JP2002540481A - 異なる波長を有して共に送信される光信号の分散を補償する方法 - Google Patents

異なる波長を有して共に送信される光信号の分散を補償する方法

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JP2002540481A JP2000608529A JP2000608529A JP2002540481A JP 2002540481 A JP2002540481 A JP 2002540481A JP 2000608529 A JP2000608529 A JP 2000608529A JP 2000608529 A JP2000608529 A JP 2000608529A JP 2002540481 A JP2002540481 A JP 2002540481A
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クープス,ハンス,ダブリュー.,ピー.
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Abstract

(57)【要約】 異なる波長を有する光信号の分散を補償する経済的な手法を提供することを目的とする。本発明によれば、フォトニック結晶(K1〜Kn)は、共通の光導波管(2)上に置かれている。これに関して、各フォトニック結晶(K1〜Kn)は、1つの波長の信号を反射または偏向するように、他の波長の信号を減衰せずに送信するように調整されている。工程において、導波管(2)上のフォトニック結晶(K1〜Kn)の具体的な構成およびフォトニック結晶内の偏向要素の具体的な構成は、個別の波長の間で補償されるべき分散の関数として定義される。本発明の手法は、永久的に設定されるか、または制御可能な、高品質のフォトニック分散補償装置を組み立てることを可能にし、これは従来の回折格子の約1000分の1の長さである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信ネットワーク内で、異なる波長を有して共に送信される光信
号に適用される、分散補償の分野に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまで知られた方法の光通信ネットワークセットアップ内では、ほとんど約
0.4dB/kmの減衰および最小で1310nmの分散を有する標準のシング
ルモードファイバのみが設置されている。
【0003】 約1550nmの波長範囲が、ますます光通信に使用されるようになってきて
いる。これは、減衰が約0.2dB/kmと低いこと、波長分割多元送信の使用
が増加していること、および実質的に完全な光ファイバ光増幅器、すなわちED
FA(エルビウム添加ファイバ増幅器)が使用可能であるためであり、EDFA
は、約1550nmの広い範囲の中でいくつかのチャネルを同時に増幅するため
に使用することが可能である。
【0004】 上記の手法の1つの欠点は、送信帯域幅と増幅器の距離とが、1550nmで
約17ps/nm × kmという、標準のシングルモードのファイバの高い分
散によって限定されることである。したがって、長い送信ルートと、Gb/s範
囲の帯域幅については、分散補償要素を設置することが必要である。
【0005】 高い負の分散を示す分散補償ファイバ(DCF)を使用することが一般に知ら
れている。DCFの分散については、−100ps/nm × kmが典型的な
値として与えられている。したがって、100kmの長さの標準のシングルモー
ドファイバの分散を補償するためには、17kmのDCFが必要になる。補償フ
ァイバはスプールの上に巻きつけられ、スプールの直径は少なくとも10cmで
湾曲の損失を避けなければならない。分散補償のために分散補償ファイバDCF
を使用することには、以下のいくつかの欠点が関連する。 − かなり長い、比較的高価な、特別なファイバが必要であること。 − ファイバのスプールが大きいこと。これは特に、多芯光ケーブルで作業する
時に、回線リピータ局またはケーブル結合チャンバ(cable jointing chamber)
において問題が発生する原因となる可能性がある。 − 追加の減衰が加わること。分散補償ファイバの特別なコア構造のため、分散
補償ファイバは約0.5dB/kmの減衰を示すので、17kmの長さのファイ
バは約9dBの減衰を生み出す。
【0006】 分散補償ファイバDCFの上記の特性と可能性のある用途、および、波長分割
多元送信と光ファイバ光増幅器は、1996年の、Gelsenkirchen、Damm Publis
hersから出版された、H. Hultzschによる「Optische Telekommunikationssyste
me (Optical Telecommunications Systems)」の123ページおよび296〜
298ページに詳細に記述されている。
【0007】 他の分散補償方法は、光ファイバ格子の使用に基づく(同様に、1996年の
Gelsenkirchen、Damm Publishersから出版された、H. Hultzschによる「Optisc
he Telekommunikationssysteme (Optical Telecommunications Systems)」の
152〜153ページを同じく参照されたい)。しかし、たとえば1530nm
〜1570nmのEDFA範囲など、広い波長範囲に渡って分散を補償するため
には、約1メートルの長さの光ファイバ格子が必要となる。格子定数に関して必
要な公差と、必須の長期的な安定性を有する、非常に長い光ファイバ格子の製造
は高価であり依然として開発段階にある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的な目的は、異なる波長λを有して共に送信される光信号の分散
を補償するために、全体としてわずかなスペースしか必要としない経済的な手法
に関する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明による目的の達成は、フォトニック結晶の使用に基づいている。フォト
ニック結晶は、高い誘電率を有する誘電性素材と低い誘電率を有する誘電性素材
が、λ/3の周期またはλ/6のロッドまたはキュービック直径を有する1次元
、2次元または3次元の格子として交互に配置される周期的なアレイである。1
995年、ISBN0−691−03744−2の、J. D. Joannopoulusらによ
る「Photonic Crystals: Molding the Flow of Light」を参照されたい。
【0010】 本発明によれば、線部分を介して伝播した後に分散によって生じた通過時間の
差を示す、異なる波長で共に送信される光信号は、光ファイバ入力Eを介して、
ネットワークとして構成された構成の中に結合され、このネットワークは、光導
波管2の上に順番に置かれたK1からKnのフォトニック結晶から成り立つ。し
たがってフォトニック結晶K1からKnは、たがいに光学的に接続されている。
フォトニック結晶K1からKnは、特定の波長の信号を反射またはそらし、他の
波長を有する信号が減衰せずに通過することを可能にするように形成されている
。たとえば、第1のフォトニック結晶K1は、この結晶が第1の波長の信号を排
他的に反射するように形成されている。他の波長の光信号は減衰せずにフォトニ
ック結晶K1を通過し、下流のフォトニック結晶K2の中に結合される。第1の
フォトニック結晶K1に続く第2のフォトニック結晶K2は、第1のフォトニッ
ク結晶K1を通って送信される信号の中で、第2の波長を有する信号のみを反射
する。これは同様に、他の波長を有する信号が通過することも許可する。この原
理によると、すべての波長の信号が、それぞれの信号に割り当てられたフォトニ
ック結晶K1からKnによって反射されるまで、1つのフォトニック結晶によっ
て次のフォトニック結晶に継続して渡される。
【0011】 光ファイバ入力に結合された信号の正の分散値は個別の波長に関して知られて
いるため、K1からKnの連続的に並ぶフォトニック結晶からなるアレイ内の負
の分散によって影響を受ける(afflict)パスの長さは個別の波長によって定義
され、個別の波長の信号の分散の差を変更するかまたは完全に取り消すような大
きさで設計されている。定義された波長の信号が連続的に並ぶフォトニック結晶
K1〜Knのうち1つの中で反射される前に、その信号はすでにフォトニック結
晶の中の定義された波長を反射する要素までパス長さを通過してきており、この
ような負の分散によって影響を受けている(act upon)。このパス長さは、光フ
ァイバ入力Eと問題のフォトニック結晶K1からKnの中の反射ミラーとの間の
距離によって定義される。
【0012】 フォトニック結晶によって反射された、異なる波長の、分散が補償された信号
は再び、共有光ファイバ出力Aの中に結合され、光サーキュレータ1などの適切
なモジュールによって再送信される。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に本発明の方法を、5つの、例としての実施形態に基づいてさらに詳細に説
明する。
【0014】 たとえば3つの波長λ、λi+1、λi+2など、異なる波長λで送信さ
れる光信号が線セクション内を伝播した後、分散によって生じた通過時間の差を
示すと仮定すると、この具体的な実施形態は特に、これらの通過時間の差を補償
することに関する。しかしこれらの手法はまた、たとえば波長λ、λi+1
λi+2の個別の波長の信号に関して、定義された通過時間の差を含む予歪を設
定するオプションを含む。
【0015】 図1は分散を補償する構成を描き、ここで通過時間の差によって影響を受けた
光信号は、共有光ファイバ入力Eを介して、光サーキュレータ1に結合される。
通過時間の差によって影響を受けた光信号は、光サーキュレータ1によって、導
波管2上の選択的な反射フィルタとして順番に配置されたフォトニック結晶KS
1からKSnで構成されたモジュールに結合される。
【0016】 これに関して、フォトニック結晶KS1からKSnの各々は、光サーキュレー
タ1を介して結合された信号のうち特定の波長を有する信号のみを反射するが、
他の波長の信号は通過させるように調整される。ある波長に関して、フォトニッ
ク結晶KS1からKSnのうちどのフォトニック結晶を反射フィルタとして設計
するかを決定するのは、特定の波長の信号の、実際の通過時間の差である。通過
時間の差が大きければ大きいほど、完全な分散の補償が達成されるまで信号が移
動する光パスも長くなければならない。
【0017】 このパスは正確に計算することが可能である。1つの例としての実施形態はた
とえば、3つの異なる波長を含み、フォトニック結晶KS1は波長λの信号の
みを光サーキュレータ1に反射することを意味する。波長λi+1、λi+2
光は減衰せずにフォトニック結晶KS1を介して、フォトニック結晶KS2まで
送信される。フォトニック結晶KS2は、波長λi+1の信号のみを反射するよ
うに調整される。波長λi+2の信号は、減衰せずにフォトニック結晶KS3ま
で通過する。フォトニック結晶KS3は、波長λi+2の信号のみを反射するよ
うに調整される。この結果、光サーキュレータ1を介して結合されたすべての信
号は光サーキュレータ1に再反射される。ここで、3つの波長λ、λi+1
よびλi+2を有する、分散が補償された信号は、光サーキュレータ1によって
共有の光ファイバ出力Aに結合され、適切な下流のデバイスを介して再送信され
る。
【0018】 図2は、この送信を、選択的な反射フィルタとして設計された3つのフォトニ
ック結晶KS1〜KS3に関する波長の関数として示す。
【0019】 図3に描かれた具体的な実施形態は、調整可能な分散シフタ(dispersion shi
fter)NLO1〜NLOnが、選択的な反射フィルタとして設計されたフォトニ
ック結晶KS1〜KSnの間で導波管2の中にさらに挿入されているという点で
、図1による手法とは異なる。調整可能な分散シフタNLO1〜NLOnは、負
の分散によって生じた固定されたパス距離に加えて、さらに分散補償を可能にす
る。これに関して、分散シフタNLO1〜NLOnは、好ましくは、固定された
分散シフトと調整可能な分散シフトの合計が、個別の波長の間の分散の差を補償
できるように調整される。
【0020】 図4に再現された分散補償構成は、光サーキュレータ1なしで機能する特定の
実施形態に関する。この例では、フォトニック結晶KD1からKDnは、特定の
波長の信号を偏向するように調整される。導波管2の上に連続的に並ぶフォトニ
ック結晶KD1からKDnはドロップフィルタとして特別に設計され、所望の波
長の光信号を導波管2から横へそらし、他の波長の光信号が下流のフォトニック
結晶へ向かって通過することを可能にする。ドロップフィルタとして設計された
フォトニック結晶KD1からKDnによって波長に応じて横に濾波されて出され
た信号は、導波管セクションを介して、加算器として設計されたフォトニック結
晶KA1からKAnに光学的に送信され、光ファイバ出力Aを介して再び相互に
結合され、さらに送信される。記述された構成は、第1の例としての実施形態で
は依然として必要である光サーキュレータ1の必要性を除去する。種々の波長の
信号は、通過時間の差なく、加算器として設計されたフォトニック結晶KA1の
出力において再び現れる。図4に描かれた分散補償構成は、ドロップフィルタと
して設計されたKD1からKDnのフォトニック結晶と、加算器として設計され
たKA1からKAnのフォトニック結晶とを含み、適切な幾何学的な距離3で期
待される分散にしたがって、種々の波長の信号の分散を補償するようにセットア
ップされている。この例では、構成は可変送信を含むようにセットアップされ(
波長1から波長n)、これは導波管2の設計および期間の間隔に基づいて選択さ
れる。導波管2は3つの終端領域の幾何形状によって、波長λに応じてフォト
ニック結晶KD1〜KDnとの結合をはずされ、加算器として設計された対応す
るフォトニック結晶KA1〜KAnの中に再び結合されて合計される。ついです
べての信号は再び光ファイバ出力Aの中に結合される。この方法で、分散によっ
て生じた通過時間のずれが、すべての信号について補償される。すべての分散補
償技法の場合と同様に、ネットワークの種々のパスに関して、特別に適合した構
成要素を製造し設置することが必要である。たとえば、分散補償が実行される局
の間で標準化された距離を使用することによって、所定の標準化を達成すること
も可能である。
【0021】 図5は、本質的に図4の構成に対応する構成を示す。この構成も同様に、光フ
ァイバ入力E、ドロップフィルタとして設計され、導波管2の上に構成されたフ
ォトニック結晶KD1からKDn、加算器として設計されたフォトニック結晶K
A1〜KAn、および共有光ファイバ出力Aから構成される。
【0022】 さらに、ドロップフィルタとして設計されたフォトニック構成要素KD1から
KDnの偏向出力と、加算器として設計されたフォトニック構成要素KA1から
Kanの入力の間の光パスの上に分散シフタNLO1からNLOnがあり、これ
らの分散シフタの分散シフト効果を各波長に関して個別に調整してから、加算器
として設計されたフォトニック結晶KA1からKAnを介して、共有光ファイバ
出力Aの中に信号をフィードバックすることが可能である。所望の分散は、分散
シフタNLO1〜NLOnに異なる電圧を印加するか、温度、磁場など他の物理
パラメータの作用を介して設定される。分散シフタNLO1〜NLOnは工程に
おいて、1つまたは複数の電圧をロードし、複数の非線形光素材から作成するこ
とが可能である。分散シフタNLO1からNLOnは、好ましくはプレーナ導波
管(planar)4を介して接続されるか、またフォトニック結晶導波管を介して接
続され、どちらの場合でも、加算器として割り当てられたフォトニック結晶KA
1からKAnに接続される。個別の波長の電圧に関して適切な素材を選択し電圧
を定格することにより、所望の追加の分散を粗調整するかまたは微調整すること
が可能である。この種の非線形の光要素NLOは、図5によるセットアップが、
応用の特定の条件の所定の限度に適合することを可能にする。したがって、図5
による構成は汎用的な応用可能性を有する。非線形の光分散シフタNLO1〜N
LOnは、たとえば、液晶で充満したフォトニック結晶構造から作成することが
可能である。また、非線形の光ポリマで充満した結晶ロッド構造または穴構造の
使用も考えられる。これらの構造は必要な、非線形の光分散シフトの関数として
調整された電場内で構成される。このコンテキストでは、特定の、光学的に非線
形の分散シフトは個別の波長に関する補償パス長さの関数として決定される。
【0023】 分散シフタNLO1からNLOnが、ドロップ要素として形成されたフォトニ
ック結晶KD1〜KDnと、加算器として機能するフォトニック結晶KA1から
KAnの間に光学的に挿入されている場合、波長ごとに別々に調整が行われる。
したがって、この構成は、個別の波長の各々に関して、必要な分散シフトを個別
に調節することを可能にする。
【0024】 別法としては、図6の別の有利な特定の実施形態では、分散シフタNLO1か
らNLOnは、ドロップフィルタとして設計された個別のフォトニック結晶KD
1〜KDnの間での光パス(導波管2)内に置くことが可能である。この場合、
分散シフタNLO1〜NLOnは、異なる波長に同時に作用する。分散シフタN
LO1からNLOnの作用は、分散シフタから分散シフタへ種々の波長について
プロセスの中で加算することである。信号は、ドロップフィルタとして設計され
たフォトニック結晶KD1〜KDnと、加算器として設計されたフォトニック結
晶KA1〜KAnとの間の導波管を介してフィードバックされ、合計されて、光
ファイバ出力Aの中に再びフィードバックされる。
【0025】 本発明の手法は、約100cmの長さのチャープ式格子(chirped gratings)
として構成される従来の回折格子の約1000分の1の長さである、高品質のフ
ォトニック結晶追加ドロップフィルタを組み立てることを可能にする。本発明の
手法は、サイズが数センチメートルのチップ上に収容される分散補償構成を構成
することを可能にする。このチップ構成要素は温度の安定性が大きいという利点
を有するので、温度の範囲が大きな場合でも使用可能である。さらに、図4、図
5および図6の具体的な実施形態では、コストのかかるサーキュレータ2の必要
性が排除される。動作を改善することに加えて、本発明は知られた、従来の構成
に基づいた手法よりも経済的な手法を提供する。電気的に調整可能な分散シフタ
NLO1からNLOnは、与えられたパス長さが異なっていても、この手法を個
別に特定の要件に適合させることを可能にする。
【0026】 ソリッドステートの導波管技術を使用して、開口部の付いたマスクの適切なパ
ターン化など、3次元の追加リソグラフィ(additive lithography)または電解
質の、光でサポートされたシリコンのエッチングを使用することによって、本発
明の分散補償構成の実際の設計を実装することが可能である。
【符号の説明】
参照符号の表 E 光ファイバ入力 A 光ファイバ出力 1 光サーキュレータ 2 導波管 3 フォトニック結晶間の幾何学的な距離 4 プレーナ導波管 K1〜Kn フォトニック結晶 KS1〜KSn 選択的な反射フィルタとして設計されたフォトニック結晶 KD1〜KDn ドロップ要素として設計されたフォトニック結晶 KA1〜KAn 加算器として設計されたフォトニック結晶 NLO1〜NLO4 分散シフタ λ 波長
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2H047 KA03 LA18 MA05 NA08 RA08 TA01 TA11 2K002 AA02 AB40 DA08 DA20 HA13 5K002 AA07 BA02 BA05 CA01 DA02 FA01

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 異なる波長を有して共に送信される光信号の分散を補償する方法であって、 該送信される光信号は、少なくとも1つの導波管(2)の上に順番に置かれ、
    光学的に相互接続されたフォトニック結晶(K1〜Kn)からなる構成の中に相
    互に結合され、 前記フォトニック結晶各々の中で、各々の場合で、1つの波長の信号のみが反
    射またはそらされ、他の波長の信号は減衰せずに下流のフォトニック結晶に送信
    され、 前記各波長の信号が結合されるポイントから、該信号が反射または偏向される
    特定のフォトニック結晶(K1〜Kn)のポイントまでのパス長さは、前記結合
    された信号の正の分散を変更するかまたは完全に取り消す負の分散による作用を
    受け、その結果生じたすべての波長の信号は続いて共に送信される方法。
  2. 【請求項2】 分散シフタ、NLO1〜NLOn)によってあらかじめ設定された限度内の分
    散の差は、前記導波管(2)に挿入された該分散シフタ(NLO1〜NLOn)
    によって補償することができる請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 異なる波長を有し、共に送信される光信号の分散を補償する構成であって、 該構成はフォトニック結晶(K1〜Kn)からなり、該フォトニック結晶(K
    1〜Kn)は各波長の分散の関数として該各波長に永久的に割り当てられ、該フ
    ォトニック結晶(K1〜Kn)は少なくとも1つの共有光導波管(2)の上に配
    置され、該フォトニック結晶(K1〜Kn)の各々は1つの波長の信号を反射ま
    たは偏向し、他の波長の信号を減衰せずに送信するように調整され、 前記特定の波長の信号が反射または偏向される前記フォトニック結晶(K1〜
    Kn)の中の位置は、入力(E)からこのポイントまで移動したパスによって信
    号の分散補償を実行するように選択され、前記フォトニック結晶は前記反射また
    は偏向されたすべての波長の信号をさらに送信する準備状態である少なくとも1
    つのモジュールに光学的に接続される構成。
  4. 【請求項4】 少なくとも2つの異なる波長(λ)および(λi+1)を有する光信号の場
    合に、前記構成は選択反射フィルタとして設計され、導波管(2)の上に順番に
    置かれた少なくとも2つのフォトニック結晶(KS1〜KS2)から成り立ち、
    前記結晶は光サーキュレータ(1)を介して光ファイバ入力(E)および光ファ
    イバ出力(A)に接続され、第1のフォトニック結晶(KS1)は第1の波長(
    λ)に対する反射フィルタとして設計され、第2のフォトニック結晶(KS2
    )は第2の波長(λi+1)に対する反射フィルタとして設計されている請求項
    3に記載の分散補償構成。
  5. 【請求項5】 種々の波長について同時に、前記負の分散を粗調整するかまたは微調整するた
    めに、非線形光素材の制御可能な分散シフタNLO1からNLOnは、選択反射
    格子として設計された前記フォトニック結晶(KS1〜KSn)の間に光学的に
    結合される請求項3および請求項4に記載の構成。
  6. 【請求項6】 少なくとも2つの異なる波長(λ)および(λi+1)を有する光信号の場
    合、前記導波管(2)は2つの反対向きの部分セクションから成り立ち、第1の
    部分セクションは前記光ファイバ入力(E)に割り当てられ、第2の部分セクシ
    ョンは前記光ファイバ出力(A)に割り当てられ、 ドロップ要素として設計された少なくとも2つのフォトニック結晶(KD1お
    よびKD2)は第1のファイバセクション(2)の上に順番に配置され、1つの
    波長の信号を横にそらす(repel)出力を含み、 加算器として設計された少なくとも2つのフォトニック構成要素(KA1、K
    A2)は第2のファイバセクションに順番に配置され、 ドロップ要素として設計されたフォトニック結晶(KD1、KD2)の各々は
    、該フォトニック結晶の横にそらす出力を介して、加算器として設計された前記
    フォトニック結晶(KA1、KA2)の反対側に位置する入力に光学的に接続さ
    れている請求項3に記載の分散補償構成。
  7. 【請求項7】 個別の波長の各々の負の分散を同時に、粗調整するかまたは微調整するために
    、非線形光素材の制御可能な分散シフタNLO1からNLOnは、ドロップ要素
    として設計された前記フォトニック結晶(KD1〜KDn)と、加算器として設
    計された前記フォトニック結晶(KA1〜KAn)との、横方向に配置された出
    力の間の光学的な接続に光学的に結合されている請求項3および請求項6に記載
    の構成。
  8. 【請求項8】 種々の波長に関する負の分散を同時に、ほぼ調整するかまたは微調整するため
    に、非線形光素材の制御可能な分散シフタ(NLO1〜NLO3)は、ドロップ
    フィルタとして設計されたフォトニック結晶(K3〜K4)から上流の第1の導
    波管セクション(2)に光学的に結合されている請求項3および請求項6に記載
    の構成。
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