WO2004099848A1

WO2004099848A1 - 分散スロープ補償装置

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Publication number: WO2004099848A1
Application number: PCT/JP2003/005799
Authority: WO
Inventors: Kohei Shibata
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-18
Also published as: JPWO2004099848A1; US7171076B2; JP3995686B2; US20060013530A1

Abstract

　十分な分散スロープの可変幅を設定して分散スロープ補償を行い、光伝送品質の向上を図る。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て、枝（２１）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。

Description

分散スロープ補償装置技術分野

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口一プ補償装置に関する。

明

背景技術

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書り、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 1 nm異なるふたつの単色光を 1 km伝搬させたときの伝搬時間差、単位は p sZnmZkmで定義される。具体例としては、光フアイバで通常使用される SMF (Single Mode Fiber) では、 1. 55 m付近で 15〜16 p sZnmZkm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（DC F： 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 DC F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 DC F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チヤネルの光信号波長の波長分散に対して、これを補償する DC F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、チヤ一ブト形ファイバ ·ブラッグ ·ダレ一ティング（CFBG： Charped 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、光サーキユレ一夕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）。

特許文献 1

特開 2000— 151 513号公報（段落番号〔0052〕〜〔005 9〕、第 9図）

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 p s/kmZnm²) 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 1525 nm〜 1565 nm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（p sZnm) 、横軸は波長（nm) である。 c h l〜c h40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。

31^?で10 111伝送し、分散スロープ値 0. 2 p sZkmZnm²を有する DCFで中心チャネル（ch 20) 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 100 GHzでは、 c h lでは約 +20 (p s/nm) 、 c h 4 0では約 _30 (psZnm) の残留分散が発生している（c h20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 1 10、 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 DC F f l〜f 6 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 11 1— 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） 12 3— 1〜 123— 40を含む。

局 1 10に対し、光送信部 111— 1〜： 11 1一 40は、 c h l〜ch40の光信号をそれぞれ出力し、波長多重部 1 12は、 c h l〜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 1 13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、 DCF f l〜 f 6は、 c h20の波長分散の補償を行う分散補償値を有しており、 c h 20の光信号は、 DCF f 1〜 f 6を通過する度に SMF で発生した波長分散値がゼ口になる。

局 120に対し、波長分離部 122は、 WDM信号を c h l〜ch40の 40 波に波長分離し、 c h l〜c h40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_ 1〜1 21— 40は、分散補償された c h 1〜 c h 40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 Mlを見ると、 1中継区間毎に c h 20に対して、

5 MFによる正の分散値を D C F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、 c h 20の波長分散値は中継区間毎にゼロとなり、かつ c h 20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 c h 1、 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 D CM 123— 1〜 123— 40を設置している）。

また、伝送速度が例えば、 1 OGb/sから 4 OGb/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〜 1 21— 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、 KMadsen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、 40GbZ s、さらにはベタビット（P b / s ) 級の超高速伝送の DWD M (Dense-WD M) 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。発明の開示

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つた分散ス口一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 1 1と、外部への入出力を有する入出力光伝播路 1 2と、ループ状光伝播路 1 1及び入出力光伝播路 1 2を少なくとも 2箇所以上で結合する光力ブラ C 1、 C 2と、から構成される帰還型光フィル夕 Fに対し、光力ブラ C l、 C 2によって挟まれたル —プ状光伝播路 1 1及び入出力光伝播路 1 2の一部によって形成されるマツハツェンダ干渉計の内、マッハツェング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、分散スロープの可変設定を行つ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、帰還型光フィル夕 Fは、ループ状光伝播路 1 1と、外部への入出力を有する入出力光伝播路 1 2と、ループ状光伝播路 1 1及び入出力光伝播路 1 2を少なくとも 2箇所以上で結合する光力ブラ C 1、 C 2と、から構成される。帰還型光フィル夕 Fに対して、光力ブラ C l、 C 2によって挟まれたループ状光伝播路 1 1及び入出力光伝播路 1 2の一部によって形成されるマッハツェング干渉計の内、マッハツエ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。

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。図面の簡単な説明図 1は本発明の分散スロープ補償装置の原理図である。

図 2はリング共振器を示す図である。

図 3はリング共振器の等価回路を示す図である。

図 4は光力ブラ部分を M Z Iとしたリング共振器を示す図である。

図 5は光力ブラ部分を M Z Iとしたリング共振器を示す図である。

図 6は m！！の波長依存性と群遅延との関係を示す図である。

図 7は m _x！の波長依存性と群遅延との関係を示す図である。

図 8はの波長依存性と群遅延との関係を示す図である。

図 9は分散ス口一プ補償装置の構成を示す図である。

図 1 0は分散ス口一プ補償装置の構成を示す図である。

図 1 1は分散ス口一プ補償装置の構成を示す図である。

図 1 2はループの曲率半径を示す図である。

図 1 3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。

図 1 4は分散ス口一プ補償装置の構成を示す図である。

図 1 5は熱光学効果を有する P L Cを実現する製造プロセスの工程例を示す図である。

図 1 6は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。

図 1 7は分散スロープ補償装置の構成を示す図である。

図 1 8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。

図 1 9は分散ス口一プ補償装置の多段接続構成を示す図である。

図 2 0は 3段構成時の m i iの波長依存性を示す図である。

図 2 1は 3段構成時の分散スロープ補償特性を示す図である。

図 2 2は本発明の WDMシステムを示す図である。

図 2 3は D S Cと D C M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。

図 2 4は残留分散を示す図である。

図 2 5は従来の WD Mシステムを示す図である。

図 2 6は分散マップを示す図である。発明を実施するための最良の形態

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は本発明の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、帰還型光フィル夕 Fのマッハツエンダ干渉計（Mach Zehnder Interferometer：以下、 M Z Iと記す）の枝を空間的に分離した構成を持つ。

帰還型光フィル夕 Fは、ループ状光伝播路 1 1と、外部への入出力を有する入出力光伝播路 1 2と、ループ状光伝播路 1 1及び入出力光伝播路 1 2を少なくとも 2箇所以上で結合する光力ブラ C 1、 C 2とから構成され、例えば、 S i基板上に形成される。

この帰還型光フィル夕 Fに対して、光力ブラ C l、 C 2によって挟まれたループ状光伝播路 1 1及び入出力光伝播路 1 2の一部によって形成される M Z Iの内、 M Z I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 M Z I枝 2 0、入出力光伝播路 1 2を含む側の基板を光伝播路基板 1 0と呼ぶ。

そして、 M Z I枝 2 1部分の光路長を可変に調整することで（可動型 M Z I枝 2 0と光伝播路基板 1 0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。本発明の具体的な構成及び動作については図 9以降で後述する。

次に本発明の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本発明が解決したい問題点まで段階的に詳しく説明する。全域通過光フィル夕（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夕であり、光伝送の分野では分散補償用フィル夕として使用される。波長周期性を有する分散補償用フィルタは、 F I R (Fi nite Impulse Response) 型と I I R (Innnite impulse Response) 型の 2種類に大きく分けられる。

F I Rフィル夕は、フィードフォワード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夕として、 P L C (Planar Lightwave Circuit) 形分散補償器がある。 P L C形分散補償器は、平面導波路基板上に M Z Iを直列多段に接続したもので、 M Z I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 MZ Iの段数を増やさなければならず、チップ面積が大きくなつて量産に適していないといった問題があつた。

一方、 I I Rフィル夕は、有理型フィルタとも呼ばれ、フィードバックル一プを有するフィル夕である。 I I Rフィルタは、フィードバックル一プを有するため、 F I Rでは起こらない不安定性が存在する。ただし、 I I R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（I I Rフィル夕の伝達関数の分母 =0と置いたときの解である極 kが I 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。

I I Rフィル夕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つの光力ブラ。と、から構成される（本発明の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一夕には、 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力ブラ Cの力ブ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. 8 nm) 間隔、 50 GHz (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の光力ブラ 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 ( j ωΤ) ) に対応する。また、 2端子対回路 Μのポート ρ 1への入力信号をいポート p 2への入力信号を E_{i 2}、ポ一ト p 3からの出力信号を E。いポート p4からの出力信号を E。₂とする。

ここで、光力ブラ 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。 m m

11

(1 )

m m

21

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、 mu · m₂₂— m₁₂ · m₂₁= 1である）。

、

m m

11 12 cos Θ -s'mO

m = (2)

m m

21 22 s \r\6 +cos Θ

(d e t =1 ) 一方、 £ と£₀₁の関係は、

' e xp ( j ωΤ) となるから、ル —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 はル一プ状光伝播路 31の周回長、 ηは導波路実行屈折率、 λは入力波長であり、 e X ρ内の符号のマイナスは位相遅れを表している。 = e x p (一 j ω T ) = e x p (— j · 27T f ·

C

= e x p (— j · 2 π— -

e x p (— _)· ·2 π· Ι_ · ηΖλ) —-一（3) 次に上述の式（1) 、 d e t = l、 h (λ) =E_{i l}/ E。₁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、 mu a m₁₂ = b、 m₂₁=c、 m₂₂=dとおレ Vこ。

a d E_M + b c E_n 一 a d E_M + b d E_i2 b E_i2 d (a E_n+ b E_i2)— (a d— b c)E_M b E_i2 d E_o1 - det E_n E_n 一 d E_o1

一 d E ol En /E _o1 - d

= ——一 (4)

mn h(A) ― 1 また、伝達行列 mのと 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、

とおくことができ（mu*はの複素共役）、式（4) は式（5) となる。

次に上記の伝達関数 H (λ) の位相部 a r gH (λ) を角周波数 ωで微分して群遅延 D (え）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 (=2 Τ c/λ ： cは光速）を波長えで微分して式 (6) を得る。

群遅延 D (λ) は、式（6) を使って式（7) となる。

_{D( )} d( argH(A)) _ dA d( argH (入））

do) ύω d入

_ —え² d( argH(A)) (つ、

― ~ ττ — ' )

2 K C dA 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）。

DS (入） =— D(A) - --- (8)

d入次に FSRを算出する。 FSRは、式（3) の e xp内の L「 * nが、 λの整数倍になる変化より決定される。波長えの隣接波長をえ一とすれば、式（9) のようにおける。

L _r · n = m ·λ = (m+1) ■ λ，一一 (9) 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、 l《mの場合である。 m

Δ λ = λ，一入 =

(m+1)

Δ λ

—— (1 o)

λ m ここで、チャネルの周波数間隔である FSR (=Δ f ) は、 f = c

式 (1 1) のように変形できる（f を λで微分）。 c

FSR = Af = - △ λ

λ c —一 (1 1 )

入入ノ

そして、式（1 1) に式（10) 、式（9) を代入すると FSRが求まる ₍

—— （1 2) ここで、式（12) から FSRを決定する際には、ループ周回長!^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 · η (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. 5 λ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、 111^=0 (力ブラ分岐比 1 00%に対応する。なお、力ブラ分岐比 1 00%の場合の信号の流れは、ポート p 2からの入力信号がすべてポート p 3から出力し、ループ状光伝播路 3 1を周回した後にポート p 1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、 a r gH (λ) =- a r g h (λ) となる。また、 a r g h (λ) は、式（3) の e χρ内の一 27Τ · L_r · η/λのことであるから、 =0のときの群遅延は式（13) となる。 λ² d( argH (入））

D (入） = 一

λ

λ d - 2 π

27t C (1λ λ λ 2 π

27tC 入

― (1 3)

C 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口である。一方、 mu «1) を増やしていくと、すなわち、力ブラ分岐比を 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、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、が波長（チャネル）に応じて変化すればよい。次に力ブラ分岐比に関る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、光力ブラ Cの結合部を MZ I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は光力ブラ部分を MZ I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つの光力ブラ 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、光力ブラ 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 MZ I 33 (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、 MZ I 33の枝部分（MZ I枝 33— 1) を伸ばした構造となっている（M Z I 33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 MZ I枝 33— 1の光路長差を ALm、カプラ回転（結合）を 6>ぃ Θ ₂, 導波路実行屈折率を n、入力波長を λとしたときの MZ I 33の伝達行列 πι(λ)は式（14) となる。 cos θ₂ -s I η θ₂ exp (-j 7f ALm · n 0 m(A) =

s I n 0₂ +cos Θ 2 0 exp ( j π -ALm ■ η/λ) cos 0₁ -s i n 0₁

—一 (1 4)

s i n 0₁ +cos θ ₁

ノ

MZ I 33を持つリング共振器 30— 2の伝達関数は、リング共振器 30の力ブラ伝達行列 mを、式（14) の MZ I 33の伝達行列 m( i) で置き換えることにより得られる。また、 a r gH (λ) は以下のようになる。 argH(A ) = arctan

a s in (-2TT π/λ )— /3 cos (— 2 T η/λ )

― srctsn

a cos (一 2π η/λ )— sin {-In

(1 5 a)

= cos ( 7T · Δίηι · η/λ )· cos ( ΘΛ θ ― (1 5 b) β = sin ( T■ Aim ■ η/λ )■ cos ( Θ厂 θ₂) -— (1 5 c) が波長 λに応じて変化することは、 πι(λ) における exp (±j C · AL m - τι/λ) が変化することを意味する。すなわち、 ALm * nが大きい程、 λ の変化に対する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 iの波長依存性と群遅延との関係を示す図である。各図は M Z I 3 3を有するリング共振器 30 a〜30 cに対する iと群遅延とを示している。図中の上のグラフは、縦軸は mu (力ブラ分岐比）、横軸は波長であり、下のグラフは、縦軸は群遅延（P S) 、横軸は波長である。

図 6のような MZ I 33 aを有するリング共振器 30 aにおいて、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、 11 ^= 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 MZ I 33 bの一方の枝を伸ばしたリング共振器 30 において、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 MZ I 33 cの一方の枝をさらに伸ばしたリング共振器 30 cにおいて、 ran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〜40 ηηι) とすると、が波長に応じて 1〜0. 8程度の範囲で変化するためには、 I！〜 1.

45 (石英 PLCの場合）で、 ALmは 0〜数 10 mの変化を与えればよい。ここで、上記のような MZ I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、 MZ I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 - 151 51 3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つた問題がある。

例えば、石英 P L C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（Δη) は Δη= 1 0— ⁵ 程度であり、実際に使用される温度差（ΔΤ) として ΔΤ=30°Cを限度とすると、光学路長を 1. 5 m (= 1 λ ： Cバンド付近の 1波長）程度変化させるためにはヒ一夕長は 5mm (=λΖΔΤ · Δη) 程度必要となる。分散量の調整には MZ I力ブラ部の分岐比が 100〜80%の範囲の変化であり、 MZ I枝間光路長差で 0. 3 m (=λ/5) 程度の変化量に対応するので、ヒー夕長は 1 mm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 0〜20 程度の MZ I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 10 G b p s以上の信号を伝送するためのル一プ長が 10mm (帯域 20 GHz) 以下では、最大でも 0〜3 mまでの MZ I枝間光路長差しか得ることができない。このように PL Cモノリシック構造の分散補償器としては、 10Gbp sZFSR50GHz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、本発明では、 MZ I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、 MZ I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つの光力ブラ C 1、 C2を有し、 2つの光力ブラ C l、 C 2によって挟まれた MZ I枝 b rの一部を空間的に分離する構造を持つ。

可動型 MZ I枝 20と光伝播路基板 10との間には集光部（レンズ：コリメ一トレンズ） L l、 L 2が設置される。レンズ L l、 L2は、光を平行光にし、光信号が MZ I枝 b r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 MZ I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 MZ I枝 20を図の矢印方向に可動することにより、 MZ I光路長差 ALm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 i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、本発明によつて解消することができる。

なお、入出力光伝播路 12と 2つの光力ブラ C l、 C 2を含む部分は、フアイバカブ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 MZ I枝 2 0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 1一 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 MZ I枝 20と光伝播路基板 10 aとが空間的に分離する前の状態で、 2本の MZ I枝 b r l. b r 2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 MZ I枝 b r l、 b r 2が互いに等しくなる位置が存在するように、 P.LCでループ状光伝播路 11、入出力光伝播路 12、光力ブラ C l、 C 2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 MZ I枝 b rの方が、光伝播路基板 10 上の MZ I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 MZ I枝 b r 1、 b r 2の光路長差 ALmがゼロとなるので、可動型 MZ I枝 20を可動する場合、 △ Lm=0からスタートして、 ALm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つの光力ブラ C l、 C2の力ブラ分岐比は、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 MZ I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 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 1一 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 1 0 bの光伝播路の曲げの一部に反射部（ミラ一） 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、光力ブラ C l、 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△ n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 Δη (%) である。図より、例えばチャネル間隔 50 GHzを実現するためには、 △ n = 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、作製時のコァ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、光力ブラ C l、 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 Δ n = 4 %程度でループ周囲長 2 mm つまり FSR 100 GHz間隔を実現でき、 40 Gb p s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一において、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 1一 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 L l、 L 2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 L l、 L2、凹面鏡 14 aをガラスモ一ルド 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一ティングを付加し、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 1 1に対し、数 /m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つたが、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/ m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。

〔S 1〕 S iまたはガラス基板上に下部クラッド層として CVD (Chemical V a or Deposition) 法や FHD (Flame Hydorolsis Deposition) 法により、 S i〇₂膜を形成する。このとき、膜応力、屈折率制御に P (リン）や B (ポロン）または Ge (ゲルマ）など添加するとよい。

〔S 2〕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 T i (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。

〔S 3〕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一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、 S 5〕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（ヒー夕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、ヒータ材ゃ電極材を蒸着し、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、ヒー夕材は P t t (白金）、 W (タングステン）、ニクロム、 C r など、電極材は Au (金）、 Cu (銅）、 A 1 (アルミ）などを用いればよい。また、これらの金属と S i〇₂との密着性を向上させるためには T i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 10 d上のループ状光伝播路 11に対して、ステップ S 4による生成方法によって、ヒータ 15及び電極 16 a、 1 6 b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 1一 6は、光伝播路基板 10 eに対して、ヒータ 17 a— 1、 17 b— 1 (電極の図示は省略）を持つ MZ I 17 a、 1713を光カプラ(31、 C 2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 MZ I枝 20が搭載され、マイクロアジャス夕 51、圧電素子 52、セラミックヒ一タ 53、ヒータ駆動用端子 54、温度モニタ用端子 55、ァクチユエ一夕駆動用端子 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 MZ I枝 20をマイクロアジヤス夕 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、 MZ I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 1 9〜図 2 1 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変えて直列に接続する。

図 1 9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 6 0は、分散スロープ補償装置の入出力光伝播路 1 1をつなげて、分散スロープ補償装置 1 a、 l b、 l c、 …を直列多段に接続した構成をとる (複数の光導波路基板 1 0を同一 P L C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 2 0は 3段構成時の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 2 1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 2 0、図 2 1は 3段構成における 1 0 0 GH z間隔 2 0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 . 4 nm帯域、 7 . 3 p s / n m ²の 2 0チャネル一括スロープ補償が行える。図 2 0は 3段構成時の各分散スロープ補償装置のの変化を示している。図 2 1から、図 2 0で示した i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口一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 WD Mシステムについて説明する。図 2 2 は本発明の WDMシステムを示す図である。 "\¥0 システム2 0 0は、最大 4 0 波の波長多重を行うシステムを示しており、送信装置 2 1 0、受信装置 2 2 0、中継アンプ 2 3 0— 1〜2 3 0— 4から構成される（片方向伝送のみ示す。また、送信装置 2 1 0、受信装置 2 2 0は局内に含まれる）。また、伝送路の光フアイバには S M Fを使用し、分散補償ファイバとして D C F f l〜f 4を設置する。送信装置 2 1 0は、光送信部 2 1 1— 1〜2 1 1— 4 0、波長多重部 2 1 2、 WD Mアンプ 2 1 3を含み、受信装置 2 2 0は、 D S C (Dispersion Slope Co mpensator：本発明の分散スロ一プ補償装置のことである） 2 2 3、可変 D C M 2 2 4、光受信制御部 2 2 0 aを含む。光受信制御部 2 2 0 aは、波長分離部 2 2 2、光受信部 2 2 1— 1〜2 2 1 _ 4 0から構成される。送信装置 210に対し、光送信部 211— 1〜211— 40は、 c h l〜c h 40の光信号をそれぞれ出力し、波長多重部 212は、 c h l〜c h40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、 DCF f 1〜： f 4は、 c h20の波長分散の補償を行う分散補償値を有しており、 c h20の光信号は、 DCF f 1〜 f 4を通過する度に SMF で発生した波長分散値がゼ口になる。

受信装置 220に対し、 DSC 223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 c h 1〜 c h 40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 c h 1〜 c h 40の光信号を受信処理する。

図 23は DSC 223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。 D S C 223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夕リングすることで、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、本発明の WDMシステム 200では、 1台の DCS 223で WD M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 D CM 224 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、分散マネジメン卜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ですベ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、 D WDM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、本発明の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力ブラと、から構成される帰還型光フィル夕に対し、光力プラによって挟まれて形成されるマッハツエ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 DWD M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。

Claims

請求の範囲

1 . 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力ブラと、から構成される帰還型光フィル夕に対し、

前記光力ブラによつ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つて形成されるマッハツエンダ干渉計の内、マッハツエ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、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。

2 . 分離した光伝播路である可動型マッハツエンダ干渉計枝と、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、集光部を設けることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

3 . 分離した光伝播路である可動型マッハツェング干渉計枝が可動する際、 2 本のマッハツェング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の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

4. 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徵とする請求の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

5 . 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の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

6 . 前記光力ブラの少なくとも 1つをマッハツェング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徵とする請求の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

7 . 分離した光伝播路である可動型マッハツェング干渉計枝は、圧電素子、マイクロアジャス夕、材料の熱膨張の少なくとも 1つを用いて、または組み合わせることで可動させることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

8 . 前記入出力光伝播路をつなげて装置を多段接続して、中心波長及び分散補償量を装置毎に変えることで補償帯域の拡大を行うことを特徴とする請求の範囲第 1項記載の分散スロープ補償装置。

9 . WDMの光信号の伝送を行う光伝送システムにおいて、

WD Mの波長多重を行つて光信号を送信する送信装置と、

光中継装置が設置され、中継間隔毎に中心チャネルに対する累積波長分散をゼ口とするようにマネジメン卜された光伝送路と、

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力ブラと、から構成される帰還型光フィル夕に対し、前記光力ブ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ツハツエング干渉計の内、マッハツェング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、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って、前記光伝送路を流れてきた WD M信号の分散スロープを一括して補償する分散スロープ補償装置と、分散スロープ補償後の WD M信号の波長分散の分散補償を一括して行う分散補償装置と、 WD Mの波長分離を行つて光信号を受信する光受信制御部と、から構成される受信装置と、

を有することを特徴とする光伝送システム。