JP2004093677A - 光導波路型回折格子素子、光導波路型回折格子素子製造方法、合分波モジュールおよび光伝送システム - Google Patents
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Abstract
【課題】反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散の絶対値を小さくすることができる光導波路型回折格子素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る光導波路型回折格子素子は、この光導波路を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを回折格子により選択的に反射する光導波路型回折格子素子であって、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり（図（ｂ））、反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下であり（図（ｃ））、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下である（図（ｄ））。
【選択図】 図１２
【解決手段】本発明に係る光導波路型回折格子素子は、この光導波路を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを回折格子により選択的に反射する光導波路型回折格子素子であって、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり（図（ｂ））、反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下であり（図（ｃ））、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下である（図（ｄ））。
【選択図】 図１２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成された光導波路型回折格子素子、この光導波路型回折格子素子を含み信号光を合波または分波する合分波モジュール、および、この合分波モジュールを含み多波長の信号光を用いて光伝送を行う光伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路型回折格子素子は、光導波路（例えば光ファイバ）における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成されたものであって、この光導波路を導波する光のうち所定の反射帯域内の光を回折格子により選択的に反射することができる。また、この光導波路型回折格子素子を含む合分波モジュールは、光導波路型回折格子素子により反射帯域内の光を選択的に反射することで光を合波または分波することができ、波長多重した多波長の信号光を用いて光伝送を行う波長多重（ＷＤＭ： Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システム等において用いられる。
【０００３】
一般に、光導波路型回折格子素子は、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って一定周期Λの屈折率変調による回折格子が形成されていて、この回折格子により、λ＝２Ｎ・Λ なる式で表されるブラッグ条件式を満たす波長λの信号光を選択的に反射し、他の波長の信号光を透過させる。ここで、Ｎは光導波路の屈折率変調領域における平均の実効的屈折率である。
【０００４】
また、互いに異なる周期Λｍの屈折率変調によるＭ個の回折格子を光導波路の光導波方向の互いに異なる範囲に形成することで、この光導波路型回折格子素子は、Ｍ個の波長λｍ（＝２Ｎ・Λｍ）それぞれの信号光を選択的に反射することができる（ｍ＝１〜Ｍ、ただしＭ≧２）。しかしながら、このような複数の波長の信号光を選択的に反射する光導波路型回折格子素子は、複数の回折格子それぞれが光導波路の光導波方向の互いに異なる範囲に形成されているので、全体として長くなり、コストが高くなる。
【０００５】
これに対して、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成された光導波路型回折格子素子であって、この光導波路を導波する信号光のうち複数の波長の信号光を回折格子により選択的に反射するものが知られている。例えば、上記所定範囲における屈折率変調の振幅分布がｓｉｎｃ関数型とされた光導波路型回折格子素子や、上記所定範囲に周期Λｍ（ｍ＝１〜Ｍ）の屈折率変調が重ねて形成された光導波路型回折格子素子は、光導波路における光導波方向の１つの範囲のみに屈折率変調による回折格子が形成されているので、全体として短く、コストが安い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような複数波長の信号光を選択的に反射することができる光導波路型回折格子素子は、全体として短くすることができるものの、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれの反射の際に波長分散が生じるという問題がある。すなわち、回折格子における信号光の反射が回折格子内の光導波方向のあらゆる位置で起きることから、実効的な反射位置が波長に応じたものとなり、これに因り反射光に群遅延が生じる。反射帯域内の群遅延時間の波長依存性が大きいと、光導波路型回折格子素子で反射することにより信号光の波形が劣化して、受信誤りが生じ易くなり、ＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散の絶対値を小さくすることができる光導波路型回折格子素子、および、この光導波路型回折格子素子を製造する方法を提供することを目的とする。また、このような光導波路型回折格子素子を含む合分波モジュール、および、この合分波モジュールを含む光伝送システムを提供することをも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成されており、この光導波路を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを回折格子により選択的に反射する光導波路型回折格子素子であって、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり、反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下（好適には−３０ｄＢ以下）であり、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下（好適には１ｐｓ以下）である、ことを特徴とする。
【０００９】
この光導波路型回折格子素子によれば、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする上記反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が小さい。このことから、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散を小さくすることができる。
【００１０】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる波長分散の絶対値が０．８ｐｓ／ｎｍ以下であるのが好適である。この場合には、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散の絶対値が充分に小さいので、高品質の光伝送システムにおいて好適に用いられ得る。
【００１１】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有するのが好適である。この場合には、上記の群遅延時間または波長分散の特性を実現する上で好適である。
【００１２】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅絶対値が所定範囲の中心に対して対称であるのが好適である。この場合には、この光導波路型回折格子素子は、何れの側から信号光が入射した場合にも同等の特性を有することから、例えば、光ＡＤＭの一部品として用いられる場合に１つのみを用いればよい。
【００１３】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、反射帯域内の複数波長それぞれでの透過率が互いに異なるのが好適であり、また、反射帯域内の複数波長のうち最短波長または最長波長での透過率と、反射帯域の中央部での透過率とが、互いに異なるのが好適である。この場合には、反射帯域外の各信号光に対する反射率を容易に小さく抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る光導波路型回折格子素子製造方法は、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を製造する方法であって、回折格子の屈折率変調を複数の屈折率変調周期それぞれの関数の和として表し、複数の屈折率変調周期それぞれの値の最適化を行なって設計して、これに基づいて光導波路型回折格子素子を製造することを特徴とする。或いは、回折格子の屈折率変調の振幅分布を非線形計画法により設計して、これに基づいて光導波路型回折格子素子を製造することを特徴とする。この製造方法によれば、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を製造する上で好適である。
【００１５】
本発明に係る合分波モジュールは、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を含み、この光導波路型回折格子素子により反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射して、信号光を合波または分波することを特徴とする。この合分波モジュールは、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を含むものであり、回折格子により反射帯域内の信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した信号光の波形の劣化が抑制される。
【００１６】
本発明に係る光伝送システムは、波長多重した多波長の信号光を用いて光伝送を行う光伝送システムであって、上記の本発明に係る合分波モジュールを含み、この合分波モジュールにより多波長の信号光を合波または分波することを特徴とする。この光伝送システムは、上記の本発明に係る合分波モジュールを含むものであり、信号光の波形の劣化が抑制されることから、ＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
先ず、本発明に係る光導波路型回折格子素子およびその製造方法の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００の説明図である。この図は、光軸を含む面で切断したときの光導波路型回折格子素子１００の断面図を示している。この光導波路型回折格子素子１００は、光導波路である光ファイバ１１０に回折格子１１３が形成されたものである。光ファイバ１１０は、石英ガラスを主成分とするものであって、光軸中心を含むコア領域１１１にＧｅＯ２が添加されており、このコア領域１１１を取り囲んでクラッド領域１１２が設けられている。この光ファイバ１１０における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子１１３が形成されている。
【００１９】
回折格子１１３が形成された所定範囲の中心位置を原点とするｚ軸を光導波方向に設定すると、この回折格子１１３の屈折率変調ｎ（ｚ）は、
【数１】
なる式で表される。ここで、Ｍは反射すべき信号光の波長の数である。回折格子１１３は、Ｍ個（Ｍは２以上の整数）の回折格子が重畳されて形成されたものであり、その重畳されたＭ個の回折格子のうちの第ｍ番目の回折格子は、反射すべき信号光の波長λｍに応じたものである（ｍ＝１〜Ｍ）。ｎ０は平均屈折率である。また、Δｎｍ（ｚ）は第ｍ番目の回折格子のアポダイズ関数であり、Λ０＋ΔΛｍは第ｍ番目の回折格子の周期であり、θｍは第ｍ番目の回折格子の位置ｚ＝０における位相である。
【００２０】
上記（１）式は、Λ０がΔΛｍより十分に大きいとすると、
【数２】
【００２１】
なる式で近似される。ここで、上記（２ｂ）式の関数Ｆ（ｚ）は、回折格子１１３がｚ＝−Ｌ／２からｚ＝＋Ｌ／２までの範囲に亘って形成されていて、Ｆ（−Ｌ／２）およびＦ（＋Ｌ／２）それぞれの値が０であり、関数Ｆ（ｚ）が奇関数であるとして、フーリエ級数展開により表されたものである（ただし、有限個数Ｎの和として近似）。
【００２２】
なお、上記（２ｂ）式に替えて、
【数３】
または
【数４】
なる式で表される関数Ｆ（ｚ）を用いてもよい。ここで、（３）式の関数Ｆ（ｚ）は、Ｆ（ｚ）が遇関数であるとして、フーリエ級数展開により表されたものである（ただし、有限個数Ｎの和として近似）。また、（４）式の関数Ｆ（ｚ）は、上記（２ｂ）式と上記（３）式とを加えた一般形である。
【００２３】
このように、光導波路型回折格子素子１００の回折格子１１３における屈折率変調ｎ（ｚ）は、Ｍ個の屈折率変調周期（Λ０＋ΔΛｍ）それぞれの関数の和として表される（上記（１）式）。そして、光導波路型回折格子素子１００は、これらＭ個の屈折率変調周期（Λ０＋ΔΛｍ）それぞれの値が最適化されて設計され、これに基づいて製造される。或いは、光導波路型回折格子素子１００は、回折格子の屈折率変調の振幅分布が非線形計画法（例えばＳｉｍｕｌａｔｅｄ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ法）により設計されて、これに基づいて製造される。
【００２４】
光導波路型回折格子素子１００は、光ファイバ１１０を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内のＭ波の信号光それぞれを回折格子１１３により選択的に反射する。この光導波路型回折格子素子１００が光伝送システムにおいて用いられるものである場合には、この光導波路型回折格子素子１００に入力する多波長の信号光は、ＩＴＵ規格により規定される一定の光周波数間隔のものである。
【００２５】
そして、光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり、反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下（より好適には−３０ｄＢ以下）である。さらに、光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子１１３による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下（より好適には１ｐｓ以下）である。また、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子１１３による該信号光の反射により生じる波長分散の絶対値が０．８ｐｓ／ｎｍ以下であるのが好適である。
【００２６】
このように構成される光導波路型回折格子素子１００は、１つの所定範囲に回折格子１１３が形成されているので、小型化が可能である。また、この光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれを高反射率で選択的に反射させることができ、反射帯域外の各信号光を高透過率で透過させることができる。しかも、この光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれを選択的に反射させる際に生じる波長分散が小さい。
【００２７】
また、光導波路型回折格子素子１００は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有するのが好適であり、この場合には、上記のような諸特性を有する光導波路型回折格子素子１００を実現する上で好適である。また、光導波路型回折格子素子１００は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅絶対値が所定範囲の中心に対して対称であるのが好適であり、この場合には、１つの光導波路型回折格子素子１００を用いるのみで光ＡＤＭを構成することができる。また、光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内の複数波長それぞれでの透過率が互いに異なるのが好適であり、また、反射帯域内の複数波長のうち最短波長または最長波長での透過率と、反射帯域の中央部での透過率とが、互いに異なるのが好適である。この場合には、反射帯域外の各信号光に対する反射率を容易に小さく抑制することができる。また、反射帯域内の群遅延変動を容易に小さく抑制することができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る光導波路型回折格子素子の具体的な設計例について説明する。以下では、光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔λｉ＝０．８ｎｍ）の波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光が光導波路型回折格子素子に入力するものとし、そのうちの連続する４波長の信号光が光導波路型回折格子素子により選択的に反射されるものとする。そして、透過率が−２０ｄＢ以下である反射帯域が上記４波長の各中心波長に対して±０．２１ｎｍの範囲であるとする。また、以下では、上記４波長の全体の中心波長をλ０と表す。
【００２９】
第１設計例Ａ，Ｂでは、反射帯域内の４波長（λ０−０．１２ｎｍ，λ０−０．０４ｎｍ，λ０＋０．０４ｎｍ，λ０＋０．１２ｎｍ）それぞれに対応して、一定の周期差の４つの屈折率変調周期それぞれの回折格子が重ね書きされるとして、反射帯域内における透過率、反射帯域外における反射率および反射波長における波長分散が最小となるように、非線形計画法により最適化した。図２は、第１設計例Ａによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図３は、第１設計例Ａによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。図４は、他の第１設計例Ｂによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図５は、第１設計例Ｂによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。各図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、各図（ｂ）は透過率Ｔおよび反射率Ｒそれぞれの波長依存性を示し、各図（ｃ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、各図（ｄ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。これらの図から判るように、第１設計例Ａ，Ｂそれぞれでは、反射帯域内の４波長が目標値と異なったものとなっており、中心波長λ０との差が大きいほど、各信号光間の波長間隔が広くなった。このことから、各反射帯域内の波長分散の最大値は３００ｐｓ／ｎｍを超える大きな値となった。
【００３０】
第２設計例では、重ね書きされる４つの回折格子それぞれの屈折率変調周期は、一定の周期差ではなく、中央２波長（λ０−０．０４ｎｍ，λ０＋０．０４ｎｍ）および両端２波長（λ０−０．１２ｎｍ，λ０＋０．１２ｎｍ）それぞれに対して屈折率変調周期を最適化した。図６は、第２設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図７は、第２設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図８は、第２設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。各図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、各図（ｂ）は透過率Ｔおよび反射率Ｒそれぞれの波長依存性を示し、各図（ｃ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、各図（ｄ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。この図から判るように、第２設計例では、反射帯域内の４波長が目標値と略等しくなっており、各反射帯域内の波長分散の最大値は４９．８ｐｓ／ｎｍであった。
【００３１】
第３設計例では、重ね書きされる４つの回折格子それぞれの屈折率変調周期は、一定の周期差ではなく、中央２波長（λ０−０．０４ｎｍ，λ０＋０．０４ｎｍ）と両端２波長（λ０−０．１２ｎｍ，λ０＋０．１２ｎｍ）とで個別に屈折率変調周期を最適化した。図９は、第３設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図１０は、第３設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図１１は、第３設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。各図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、各図（ｂ）は透過率Ｔおよび反射率Ｒそれぞれの波長依存性を示し、各図（ｃ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、各図（ｄ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。この図から判るように、第３設計例では、反射帯域内の４波長が目標値と略等しくなっており、各反射帯域内の波長分散の最大値は１４．４ｐｓ／ｎｍであった。
【００３２】
第４設計例では、上記（２）式に基づいて、反射帯域内における透過率、反射帯域外における反射率および反射波長における波長分散が最小となるように、非線形計画法により最適化した。図１２は、第４設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。同図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、同図（ｂ）は透過率Ｔの波長依存性を示し、同図（ｃ）は反射率Ｒの波長依存性を示し、同図（ｄ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、同図（ｅ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。この図から判るように、第４設計例では、屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有しており、反射帯域内の４波長が目標値と略等しくなっており、各反射帯域内の波長分散の絶対値の最大値は０．８ｐｓ／ｎｍ以下であり、各反射帯域内の群遅延時間の偏差が０．０５ｐｓ以下であった。この光導波路型回折格子素子は、高速伝送レートの通信に用いられるものとして充分な特性を有している。
【００３３】
上記設計の光導波路型回折格子素子を実際に製造して評価したところ、設計と同等の反射帯域幅で、設計特性に略等しい特性が得られた。反射帯域外の反射率が−１５ｄＢ以下であり、反射帯域内の信号光の反射の際の群遅延時間の偏差が５ｐｓ以下であった。
【００３４】
なお、上記の設計例では、光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔０．８ｎｍ）の波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光が光導波路型回折格子素子に入力するものとして、そのうちの連続する４波長の信号光が光導波路型回折格子素子により選択的に反射されるものとした。しかし、これに限られることはなく、光周波数間隔が５０ＧＨｚの場合にも適用可能であり、また、反射される信号光の波数が更に多くても適用可能である。また、上記の設計例では、透過率が−２０ｄＢ以下である反射帯域が各中心波長に対して±０．２１ｎｍの範囲であるとしたが、光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔０．８ｎｍ）の場合には反射帯域が各中心波長に対して±０．１５ｎｍの範囲（各反射帯域幅と波長間隔との比が０．３７５）でよく、光周波数間隔５０ＧＨｚ（波長間隔０．４ｎｍ）の場合には反射帯域が各中心波長に対して±０．０８ｎｍの範囲（各反射帯域幅と波長間隔との比が０．４）でよい。
【００３５】
次に、本発明に係る合分波モジュールの実施形態について説明する。以下に説明する合分波モジュール１０は、上記の実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００を含むものである。以下では、Ｍ波の波長λ１〜λＭの信号光を考え、これらのうちの連続する４つの波長λｍ１〜λｍ４それぞれの信号光を光導波路型回折格子素子１００が選択的に反射するものとして説明する。
【００３６】
図１３は、本実施形態に係る合分波モジュール１０の説明図である。この合分波モジュール１０は、光導波路型回折格子素子１００の一端に光サーキュレータ２１０が接続され、光導波路型回折格子素子１００の他端に光サーキュレータ２２０が接続されて構成されている。光サーキュレータ２１０は、第１端子２１１、第２端子２１２および第３端子２１３を有しており、第１端子２１１に入力した信号光を第２端子２１２より光導波路型回折格子素子１００へ出力し、第２端子２１２に入力した信号光を第３端子２１３より出力する。また、光サーキュレータ２２０は、第１端子２２１、第２端子２２２および第３端子２２３を有しており、第１端子２２１に入力した信号光を第２端子２２２より光導波路型回折格子素子１００へ出力し、第２端子２２２に入力した信号光を第３端子２２３より出力する。
【００３７】
この合分波モジュール１０では、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光が入力すると、これらの信号光は、光サーキュレータ２１０の第２端子２１２より光導波路型回折格子素子１００へ出力され、光導波路型回折格子素子１００を透過して、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２に入力し、光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力される。また、光サーキュレータ２２０の第１端子２２１に波長λｍ１〜λｍ４の各信号光が入力すると、これらの信号光は、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２より光導波路型回折格子素子１００へ出力され、光導波路型回折格子素子１００で反射して、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２に入力し、光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力される。すなわち、この場合には、この合分波モジュール１０は、合波器として動作し、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光と、光サーキュレータ２２０の第１端子２２１に入力した波長λｍ１〜λｍ４の各信号光とを合波して、その合波した波長λ１〜λＭの信号光を光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力する。なお、合分波モジュール１０が合波器としてのみ用いられる場合には光サーキュレータ２１０は不要である。
【００３８】
また、この合分波モジュール１０では、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に波長λ１〜λＭの信号光が入力すると、これらの信号光は、光サーキュレータ２１０の第２端子２１２より光導波路型回折格子素子１００へ出力される。そして、これらの信号光のうち、波長λｍ１〜λｍ４の各信号光は、光導波路型回折格子素子１００で反射して、光サーキュレータ２１０の第２端子２１２に入力し、光サーキュレータ２１０の第３端子２１３より出力される。一方、波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光は、光導波路型回折格子素子１００を透過して、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２に入力し、光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力される。すなわち、この場合には、この合分波モジュール１０は、分波器として動作し、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭを分波して、波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を光サーキュレータ２１０の第３端子２１３より出力し、波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光を光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力する。なお、合分波モジュール１０が分波器としてのみ用いられる場合には光サーキュレータ２２０は不要である。
【００３９】
さらに、この合分波モジュール１０は、合波器として動作するとともに、分波器としても動作することにより、光ＡＤＭ（Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）としても動作する。すなわち、この合分波モジュール１０は、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭのうち波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を光サーキュレータ２１０の第３端子２１３より出力（Ｄｒｏｐ）するとともに、他の情報を担う波長λｍ１〜λｍ４の信号を光サーキュレータ２２０の第１端子２２１より入力（Ａｄｄ）する。そして、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭのうちの波長λｍ１〜λｍ４を除く各信号光と、光サーキュレータ２２０の第１端子２２１に入力した波長λ１〜λＭの各信号光とを合波して、その合波した波長λ１〜λＭの信号光を光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力する。
【００４０】
この合分波モジュール１０は、既述した小型であって波長分散が小さく前後対称である光導波路型回折格子素子１００を含む。したがって、この合分波モジュール１０は、光導波路型回折格子素子１００の回折格子１１３により反射帯域内の信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した信号光の波形の劣化が抑制され、この合分波モジュール１０が用いられるＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができる。また、この合分波モジュール１０は、小型であり、また、合波および分波の双方が可能なもの（光ＡＤＭ）であっても、１個の光導波路型回折格子素子を含むだけで充分であるから、この点でも小型である。
【００４１】
次に、本発明に係る光伝送システムの実施形態について説明する。図１４は、本実施形態に係る光伝送システム１の概略構成図である。この光伝送システム１は、送信局２と中継局３との間が光ファイバ伝送路５で接続され、中継局３と受信局４との間も光ファイバ伝送路６で接続されており、また、中継局３に合分波モジュール１０が設けられている。
【００４２】
送信局２は、波長λ１〜λＭの信号光を波長多重して光ファイバ伝送路５へ送出する。中継局３は、光ファイバ伝送路５を伝搬してきた波長λ１〜λＭの信号光を入力し、これらを合分波モジュール１０により分波して、波長λｍ１〜λｍ４を除く各信号光を光ファイバ伝送路６へ送出し、波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を他の光ファイバ伝送路へ送出する。また、中継局３は、合分波モジュール１０により、他の光ファイバ伝送路を経て入力した波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を光ファイバ伝送路６へ送出する。受信局４は、光ファイバ伝送路６を伝搬してきた波長λ１〜λＭの信号光を入力し、これらを各波長に分波して受信する。
【００４３】
この光伝送システム１は、上記の本実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００を含む合分波モジュール１０を用いて、波長λ１〜λＭの信号光を合波または分波するものである。したがって、中継局３内の合分波モジュール１０に含まれる光導波路型回折格子素子１００により反射帯域内の波長λｍ１〜λｍ４の各信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した波長λｍ１〜λｍ４の各信号光の波形の劣化が抑制され、大容量のＷＤＭ伝送が可能である。
【００４４】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態の光導波路型回折格子素子は、光導波路である光ファイバに屈折率変調による回折格子が形成されたものであった。しかし、これに限られず、平面基板上に形成された光導波路に屈折率変調による回折格子が形成されたものであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光導波路型回折格子素子は、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする上記反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が小さい。このことから、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散を小さくすることができる。
【００４６】
また、この光導波路型回折格子素子を含む合分波モジュールは、回折格子により反射帯域内の信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した信号光の波形の劣化が抑制される。また、この合分波モジュールを含む光伝送システムは、信号光の波形の劣化が抑制されることから、ＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００の説明図である。
【図２】第１設計例Ａによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図３】第１設計例Ａによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図４】第１設計例Ｂによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図５】第１設計例Ｂによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図６】第２設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図７】第２設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図８】第２設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図９】第３設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１０】第３設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１１】第３設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１２】第４設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１３】本実施形態に係る合分波モジュール１０の説明図である。
【図１４】本実施形態に係る光伝送システム１の概略構成図である。
【符号の説明】
１…光伝送システム、２…送信局、３…中継局、４…受信局、５，６…光ファイバ伝送路、１０…合分波モジュール、１００…光導波路型回折格子素子、１１０…光ファイバ（光導波路）、１１１…コア領域、１１２…クラッド領域、１１３…回折格子、２１０，２２０…光サーキュレータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成された光導波路型回折格子素子、この光導波路型回折格子素子を含み信号光を合波または分波する合分波モジュール、および、この合分波モジュールを含み多波長の信号光を用いて光伝送を行う光伝送システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光導波路型回折格子素子は、光導波路（例えば光ファイバ）における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成されたものであって、この光導波路を導波する光のうち所定の反射帯域内の光を回折格子により選択的に反射することができる。また、この光導波路型回折格子素子を含む合分波モジュールは、光導波路型回折格子素子により反射帯域内の光を選択的に反射することで光を合波または分波することができ、波長多重した多波長の信号光を用いて光伝送を行う波長多重（ＷＤＭ： Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送システム等において用いられる。
【０００３】
一般に、光導波路型回折格子素子は、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って一定周期Λの屈折率変調による回折格子が形成されていて、この回折格子により、λ＝２Ｎ・Λ なる式で表されるブラッグ条件式を満たす波長λの信号光を選択的に反射し、他の波長の信号光を透過させる。ここで、Ｎは光導波路の屈折率変調領域における平均の実効的屈折率である。
【０００４】
また、互いに異なる周期Λｍの屈折率変調によるＭ個の回折格子を光導波路の光導波方向の互いに異なる範囲に形成することで、この光導波路型回折格子素子は、Ｍ個の波長λｍ（＝２Ｎ・Λｍ）それぞれの信号光を選択的に反射することができる（ｍ＝１〜Ｍ、ただしＭ≧２）。しかしながら、このような複数の波長の信号光を選択的に反射する光導波路型回折格子素子は、複数の回折格子それぞれが光導波路の光導波方向の互いに異なる範囲に形成されているので、全体として長くなり、コストが高くなる。
【０００５】
これに対して、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成された光導波路型回折格子素子であって、この光導波路を導波する信号光のうち複数の波長の信号光を回折格子により選択的に反射するものが知られている。例えば、上記所定範囲における屈折率変調の振幅分布がｓｉｎｃ関数型とされた光導波路型回折格子素子や、上記所定範囲に周期Λｍ（ｍ＝１〜Ｍ）の屈折率変調が重ねて形成された光導波路型回折格子素子は、光導波路における光導波方向の１つの範囲のみに屈折率変調による回折格子が形成されているので、全体として短く、コストが安い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような複数波長の信号光を選択的に反射することができる光導波路型回折格子素子は、全体として短くすることができるものの、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれの反射の際に波長分散が生じるという問題がある。すなわち、回折格子における信号光の反射が回折格子内の光導波方向のあらゆる位置で起きることから、実効的な反射位置が波長に応じたものとなり、これに因り反射光に群遅延が生じる。反射帯域内の群遅延時間の波長依存性が大きいと、光導波路型回折格子素子で反射することにより信号光の波形が劣化して、受信誤りが生じ易くなり、ＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができない。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散の絶対値を小さくすることができる光導波路型回折格子素子、および、この光導波路型回折格子素子を製造する方法を提供することを目的とする。また、このような光導波路型回折格子素子を含む合分波モジュール、および、この合分波モジュールを含む光伝送システムを提供することをも目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成されており、この光導波路を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを回折格子により選択的に反射する光導波路型回折格子素子であって、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり、反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下（好適には−３０ｄＢ以下）であり、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下（好適には１ｐｓ以下）である、ことを特徴とする。
【０００９】
この光導波路型回折格子素子によれば、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする上記反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が小さい。このことから、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散を小さくすることができる。
【００１０】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる波長分散の絶対値が０．８ｐｓ／ｎｍ以下であるのが好適である。この場合には、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散の絶対値が充分に小さいので、高品質の光伝送システムにおいて好適に用いられ得る。
【００１１】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有するのが好適である。この場合には、上記の群遅延時間または波長分散の特性を実現する上で好適である。
【００１２】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅絶対値が所定範囲の中心に対して対称であるのが好適である。この場合には、この光導波路型回折格子素子は、何れの側から信号光が入射した場合にも同等の特性を有することから、例えば、光ＡＤＭの一部品として用いられる場合に１つのみを用いればよい。
【００１３】
本発明に係る光導波路型回折格子素子は、反射帯域内の複数波長それぞれでの透過率が互いに異なるのが好適であり、また、反射帯域内の複数波長のうち最短波長または最長波長での透過率と、反射帯域の中央部での透過率とが、互いに異なるのが好適である。この場合には、反射帯域外の各信号光に対する反射率を容易に小さく抑制することができる。
【００１４】
本発明に係る光導波路型回折格子素子製造方法は、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を製造する方法であって、回折格子の屈折率変調を複数の屈折率変調周期それぞれの関数の和として表し、複数の屈折率変調周期それぞれの値の最適化を行なって設計して、これに基づいて光導波路型回折格子素子を製造することを特徴とする。或いは、回折格子の屈折率変調の振幅分布を非線形計画法により設計して、これに基づいて光導波路型回折格子素子を製造することを特徴とする。この製造方法によれば、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を製造する上で好適である。
【００１５】
本発明に係る合分波モジュールは、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を含み、この光導波路型回折格子素子により反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射して、信号光を合波または分波することを特徴とする。この合分波モジュールは、上記の本発明に係る光導波路型回折格子素子を含むものであり、回折格子により反射帯域内の信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した信号光の波形の劣化が抑制される。
【００１６】
本発明に係る光伝送システムは、波長多重した多波長の信号光を用いて光伝送を行う光伝送システムであって、上記の本発明に係る合分波モジュールを含み、この合分波モジュールにより多波長の信号光を合波または分波することを特徴とする。この光伝送システムは、上記の本発明に係る合分波モジュールを含むものであり、信号光の波形の劣化が抑制されることから、ＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
先ず、本発明に係る光導波路型回折格子素子およびその製造方法の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００の説明図である。この図は、光軸を含む面で切断したときの光導波路型回折格子素子１００の断面図を示している。この光導波路型回折格子素子１００は、光導波路である光ファイバ１１０に回折格子１１３が形成されたものである。光ファイバ１１０は、石英ガラスを主成分とするものであって、光軸中心を含むコア領域１１１にＧｅＯ２が添加されており、このコア領域１１１を取り囲んでクラッド領域１１２が設けられている。この光ファイバ１１０における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子１１３が形成されている。
【００１９】
回折格子１１３が形成された所定範囲の中心位置を原点とするｚ軸を光導波方向に設定すると、この回折格子１１３の屈折率変調ｎ（ｚ）は、
【数１】
【００２０】
上記（１）式は、Λ０がΔΛｍより十分に大きいとすると、
【数２】
なる式で近似される。ここで、上記（２ｂ）式の関数Ｆ（ｚ）は、回折格子１１３がｚ＝−Ｌ／２からｚ＝＋Ｌ／２までの範囲に亘って形成されていて、Ｆ（−Ｌ／２）およびＦ（＋Ｌ／２）それぞれの値が０であり、関数Ｆ（ｚ）が奇関数であるとして、フーリエ級数展開により表されたものである（ただし、有限個数Ｎの和として近似）。
【００２２】
なお、上記（２ｂ）式に替えて、
【数３】
【数４】
【００２３】
このように、光導波路型回折格子素子１００の回折格子１１３における屈折率変調ｎ（ｚ）は、Ｍ個の屈折率変調周期（Λ０＋ΔΛｍ）それぞれの関数の和として表される（上記（１）式）。そして、光導波路型回折格子素子１００は、これらＭ個の屈折率変調周期（Λ０＋ΔΛｍ）それぞれの値が最適化されて設計され、これに基づいて製造される。或いは、光導波路型回折格子素子１００は、回折格子の屈折率変調の振幅分布が非線形計画法（例えばＳｉｍｕｌａｔｅｄ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ法）により設計されて、これに基づいて製造される。
【００２４】
光導波路型回折格子素子１００は、光ファイバ１１０を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内のＭ波の信号光それぞれを回折格子１１３により選択的に反射する。この光導波路型回折格子素子１００が光伝送システムにおいて用いられるものである場合には、この光導波路型回折格子素子１００に入力する多波長の信号光は、ＩＴＵ規格により規定される一定の光周波数間隔のものである。
【００２５】
そして、光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり、反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下（より好適には−３０ｄＢ以下）である。さらに、光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子１１３による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下（より好適には１ｐｓ以下）である。また、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、回折格子１１３による該信号光の反射により生じる波長分散の絶対値が０．８ｐｓ／ｎｍ以下であるのが好適である。
【００２６】
このように構成される光導波路型回折格子素子１００は、１つの所定範囲に回折格子１１３が形成されているので、小型化が可能である。また、この光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれを高反射率で選択的に反射させることができ、反射帯域外の各信号光を高透過率で透過させることができる。しかも、この光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内のＭ波の信号光それぞれを選択的に反射させる際に生じる波長分散が小さい。
【００２７】
また、光導波路型回折格子素子１００は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有するのが好適であり、この場合には、上記のような諸特性を有する光導波路型回折格子素子１００を実現する上で好適である。また、光導波路型回折格子素子１００は、所定範囲に亘る屈折率変調の振幅絶対値が所定範囲の中心に対して対称であるのが好適であり、この場合には、１つの光導波路型回折格子素子１００を用いるのみで光ＡＤＭを構成することができる。また、光導波路型回折格子素子１００は、反射帯域内の複数波長それぞれでの透過率が互いに異なるのが好適であり、また、反射帯域内の複数波長のうち最短波長または最長波長での透過率と、反射帯域の中央部での透過率とが、互いに異なるのが好適である。この場合には、反射帯域外の各信号光に対する反射率を容易に小さく抑制することができる。また、反射帯域内の群遅延変動を容易に小さく抑制することができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る光導波路型回折格子素子の具体的な設計例について説明する。以下では、光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔λｉ＝０．８ｎｍ）の波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光が光導波路型回折格子素子に入力するものとし、そのうちの連続する４波長の信号光が光導波路型回折格子素子により選択的に反射されるものとする。そして、透過率が−２０ｄＢ以下である反射帯域が上記４波長の各中心波長に対して±０．２１ｎｍの範囲であるとする。また、以下では、上記４波長の全体の中心波長をλ０と表す。
【００２９】
第１設計例Ａ，Ｂでは、反射帯域内の４波長（λ０−０．１２ｎｍ，λ０−０．０４ｎｍ，λ０＋０．０４ｎｍ，λ０＋０．１２ｎｍ）それぞれに対応して、一定の周期差の４つの屈折率変調周期それぞれの回折格子が重ね書きされるとして、反射帯域内における透過率、反射帯域外における反射率および反射波長における波長分散が最小となるように、非線形計画法により最適化した。図２は、第１設計例Ａによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図３は、第１設計例Ａによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。図４は、他の第１設計例Ｂによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図５は、第１設計例Ｂによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。各図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、各図（ｂ）は透過率Ｔおよび反射率Ｒそれぞれの波長依存性を示し、各図（ｃ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、各図（ｄ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。これらの図から判るように、第１設計例Ａ，Ｂそれぞれでは、反射帯域内の４波長が目標値と異なったものとなっており、中心波長λ０との差が大きいほど、各信号光間の波長間隔が広くなった。このことから、各反射帯域内の波長分散の最大値は３００ｐｓ／ｎｍを超える大きな値となった。
【００３０】
第２設計例では、重ね書きされる４つの回折格子それぞれの屈折率変調周期は、一定の周期差ではなく、中央２波長（λ０−０．０４ｎｍ，λ０＋０．０４ｎｍ）および両端２波長（λ０−０．１２ｎｍ，λ０＋０．１２ｎｍ）それぞれに対して屈折率変調周期を最適化した。図６は、第２設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図７は、第２設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図８は、第２設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。各図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、各図（ｂ）は透過率Ｔおよび反射率Ｒそれぞれの波長依存性を示し、各図（ｃ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、各図（ｄ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。この図から判るように、第２設計例では、反射帯域内の４波長が目標値と略等しくなっており、各反射帯域内の波長分散の最大値は４９．８ｐｓ／ｎｍであった。
【００３１】
第３設計例では、重ね書きされる４つの回折格子それぞれの屈折率変調周期は、一定の周期差ではなく、中央２波長（λ０−０．０４ｎｍ，λ０＋０．０４ｎｍ）と両端２波長（λ０−０．１２ｎｍ，λ０＋０．１２ｎｍ）とで個別に屈折率変調周期を最適化した。図９は、第３設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図１０は、第３設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図であり、図１１は、第３設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。各図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、各図（ｂ）は透過率Ｔおよび反射率Ｒそれぞれの波長依存性を示し、各図（ｃ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、各図（ｄ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。この図から判るように、第３設計例では、反射帯域内の４波長が目標値と略等しくなっており、各反射帯域内の波長分散の最大値は１４．４ｐｓ／ｎｍであった。
【００３２】
第４設計例では、上記（２）式に基づいて、反射帯域内における透過率、反射帯域外における反射率および反射波長における波長分散が最小となるように、非線形計画法により最適化した。図１２は、第４設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。同図（ａ）は屈折率変調の振幅分布Δｎを示し、同図（ｂ）は透過率Ｔの波長依存性を示し、同図（ｃ）は反射率Ｒの波長依存性を示し、同図（ｄ）は反射の際の群遅延時間τＲの波長依存性を示し、同図（ｅ）は反射の際の波長分散ＣＤＲの波長依存性を示す。この図から判るように、第４設計例では、屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有しており、反射帯域内の４波長が目標値と略等しくなっており、各反射帯域内の波長分散の絶対値の最大値は０．８ｐｓ／ｎｍ以下であり、各反射帯域内の群遅延時間の偏差が０．０５ｐｓ以下であった。この光導波路型回折格子素子は、高速伝送レートの通信に用いられるものとして充分な特性を有している。
【００３３】
上記設計の光導波路型回折格子素子を実際に製造して評価したところ、設計と同等の反射帯域幅で、設計特性に略等しい特性が得られた。反射帯域外の反射率が−１５ｄＢ以下であり、反射帯域内の信号光の反射の際の群遅延時間の偏差が５ｐｓ以下であった。
【００３４】
なお、上記の設計例では、光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔０．８ｎｍ）の波長１．５５μｍ帯の多波長の信号光が光導波路型回折格子素子に入力するものとして、そのうちの連続する４波長の信号光が光導波路型回折格子素子により選択的に反射されるものとした。しかし、これに限られることはなく、光周波数間隔が５０ＧＨｚの場合にも適用可能であり、また、反射される信号光の波数が更に多くても適用可能である。また、上記の設計例では、透過率が−２０ｄＢ以下である反射帯域が各中心波長に対して±０．２１ｎｍの範囲であるとしたが、光周波数間隔１００ＧＨｚ（波長間隔０．８ｎｍ）の場合には反射帯域が各中心波長に対して±０．１５ｎｍの範囲（各反射帯域幅と波長間隔との比が０．３７５）でよく、光周波数間隔５０ＧＨｚ（波長間隔０．４ｎｍ）の場合には反射帯域が各中心波長に対して±０．０８ｎｍの範囲（各反射帯域幅と波長間隔との比が０．４）でよい。
【００３５】
次に、本発明に係る合分波モジュールの実施形態について説明する。以下に説明する合分波モジュール１０は、上記の実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００を含むものである。以下では、Ｍ波の波長λ１〜λＭの信号光を考え、これらのうちの連続する４つの波長λｍ１〜λｍ４それぞれの信号光を光導波路型回折格子素子１００が選択的に反射するものとして説明する。
【００３６】
図１３は、本実施形態に係る合分波モジュール１０の説明図である。この合分波モジュール１０は、光導波路型回折格子素子１００の一端に光サーキュレータ２１０が接続され、光導波路型回折格子素子１００の他端に光サーキュレータ２２０が接続されて構成されている。光サーキュレータ２１０は、第１端子２１１、第２端子２１２および第３端子２１３を有しており、第１端子２１１に入力した信号光を第２端子２１２より光導波路型回折格子素子１００へ出力し、第２端子２１２に入力した信号光を第３端子２１３より出力する。また、光サーキュレータ２２０は、第１端子２２１、第２端子２２２および第３端子２２３を有しており、第１端子２２１に入力した信号光を第２端子２２２より光導波路型回折格子素子１００へ出力し、第２端子２２２に入力した信号光を第３端子２２３より出力する。
【００３７】
この合分波モジュール１０では、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光が入力すると、これらの信号光は、光サーキュレータ２１０の第２端子２１２より光導波路型回折格子素子１００へ出力され、光導波路型回折格子素子１００を透過して、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２に入力し、光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力される。また、光サーキュレータ２２０の第１端子２２１に波長λｍ１〜λｍ４の各信号光が入力すると、これらの信号光は、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２より光導波路型回折格子素子１００へ出力され、光導波路型回折格子素子１００で反射して、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２に入力し、光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力される。すなわち、この場合には、この合分波モジュール１０は、合波器として動作し、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光と、光サーキュレータ２２０の第１端子２２１に入力した波長λｍ１〜λｍ４の各信号光とを合波して、その合波した波長λ１〜λＭの信号光を光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力する。なお、合分波モジュール１０が合波器としてのみ用いられる場合には光サーキュレータ２１０は不要である。
【００３８】
また、この合分波モジュール１０では、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に波長λ１〜λＭの信号光が入力すると、これらの信号光は、光サーキュレータ２１０の第２端子２１２より光導波路型回折格子素子１００へ出力される。そして、これらの信号光のうち、波長λｍ１〜λｍ４の各信号光は、光導波路型回折格子素子１００で反射して、光サーキュレータ２１０の第２端子２１２に入力し、光サーキュレータ２１０の第３端子２１３より出力される。一方、波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光は、光導波路型回折格子素子１００を透過して、光サーキュレータ２２０の第２端子２２２に入力し、光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力される。すなわち、この場合には、この合分波モジュール１０は、分波器として動作し、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭを分波して、波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を光サーキュレータ２１０の第３端子２１３より出力し、波長λ１〜λＭ（ただし、波長λｍ１〜λｍ４を除く）の信号光を光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力する。なお、合分波モジュール１０が分波器としてのみ用いられる場合には光サーキュレータ２２０は不要である。
【００３９】
さらに、この合分波モジュール１０は、合波器として動作するとともに、分波器としても動作することにより、光ＡＤＭ（Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）としても動作する。すなわち、この合分波モジュール１０は、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭのうち波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を光サーキュレータ２１０の第３端子２１３より出力（Ｄｒｏｐ）するとともに、他の情報を担う波長λｍ１〜λｍ４の信号を光サーキュレータ２２０の第１端子２２１より入力（Ａｄｄ）する。そして、光サーキュレータ２１０の第１端子２１１に入力した波長λ１〜λＭのうちの波長λｍ１〜λｍ４を除く各信号光と、光サーキュレータ２２０の第１端子２２１に入力した波長λ１〜λＭの各信号光とを合波して、その合波した波長λ１〜λＭの信号光を光サーキュレータ２２０の第３端子２２３より出力する。
【００４０】
この合分波モジュール１０は、既述した小型であって波長分散が小さく前後対称である光導波路型回折格子素子１００を含む。したがって、この合分波モジュール１０は、光導波路型回折格子素子１００の回折格子１１３により反射帯域内の信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した信号光の波形の劣化が抑制され、この合分波モジュール１０が用いられるＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができる。また、この合分波モジュール１０は、小型であり、また、合波および分波の双方が可能なもの（光ＡＤＭ）であっても、１個の光導波路型回折格子素子を含むだけで充分であるから、この点でも小型である。
【００４１】
次に、本発明に係る光伝送システムの実施形態について説明する。図１４は、本実施形態に係る光伝送システム１の概略構成図である。この光伝送システム１は、送信局２と中継局３との間が光ファイバ伝送路５で接続され、中継局３と受信局４との間も光ファイバ伝送路６で接続されており、また、中継局３に合分波モジュール１０が設けられている。
【００４２】
送信局２は、波長λ１〜λＭの信号光を波長多重して光ファイバ伝送路５へ送出する。中継局３は、光ファイバ伝送路５を伝搬してきた波長λ１〜λＭの信号光を入力し、これらを合分波モジュール１０により分波して、波長λｍ１〜λｍ４を除く各信号光を光ファイバ伝送路６へ送出し、波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を他の光ファイバ伝送路へ送出する。また、中継局３は、合分波モジュール１０により、他の光ファイバ伝送路を経て入力した波長λｍ１〜λｍ４の各信号光を光ファイバ伝送路６へ送出する。受信局４は、光ファイバ伝送路６を伝搬してきた波長λ１〜λＭの信号光を入力し、これらを各波長に分波して受信する。
【００４３】
この光伝送システム１は、上記の本実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００を含む合分波モジュール１０を用いて、波長λ１〜λＭの信号光を合波または分波するものである。したがって、中継局３内の合分波モジュール１０に含まれる光導波路型回折格子素子１００により反射帯域内の波長λｍ１〜λｍ４の各信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した波長λｍ１〜λｍ４の各信号光の波形の劣化が抑制され、大容量のＷＤＭ伝送が可能である。
【００４４】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態の光導波路型回折格子素子は、光導波路である光ファイバに屈折率変調による回折格子が形成されたものであった。しかし、これに限られず、平面基板上に形成された光導波路に屈折率変調による回折格子が形成されたものであってもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光導波路型回折格子素子は、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする上記反射波長範囲において、回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が小さい。このことから、反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射する際に生じる波長分散を小さくすることができる。
【００４６】
また、この光導波路型回折格子素子を含む合分波モジュールは、回折格子により反射帯域内の信号光が反射する際に生じる群遅延差が小さいことから、反射した信号光の波形の劣化が抑制される。また、この合分波モジュールを含む光伝送システムは、信号光の波形の劣化が抑制されることから、ＷＤＭ伝送において大容量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る光導波路型回折格子素子１００の説明図である。
【図２】第１設計例Ａによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図３】第１設計例Ａによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図４】第１設計例Ｂによる各波長の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図５】第１設計例Ｂによる４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図６】第２設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図７】第２設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図８】第２設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図９】第３設計例による両端２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１０】第３設計例による中央２波長それぞれの光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１１】第３設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１２】第４設計例による４波長重ね書きの場合の光導波路型回折格子素子の諸特性を示す図である。
【図１３】本実施形態に係る合分波モジュール１０の説明図である。
【図１４】本実施形態に係る光伝送システム１の概略構成図である。
【符号の説明】
１…光伝送システム、２…送信局、３…中継局、４…受信局、５，６…光ファイバ伝送路、１０…合分波モジュール、１００…光導波路型回折格子素子、１１０…光ファイバ（光導波路）、１１１…コア領域、１１２…クラッド領域、１１３…回折格子、２１０，２２０…光サーキュレータ。
Claims (12)
- 光導波路における光導波方向の所定範囲に亘って屈折率変調による回折格子が形成されており、この光導波路を導波する波長間隔λｉの多波長の信号光のうち反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを前記回折格子により選択的に反射する光導波路型回折格子素子であって、
前記反射帯域内の複数波長の信号光それぞれに対する透過率が−２０ｄＢ以下であり、
前記反射帯域外の各信号光に対する反射率が−２０ｄＢ以下であり、
前記反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、前記回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１０ｐｓ以下である、
ことを特徴とする光導波路型回折格子素子。 - 前記反射帯域外の各信号光に対する反射率が−３０ｄＢ以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 前記反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、前記回折格子による該信号光の反射により生じる群遅延時間の偏差が１ｐｓ以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 前記反射帯域内の複数波長の信号光それぞれについて、各信号光の中心波長を中心とする±λｉ×０．３７５／２の反射波長範囲において、前記回折格子による該信号光の反射により生じる波長分散の絶対値が０．８ｐｓ／ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 前記所定範囲に亘る屈折率変調の振幅分布が位相反転部を有する、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 前記所定範囲に亘る屈折率変調の振幅絶対値が前記所定範囲の中心に対して対称である、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 前記反射帯域内の複数波長それぞれでの透過率が互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 前記反射帯域内の複数波長のうち最短波長または最長波長での透過率と、前記反射帯域の中央部での透過率とが、互いに異なる、
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路型回折格子素子。 - 請求項１記載の光導波路型回折格子素子を製造する方法であって、
前記回折格子の屈折率変調を複数の屈折率変調周期それぞれの関数の和として表し、前記複数の屈折率変調周期それぞれの値の最適化を行なって設計して、これに基づいて前記光導波路型回折格子素子を製造する、
ことを特徴とする光導波路型回折格子素子製造方法。 - 請求項１記載の光導波路型回折格子素子を製造する方法であって、
前記回折格子の屈折率変調の振幅分布を非線形計画法により設計して、これに基づいて前記光導波路型回折格子素子を製造する、
ことを特徴とする光導波路型回折格子素子製造方法。 - 請求項１記載の光導波路型回折格子素子を含み、この光導波路型回折格子素子により反射帯域内の複数波長の信号光それぞれを選択的に反射して、信号光を合波または分波する、ことを特徴とする合分波モジュール。
- 波長多重した多波長の信号光を用いて光伝送を行う光伝送システムであって、請求項１１記載の合分波モジュールを含み、この合分波モジュールにより前記多波長の信号光を合波または分波する、ことを特徴とする光伝送システム。
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