〔００５９〕、第９図）

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、十分な分散スロープの可変幅設定を行って、高精度な分散スロープ補償を行い、光伝送品質の向上を図った分散スロープ補償装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、波長分散の分散スロープの補償を行う分散スロープ補償装置１において、ループ状光伝播路１１と、外部への入出力を有する入出力光伝播路１２と、ループ状光伝播路及び入出力光伝播路を少なくとも２箇所以上で結合する光カプラＣ１、Ｃ２と、から構成される帰還型光フィルタＦに対し、光カプラＣ１、Ｃ２によって挟まれたループ状光伝播路１１及び入出力光伝播路１２の一部によって形成されるマッハツェンダ干渉計の内、マッハツェンダ干渉計の枝を構成する光伝播路の一部を空間的に分離し、分離した光伝播路である可動型マッハツェンダ干渉計枝２０と、入出力光伝播路１２を含む側の光伝播路基板との分離箇所には、集光部Ｌ１、Ｌ２を設け、枝部分の光路長の可変調整により分散スロープの可変設定を行って分散スロープを補償することを特徴とする分散スロープ補償装置１が提供される。

ここで、帰還型光フィルタＦは、ループ状光伝播路１１と、外部への入出力を有する入出力光伝播路１２と、ループ状光伝播路１１及び入出力光伝播路１２を少なくとも２箇所以上で結合する光カプラＣ１、Ｃ２と、から構成される。帰還型光フィルタＦに対して、光カプラＣ１、Ｃ２によって挟まれたループ状光伝播路１１及び入出力光伝播路１２の一部によって形成されるマッハツェンダ干渉計の内、マッハツェンダ干渉計の枝を構成する光伝播路の一部を空間的に分離し、分離した光伝播路である可動型マッハツェンダ干渉計枝２０と、入出力光伝播路１２を含む側の光伝播路基板との分離箇所には、集光部Ｌ１、Ｌ２を設け、枝部分の光路長の可変調整により分散スロープの可変設定を行う。

本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は分散スロープ補償装置の原理図である。分散スロープ補償装置１は、光信号伝送時に発生する波長分散の分散スロープ補償を行う装置であり、帰還型光フィルタＦのマッハツェンダ干渉計（Mach Zehnder Interferometer：以下、ＭＺＩと記す）の枝を空間的に分離した構成を持つ。

帰還型光フィルタＦは、ループ状光伝播路１１と、外部への入出力を有する入出力光伝播路１２と、ループ状光伝播路１１及び入出力光伝播路１２を少なくとも２箇所以上で結合する光カプラＣ１、Ｃ２とから構成され、例えば、Ｓｉ基板上に形成される。

この帰還型光フィルタＦに対して、光カプラＣ１、Ｃ２によって挟まれたループ状光伝播路１１及び入出力光伝播路１２の一部によって形成されるＭＺＩの内、ＭＺＩの枝を構成する光伝播路の一部を空間的に分離する。なお、以降では、分離した光伝播路側を可動型ＭＺＩ枝２０、入出力光伝播路１２を含む側の基板を光伝播路基板１０と呼ぶ。

そして、ＭＺＩ枝２１部分の光路長を可変に調整することで（可動型ＭＺＩ枝２０と光伝播路基板１０とを機械的に分離可動する）、分散スロープの可変設定を行う。具体的な構成及び動作については図９以降で後述する。

次に分散スロープ補償装置１について、分散スロープ補償設計の考え方から解決したい問題点まで段階的に詳しく説明する。全域通過光フィルタ（All Pass Filter）は、すべての周波数範囲の信号を通過させ、位相だけを変化させる目的で使われるフィルタであり、光伝送の分野では分散補償用フィルタとして使用される。波長周期性を有する分散補償用フィルタは、ＦＩＲ（Finite Impulse Response）型とＩＩＲ（Infinite Impulse Response）型の２種類に大きく分けられる。

ＦＩＲフィルタは、フィードフォワート゛で周波数応答を制御するもので、代表的な分散補償用フィルタとして、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）形分散補償器がある。ＰＬＣ形分散補償器は、平面導波路基板上にＭＺＩを直列多段に接続したもので、ＭＺＩに対し、例えば、長いアームには短波長の信号が、短いアームには長波長の信号が伝播するように調整することで負の分散を持つ分散補償を実現する。

ＰＬＣ形分散補償器は、周波数応答は安定しているが、急峻な周波数応答を得ようとするとＭＺＩの段数を増やさなければならず、チップ面積が大きくなって量産に適していないといった問題があった。

一方、ＩＩＲフィルタは、有理型フィルタとも呼ばれ、フィードバックループを有するフィルタである。ＩＩＲフィルタは、フィードバックループを有するため、ＦＩＲでは起こらない不安定性が存在する。ただし、ＩＩＲフィルタを表す伝達関数の周波数（波長）応答における極を適正範囲に収めることで、システムの安定性を得ることができ（ＩＩＲフィルタの伝達関数の分母＝０と置いたときの解である極ｋが｜ｋ｜＜１の単位円の内部にあれば安定である）、少ない回路素子で急峻な周波数応答を得ることが可能であり、小型な分散補償器の実現が期待できる。

ＩＩＲフィルタの最も単純なものはリング共振器である。図２はリング共振器を示す図である。リング共振器３０は、ループ状光伝播路３１と、入出力光伝播路３２と、ループ状光伝播路３１及び入出力光伝播路３２を光学的に結合させる１つの光カプラＣと、から構成される（分散スロープ補償装置１は、リング共振器３０を基本構造としたものである）。

リング共振器３０を用いて分散補償器を設計する場合の主要な設計パラメータには、ＦＳＲ（Free Spectral Range：共振ピーク間隔、すなわち隣接する波長ピークの周波数間隔）、中心波長位置、分散補償量の３つがある。

ＦＳＲと中心波長位置を決定する際には、リング共振器３０においては、ループ周回長の設計に対応し、分散補償量の決定には光カプラＣのカプラ分岐比が対応する。以下、これらのことをリング共振器３０の伝達関数を用いて説明する。

なお、ＷＤＭでは、隣り合う周波数（波長）の間隔は、ITU-T Gridという基準で決められている（例えば、１００ＧＨｚ（０．８ｎｍ）間隔、５０ＧＨｚ（０．４ｎｍ）間隔と規定されている）。ＷＤＭで波長多重を行う場合、任意の波長を周波数間隔の狭いITU-T Gridに正確に乗せる必要がある。このときの基準となる波長をここでは中心波長と呼んでいる。

図３はリング共振器３０の等価回路を示す図である。リング共振器３０は、図に示すような等価回路で表現できる。リング共振器３０の光カプラＣは２端子対回路Ｍに対応し、ループ状光伝播路３１は遅れ要素（ｅｘｐ（ｊωＴ））に対応する。また、２端子対回路Ｍのポートｐ１への入力信号をＥ_i1、ポートｐ２への入力信号をＥ_i2、ポートｐ３からの出力信号をＥ_o1、ポートｐ４からの出力信号をＥ_o2とする。

ここで、光カプラＣの伝達行列（２端子対回路Ｍの伝達行列）を用いて、入力信号と出力信号の関係を表すと式（１）となる。

なお、式（１）中の伝達行列ｍは、次式の回転行列と等しい（したがって、行列式＝１、すなわち、ｍ₁₁・ｍ₂₂−ｍ₁₂・ｍ₂₁＝１である）。

一方、Ｅ_i1とＥ_o1の関係は、Ｅ_i1＝Ｅ_o1・ｅｘｐ（ｊωＴ）となるから、ループ状光伝播路３１で発生する位相シフトｈ（λ）は式（３）となる。ただし、Ｌ_rはループ状光伝播路３１の周回長、ｎは導波路実効屈折率、λは入力波長であり、ｅｘｐ内の符号のマイナスは位相遅れを表している。

次に上述の式（１）、ｄｅｔ＝１、ｈ（λ）＝Ｅ_i1／Ｅ_o1の関係を使って、リング共振器３０の伝達関数Ｈ（λ）を導くと式（４）となる。なお、展開途中の式が見やすいように、伝達行列ｍの各要素に対して、ｍ₁₁＝ａ、ｍ₁₂＝ｂ、ｍ₂₁＝ｃ、ｍ₂₂＝ｄとおいた。

また、伝達行列ｍのｍ₁₁とｍ₂₂の関係は、一方の要素の複素共役が他方の要素と等しい関係にあるので、ｍ₂₂＝ｍ₁₁ ^*とおくことができ（ｍ₁₁ ^*はｍ₁₁の複素共役）、式（４）は式（５）となる。

次に上記の伝達関数Ｈ（λ）の位相部ａｒｇＨ（λ）を角周波数ωで微分して群遅延Ｄ（λ）を求める。群遅延とは、光伝送路における信号の伝播に必要な時間のことである。まず、ω（＝２πｃ／λ：ｃは光速）を波長λで微分して式（６）を得る。

群遅延Ｄ（λ）は、式（６）を使って式（７）となる。

また、波長分散ＤＳ（λ）は、群遅延Ｄ（λ）を波長λで微分することにより得られ、式（８）となる（波長λを変化させたときの群遅延の変化が波長分散である）。

次にＦＳＲを算出する。ＦＳＲは、式（３）のｅｘｐ内のＬ_r・ｎが、λの整数倍になる変化より決定される。波長λの隣接波長をλ´とすれば、式（９）のようにおける。

波長差分Δλとｍとの関係は、式（９）を用いると式（１０）となる。ただし、１≪ｍの場合である。

ここで、チャネルの周波数間隔であるＦＳＲ（＝Δｆ）は、ｆ＝ｃ／λより、式（１１）のように変形できる（ｆ＝ｃ／λをλで微分）。

そして、式（１１）に式（１０）、式（９）を代入するとＦＳＲが求まる。

ここで、式（１２）からＦＳＲを決定する際には、ループ周回長Ｌ_rを設計すればよいことがわかる。また、中心波長についてはＬ_r・ｎ（λ）をどの（任意の）λの整数倍となるように設定するかに関り、周期性より、±０．５λの範囲でループ周回長Ｌ_rを調整することで設定が可能である。

一方、分散補償量については、ｍ₁₁＝０（カプラ分岐比１００％に対応する。なお、カプラ分岐比１００％の場合の信号の流れは、ポートｐ２からの入力信号がすべてポートｐ３から出力し、ループ状光伝播路３１を周回した後にポートｐ１から入力してポートｐ４から出力する）の時、式（５）より、Ｈ（λ）＝−ｈ（λ）であり、ａｒｇＨ（λ）＝−ａｒｇｈ（λ）となる。また、ａｒｇｈ（λ）は、式（３）のｅｘｐ内の−２π・Ｌ_r・ｎ／λのことであるから、ｍ₁₁＝０のときの群遅延は式（１３）となる。

式（１３）から群遅延は定数となっているから、これをλで微分した分散はゼロである。一方、ｍ₁₁（＜１）を増やしていくと、すなわち、カプラ分岐比を１００％から減少させると、伝達関数Ｈ（λ）の位相部分に波長変調が発生し、波長分散を与えることになる。したがって、ｍ₁₁の変化で分散量が変わるのだから、波長間（チャネル間）の分散量の違いを表す分散スロープをリング共振器３０で発生させるためには、ｍ₁₁が波長（チャネル）に応じて変化すればよい。

次にカプラ分岐比に関るｍ₁₁に波長変化を与える方法について説明する。波長変化を与える方法としては、光カプラＣの結合部をＭＺＩとする構造（図１の左側に示す帰還型光フィルタＦに該当する）が考えられる。

図４、図５は光カプラ部分をＭＺＩとしたリング共振器を示す図である。ループ状光伝播路３１、入出力光伝播路３２、１つの光カプラＣを有するリング共振器３０に対して、リング共振器３０−１は、光カプラＣａ、Ｃｂを２つ用いて、ループ状光伝播路３１、入出力光伝播路３２を結合することで、結合部にＭＺＩ３３（図中、太実線）を形成している。そして、図５のリング共振器３０−２では、ＭＺＩ３３の枝部分（ＭＺＩ枝３３−１）を伸ばした構造となっている（ＭＺＩ３３の枝部分を伸ばすと後述するように分散スロープ量を増大できる）。

ここで、２本のＭＺＩ枝３３−１の光路長差をΔＬｍ、カプラ回転（結合）をθ₁、θ₂、導波路実行屈折率をｎ、入力波長をλとしたときのＭＺＩ３３の伝達行列ｍ(λ)は式（１４）となる。

ＭＺＩ３３を持つリング共振器３０−２の伝達関数は、リング共振器３０のカプラ伝達行列ｍを、式（１４）のＭＺＩ３３の伝達行列ｍ(λ）で置き換えることにより得られる。また、ａｒｇＨ（λ）は以下のようになる。

ｍ₁₁が波長λに応じて変化することは、ｍ(λ）におけるexp（±jπ・ΔLm・n／λ）が変化することを意味する。すなわち、ΔＬｍ・ｎが大きい程、λの変化に対するｍ₁₁の変化が大きくなり、分散スロープ量を増加させる。

図６〜図８はｍ₁₁の波長依存性と群遅延との関係を示す図である。各図はＭＺＩ３３を有するリング共振器３０ａ〜３０ｃに対するｍ₁₁と群遅延とを示している。図中の上のグラフは、縦軸はｍ₁₁（カプラ分岐比）、横軸は波長であり、下のグラフは、縦軸は群遅延（ｐｓ）、横軸は波長である。

図６のようなＭＺＩ３３ａを有するリング共振器３０ａにおいて、ｍ₁₁は１よりわずかに小さく、この場合の各波長の群遅延の変化量は小さく、分散スロープ量も小さい（なお、ｍ₁₁＝１ならば群遅延の変化量はゼロで、グラフ上は直線となる）。

また、図７のようにＭＺＩ３３ｂの一方の枝を伸ばしたリング共振器３０ｂにおいて、ｍ₁₁が波長に応じて１より次第に小さくなると、各波長の群遅延の変化量が明瞭に現れてきて、分散スロープ量も増加してくることがわかる（分散スロープ量は山の傾きに相当する）。さらに、図８のようにＭＺＩ３３ｃの一方の枝をさらに伸ばしたリング共振器３０ｃにおいて、ｍ₁₁の変化が０と１の間で大きく動くと、群遅延、分散スロープ量の変化量が急峻になる。

なお、具体的な例では、所望する波長範囲をＣバンド（Δλ〜４０ｎｍ）とすると、ｍ₁₁が波長に応じて１〜０．８程度の範囲で変化するためには、ｎ〜１．４５（石英ＰＬＣの場合）で、ΔＬｍは０〜数１０μｍの変化を与えればよい。

ここで、上記のようなＭＺＩを有するリング共振器に対して、分散量及び分散スロープを可変に補償する場合には、ＭＺＩの枝部にヒータや電極を設置して、熱光学効果や電気光学効果を利用したＰＬＣのモノリシック構造（１個の半導体などの基板上に作られた集積回路）の分散補償器が考えられる（上述の従来技術（特開２０００−１５１５１３号公報）など）。しかし、このような制御だと分散スロープの可変幅が少なく、スロープ量を任意に設定することはできないといった問題がある。

例えば、石英ＰＬＣでより大きな屈折率変化が可能な熱光学効果を利用した場合、屈折率の温度依存性（Δｎ）はΔｎ＝１０^-5／℃程度であり、実際に使用される温度差（ΔＴ）としてΔＴ＝３０℃を限度とすると、光学路長を１．５μｍ（＝１λ：Ｃバンド付近の１波長）程度変化させるためにはヒータ長は５ｍｍ（＝λ／ΔＴ・Δｎ）程度必要となる。

分散量の調整にはＭＺＩカプラ部の分岐比が１００〜８０％の範囲の変化であり、ＭＺＩ枝間光路長差で０．３μm（＝λ／５）程度の変化量に対応するので、ヒータ長は１ｍｍ程度でよく、分散量の調整に関しては実現可能である。

一方、分散スロープ量の調整には、上述のように０〜２０μｍ程度のＭＺＩ枝間光路長差の変化が求められるが、分散補償が必要となる１０Ｇｂｐｓ以上の信号を伝送するためのループ長が１０ｍｍ（帯域２０ＧＨｚ）以下では、最大でも０〜３μｍまでのＭＺＩ枝間光路長差しか得ることができない。このようにＰＬＣモノリシック構造の分散補償器としては、１０Ｇｂｐｓ／ＦＳＲ５０ＧＨｚ付近までは製造可能であるが、十分な可変幅を持った分散スロープ補償器を実現することができない。

したがって、ＭＺＩ枝を構成する光伝播路の一部を空間的に分離し、枝部分の光路長を調整する機能（機械的調整）を与える。これにより、ＭＺＩ枝の光学路長を実空間での距離として任意に可変して、ループ状光導波路３１と入出力光伝播路３２との結合比の波長依存性の周期を、システムに応じて所望の値に設定可能とするものである。

次に分散スロープ補償装置１の第１の実施の形態について説明する。図９は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。第１の実施の形態の分散スロープ補償装置１−１は、ループ状光伝播路１１と、入出力光伝播路１２と、ループ状光伝播路１１と入出力光伝播路１２を結合する２つの光カプラＣ１、Ｃ２を有し、２つの光カプラＣ１、Ｃ２によって挟まれたＭＺＩ枝ｂｒの一部を空間的に分離する構造を持つ。

可動型ＭＺＩ枝２０と光伝播路基板１０との間には集光部（レンズ：コリメートレンズ）Ｌ１、Ｌ２が設置される。レンズＬ１、Ｌ２は、光を平行光にし、光信号がＭＺＩ枝ｂｒのループ部分を周回するときの伝播損失を低減する役割を果たす。また、可動型ＭＺＩ枝２０は例えば、反射型プリズムで構成する。

このような構成にして、可動型ＭＺＩ枝２０を図の矢印方向に可動することにより、ＭＺＩ光路長差ΔＬｍを調整することができるので、結果として、λ変化に対するｍ₁₁を任意に変化させて、分散スロープ量を任意に可変設定することが可能になる。したがって、熱光学効果、電気光学効果、光弾性効果などで分散スロープ量を調整した場合に問題となっていた可変範囲の制限を解消することができる。

なお、入出力光伝播路１２と２つの光カプラＣ１、Ｃ２を含む部分は、ファイバカプラを用いて形成してもよい。また、空間的に分離された可動型ＭＺＩ枝２０もファイバやＰＬＣなどを用いて形成してもよい。

次に分散スロープ補償装置の第２の実施の形態について説明する。図１０は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。第２の実施の形態の分散スロープ補償装置１−２は、基本構成は第１の実施の形態と同じであるが、可動型ＭＺＩ枝２０と光伝播路基板１０ａとが空間的に分離する前の状態で、２本のＭＺＩ枝ｂｒ１、ｂｒ２の長さが等しくなるような構成とした場合である。

このように、２本のＭＺＩ枝ｂｒ１、ｂｒ２が互いに等しくなる位置が存在するように、ＰＬＣでループ状光伝播路１１、入出力光伝播路１２、光カプラＣ１、Ｃ２をモノリシックに作製する場合は、図に示すようなレイアウトとなる（なお、図９に示すレイアウトでは、可動できるＭＺＩ枝ｂｒの方が、光伝播路基板１０上のＭＺＩ枝よりも長い状態であることがわかる）。

このような構成にすることで、分離前の状態では、２本のＭＺＩ枝ｂｒ１、ｂｒ２の光路長差ΔＬｍがゼロとなるので、可動型ＭＺＩ枝２０を可動する場合、ΔＬｍ＝０からスタートして、ΔＬｍを調整できるので変化幅を大きくでき、第１の実施の形態と比べてより広い分散スロープ量を可変設定することが可能になる。

なお、２つの光カプラＣ１、Ｃ２のカプラ分岐比は、使用波長範囲の最長波長または最短波長で５０％とすることが望ましい。これはＭＺＩ枝間の光路長差がゼロの場合に、最長波長または最短波長でｍ₁₁＝１となり分散量がゼロとなり、最も広くスロープの可変範囲を設定できるためである。

次に分散スロープ補償装置の第３の実施の形態について説明する。図１１は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。第３の実施の形態の分散スロープ補償装置１−３は、基本構成は第１の実施の形態と同じであるが、光伝播路基板１０ｂの光伝播路の曲げの一部に反射部（ミラー）１４を設けた構成を持つ（図の斜線部）。このような構成にすることで、第３の実施の形態では、より低挿入損失で、より広いＦＳＲを実現することができる。以下、その理由について説明する。

ＰＬＣでループ状光伝播路１１、入出力光伝播路１２、光カプラＣ１、Ｃ２をモノリシックに作製する場合には、適用するコアとクラッドとの屈折率差Δｎから決まる最小曲率半径でループを構成しなければならない。

図１２はループの曲率半径を示す図であり、図１３は屈折率差と実現されうるループ長との関係を示す図である。縦軸は周回長（ｎｍ）、横軸はコア・クラッド屈折率差Δｎ（％）である。図より、例えばチャネル間隔５０ＧＨｚを実現するためには、Δｎ＝５％程度が必要となることがわかる。

このように大きな屈折率差を持つＰＬＣではコア径が小さくなり、作製時のコア側壁荒れの影響が大きく、伝播損失の増加の要因となる。そこで、より屈折率差の少ないＰＬＣプロセスでの作製を可能とするために、第３の実施の形態では、光カプラＣ１、Ｃ２以外の曲り部分をミラー１４により作成し、曲率半径の制限を緩和する。逆にこのような構成によればΔｎ＝４％程度でループ周囲長２ｍｍつまりＦＳＲ１００ＧＨｚ間隔を実現でき、４０Ｇｂｐｓ以上の伝送速度に対しても適用が可能となる。

なお、ミラー１４の作製方法は、ＰＬＣチップを分離するときに用いるダイシングソーにおいて、刃先は所望の角度のものを選定し、ＰＬＣ側面に対して垂直にダイシング加工を行うことが一例として挙げられる。また、さらにループ周回損失を低減するためには、加工後のミラー面に多層誘電体膜からなる高反射コーティングを付加してもよい。

次に分散スロープ補償装置の第４の実施の形態について説明する。図１４は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。第４の実施の形態の分散スロープ補償装置１−４は、ＰＬＣ側面に直接ミラーを作製するのではなく、ガラスモールド成形部品をＰＬＣ側面に接着させる構造を持つ。このガラスモールド１４０にレンズＬ１、Ｌ２などを導入することにより、第３の実施の形態と比べて、より挿入損失を低減することが可能になる。

分散スロープ補償装置１−４では、レンズＬ１、Ｌ２、凹面鏡１４ａをガラスモールド１４０で一体成形した部品とし、このガラスモールド１４０とＰＬＣとを光透過性の高い接着剤を用いて接着する。なお、第３の実施の形態と同様に、ループ周回損失を低減するためには、反射部品の反射面に多層誘電体膜からなる高反射コーティングを付加し、透過面には無反射コーティングを付加してもよい。

次に分散スロープ補償装置の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態では、特に熱光学効果を有するＰＬＣを用いて、ループ状光伝播路１１に対し、数μｍの光路長の調整を可能とした場合である。

上述した第１の実施の形態〜第４の実施の形態では、分散スロープの可変設定の実現を主に考慮した装置であったが、第５の実施の形態では、さらに熱光学効果で光路長調整を行って、数μｍの可変幅で中心波長の調整や分散補償量の調整も実現可能とした装置である。

図１５は熱光学効果を有するＰＬＣを実現する製造プロセスの工程例を示す図である。
〔Ｓ１〕Ｓｉまたはガラス基板上に下部クラッド層としてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やＦＨＤ（Flame Hydrolysis Deposition）法により、ＳｉＯ₂膜を形成する。このとき、膜応力、屈折率制御にＰ（リン）やＢ（ボロン）またはＧｅ（ゲルマ）など添加するとよい。
〔Ｓ２〕光が導波されるコア層を、クラッド層と同様にＣＶＤ法やＦＨＤ法により形成する。このとき、クラッド層よりＧｅの濃度を濃くする、またはＴｉ（チタン）を添加するなどしてクラッド層より屈折率が高くなるようにする。
〔Ｓ３〕コア層上にコアパターンに応じたマスク（感光性を有する有機材料マスクまたはＣｒ（クロム）などの金属を蒸着して、金属膜を有機材料マスクにしてエッチングし形成したメタルマスクなど）を形成し、ドライエッチングによりマスクのコアパターン転写を行う。

その後、マスクを化学的に除去し、下部クラッド層と同様にＣＶＤ法やＦＨＤ法によりコア埋め込み（上部クラッド形成）を行う。このように形成されたループ部を含む部品全体に対して熱を加えることにより、ループ部分の光学路長を調整し、中心波長、分散補償量を制御することが可能となる。
〔Ｓ４、Ｓ５〕また、局所的に加熱する場合には、ＰＬＣ表面にヒータ及び電極形成が必要であるので、これらは例えばリフトオフ法（ヒータなど形成される部分のみがマスクされないように感光性有機材料をパターニングし、マスク上から、ヒータ材や電極材を蒸着し、その後、有機溶剤などで有機材料マスクを除去する）で形成する。

このとき、ヒータ材はＰｔ（白金）、Ｗ（タングステン）、ニクロム、Ｃｒなど、電極材はＡｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミ）などを用いればよい。また、これらの金属とＳｉＯ₂との密着性を向上させるためにはＴｉなどの高融点金属を薄く蒸着しておくとよい。

図１６は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。第５の実施の形態の分散スロープ補償装置は１−５、光伝播路基板１０ｄ上のループ状光伝播路１１に対して、ステップＳ４による生成方法によって、ヒータ１５及び電極１６ａ、１６ｂが設けられている構成となっている（その他の構成は第２の実施の形態と同じである）。

次に分散スロープ補償装置の第６の実施の形態について説明する。図１７は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。第６の実施の形態の分散スロープ補償装置１−６は、光伝播路基板１０ｅに対して、ヒータ１７ａ−１、１７ｂ−１（電極の図示は省略）を持つＭＺＩ１７ａ、１７ｂを光カプラＣ１、Ｃ２に適用した場合の構成である。このような構成とすることで、あらかじめ設定した分散量からの分散スロープ補償を行うことができ、分散スロープ補償機能＋分散補償機能を実現することができる。

次に分散スロープ補償装置のモジュール構成について説明する。図１８は分散スロープ補償装置のモジュール構成例を示す図である。分散補償装置モジュール５０は、ステージ状に光伝播路基板１０及び可動型ＭＺＩ枝２０が搭載され、マイクロアジャスタ５１、圧電素子５２、セラミックヒータ５３、ヒータ駆動用端子５４、温度モニタ用端子５５、アクチュエータ駆動用端子５６、光ファイバが設けられている。

中心波長制御用のセラミックヒータ５３上に光伝播路基板１０のＰＬＣチップを実装し、可動型ＭＺＩ枝２０をマイクロアジャスタ５１で粗動調整し、圧電素子５２で微動調整する。このような構成にすることで、ＭＺＩ枝の光路長を自由に設定でき、任意のスロープ量を同一のモジュールで設定することが可能になる。

次に分散スロープ補償装置を直列に多段接続した場合について図１９〜図２１を用いて説明する。単リング型共振器をベースとした分散スロープ補償装置１は、分散補償量と透過帯域がトレードオフの関係にある。そこで複数の分散スロープ補償装置１を用意し、それぞれ補償量及び中心波長を変えて直列に接続する。

図１９は分散スロープ補償装置の多段接続構成を示す図である。多段型分散スロープ補償装置６０は、分散スロープ補償装置の入出力光伝播路１１をつなげて、分散スロープ補償装置１ａ、１ｂ、１ｃ、…を直列多段に接続した構成をとる（複数の光導波路基板１０を同一ＰＬＣ上に設けてもよい）。このような構成にすることで、補償帯域を拡大することが可能になる。

図２０は３段構成時のｍ₁₁の波長依存性を示す図である。縦軸は透過率、横軸は波長である。図２１は３段構成時の分散スロープ補償特性を示す図である。縦軸は群遅延、横軸は波長である。

図２０、図２１は３段構成における１００ＧＨｚ間隔２０チャネルの分散スロープ補償特性のシミュレーション例であり、この例では０．４ｎｍ帯域、７．３ｐｓ／ｎｍ²の２０チャネル一括スロープ補償が行える。図２０は３段構成時の各分散スロープ補償装置のｍ₁₁の変化を示している。図２１から、図２０で示したｍ₁₁の波長依存性をもつ分散スロープ補償装置を３段接続すると分散スロープ量が増大することがわかる。

次に分散スロープ補償装置を用いたＷＤＭシステムについて説明する。図２２はＷＤＭシステムを示す図である。ＷＤＭシステム２００は、最大４０波の波長多重を行うシステムを示しており、送信装置２１０、受信装置２２０、中継アンプ２３０−１〜２３０−４から構成される（片方向伝送のみ示す。また、送信装置２１０、受信装置２２０は局内に含まれる）。また、伝送路の光ファイバにはＳＭＦを使用し、分散補償ファイバとしてＤＣＦｆ１〜ｆ４を設置する。

送信装置２１０は、光送信部２１１−１〜２１１−４０、波長多重部２１２、ＷＤＭアンプ２１３を含み、受信装置２２０は、ＤＳＣ（Dispersion Slope Compensator：分散スロープ補償装置のことである）２２３、可変ＤＣＭ２２４、光受信制御部２２０ａを含む。光受信制御部２２０ａは、波長分離部２２２、光受信部２２１−１〜２２１−４０から構成される。

送信装置２１０に対し、光送信部２１１−１〜２１１−４０は、ｃｈ１〜ｃｈ４０の光信号をそれぞれ出力し、波長多重部２１２は、ｃｈ１〜ｃｈ４０の光信号の波長多重を行ってＷＤＭ信号を生成する。ＷＤＭアンプ２１３は、ＷＤＭ信号を増幅して伝送路へ出力する。

中継アンプ２３０−１〜２３０−４は、ＳＭＦを流れるＷＤＭ信号を中継・増幅する。また、ＤＣＦｆ１〜ｆ４は、ｃｈ２０の波長分散の補償を行う分散補償値を有しており、ｃｈ２０の光信号は、ＤＣＦｆ１〜ｆ４を通過する度にＳＭＦで発生した波長分散値がゼロになる。

受信装置２２０に対し、ＤＳＣ２２３は、ＷＤＭ信号のチャネル毎に生じる分散スロープを一括して補償する。可変ＤＣＭ２２４は、分散スロープ補償された後のＷＤＭ信号の分散補償を行う。波長分離部２２２は、ＷＤＭ信号をｃｈ１〜ｃｈ４０の４０波に波長分離する。光受信部２２１−１〜２２１−４０は、分散補償されたｃｈ１〜ｃｈ４０の光信号を受信処理する。

図２３はＤＳＣ２２３とＤＣＭ２２４で行う分散スロープ補償及び分散補償の概要を示す図である。ＤＳＣ２２３は、光伝送路から流れてきたＷＤＭ信号の分散スロープ（図２４で上述したように右肩下がりの傾き）とは逆の分散スロープでフィルタリングすることで、スロープ補償を行う。したがって、ＤＳＣ２２３の出力はスロープがなくなりフラットとなる。また、ＤＣＭ２２４は、スロープ補償後のＷＤＭ信号に対して分散補償を行う。この例では全体が正分散なので、同じ量の逆の符号の負分散を施して、累積波長分散をゼロにする。

このように、ＷＤＭシステム２００では、１台のＤＣＳ２２３でＷＤＭ信号のチャネル間の分散スロープを一括補償し、その後に１台のＤＣＭ２２４で一括分散補償する構成とした。これにより、従来のＷＤＭシステムと比べてチャネル毎に分散補償器を設ける必要がなくなるので、装置規模を縮小化することができ、経済的なネットワークを構築することが可能になる。また、分散マネジメント設計者に対する負担の軽減も図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＤＷＤＭシステムに対して、１つの分散スロープ補償装置１ですべてのチャネル間の分散スロープを一括して補償することができるので、チャネル毎に分散補償器を設ける必要がない。このため、ＤＷＤＭシステムの低コスト化、分散マネジメント設計の簡素化を実現することが可能になる。

以上説明したように、分散スロープ補償装置は、ループ状光伝播路と、外部への入出力を有する入出力光伝播路と、ループ状光伝播路及び入出力光伝播路を少なくとも２箇所以上で結合する光カプラと、から構成される帰還型光フィルタに対し、光カプラによって挟まれて形成されるマッハツェンダ干渉計の枝を構成する光伝播路の一部を空間的に分離して、枝部分の光路長を可変に調整して分散スロープの可変設定を行う構成とした。これにより、十分な分散スロープの可変幅設定ができるので、高速大容量のＤＷＤＭネットワークの分散補償を高精度に行うことができ、光伝送品質の向上を図ることが可能になる。

上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。

分散スロープ補償装置の原理図である。リング共振器を示す図である。リング共振器の等価回路を示す図である。光カプラ部分をＭＺＩとしたリング共振器を示す図である。光カプラ部分をＭＺＩとしたリング共振器を示す図である。ｍ₁₁の波長依存性と群遅延との関係を示す図である。ｍ₁₁の波長依存性と群遅延との関係を示す図である。ｍ₁₁の波長依存性と群遅延との関係を示す図である。分散スロープ補償装置の構成を示す図である。分散スロープ補償装置の構成を示す図である。分散スロープ補償装置の構成を示す図である。ループの曲率半径を示す図である。屈折率差と実現されうるループ長との関係を示す図である。分散スロープ補償装置の構成を示す図である。熱光学効果を有するＰＬＣを実現する製造プロセスの工程例を示す図である。分散スロープ補償装置の構成を示す図である。分散スロープ補償装置の構成を示す図である。分散スロープ補償装置のモジュール構成例を示す図である。分散スロープ補償装置の多段接続構成を示す図である。３段構成時のｍ₁₁の波長依存性を示す図である。３段構成時の分散スロープ補償特性を示す図である。ＷＤＭシステムを示す図である。ＤＳＣとＤＣＭで行う分散スロープ補償及び分散補償の概要を示す図である。残留分散を示す図である。従来のＷＤＭシステムを示す図である。分散マップを示す図である。

符号の説明

１分散スロープ補償装置
１０光伝播路基板
１１ループ状光伝播路
１２入出力光伝播路
Ｃ１、Ｃ２光カプラ
２０可動型マッハツェンダ干渉計枝
２１可動型マッハツェンダ干渉計枝の光伝播路部分
Ｆ帰還型光フィルタ
Ｌ１、Ｌ２レンズ

Claims

波長分散の分散スロープの補償を行う分散スロープ補償装置において、
ループ状光伝播路と、外部への入出力を有する入出力光伝播路と、前記ループ状光伝播路及び前記入出力光伝播路を少なくとも２箇所以上で結合する光カプラと、から構成される帰還型光フィルタに対し、
前記光カプラによって挟まれた前記ループ状光伝播路及び前記入出力光伝播路の一部によって形成されるマッハツェンダ干渉計の内、マッハツェンダ干渉計の枝を構成する光伝播路の一部を空間的に分離し、
分離した光伝播路である可動型マッハツェンダ干渉計枝と、前記入出力光伝播路を含む側の光伝播路基板との分離箇所には、集光部を設け、
枝部分の光路長の可変調整により分散スロープの可変設定を行って分散スロープを補償することを特徴とする分散スロープ補償装置。
分離した光伝播路である可動型マッハツェンダ干渉計枝が可動する際、２本のマッハツェンダ干渉計枝の光路長差がゼロとなる位置が存在することを特徴とする請求項１記載の分散スロープ補償装置。
光伝播路の曲げの一部に反射部を設け、前記反射部を設ける場合は、基板側面に直接作製するか、またはガラスモールド成形部品を基板側面に接着させることを特徴とする請求項１記載の分散スロープ補償装置。
前記ループ状光伝播路の一部に対して、媒質の屈折率を変化させる光学効果を与えて、前記ループ状光伝播路の光路長を変化させることで、分散スロープの可変設定に加えて中心波長及び分散補償量の調整を行うことを特徴とする請求項１記載の分散スロープ補償装置。
前記光カプラの少なくとも１つをマッハツェンダ干渉計で置き換えた構成にして、分散スロープの可変設定に加えて分散補償量の調整を付加することを特徴とする請求項１記載の分散スロープ補償装置。