JP2005049856A

JP2005049856A - 可変分散補償器および可変分散補償方法

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Publication number: JP2005049856A
Application number: JP2004207294A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yamazaki; 裕幸山崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】簡易な構成で、制御が容易な可変分散補償器および可変分散補償方法を提供する。
【解決手段】可変分散補償器２０１は、同一の時間遅延スペクトルの第１〜第ｎのリング共振器２０２₁〜２０２_nが直列に配置された構成となっている。これらは、共通した線状導波路２０３に対して、方向性結合器２０６₁〜２０６_nを介して、第１〜第ｎのリング状導波路２０４₁〜２０４_nが備えられている。第１〜第ｎのリング状導波路２０４₁〜２０４_nには、ヒータ２０５₁〜２０５_nが配置されている。これらを温度制御することで、各リング共振器２０２₁〜２０２_nの中心波長を制御し、導波路２０３に入力される光信号の分散補償を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号の分散を補償するための可変分散補償器および可変分散補償方法に関する。

情報通信の需要の拡大に伴い、伝送容量の拡大が要求されている。その要求に答えるため、光通信システムにおいては、伝送レートの上昇が図られている。伝送レートを上昇させると、光ファイバ中において、波長分散による光波形の劣化が生じてくる。波長分散とは、波長により光ファイバを伝送する光信号の速度が、異なる現象をいう。そこで、波長分散による光波形の劣化を抑制するために、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）が広く使用されている。

分散補償ファイバは、通常の光ファイバよりもコア径を狭く設計している。これにより、波長分散は負となる。それにより、分散補償ファイバの波長分散は、通常の光ファイバと逆方向の特性となる。したがって、通常の光ファイバと、この分散補償ファイバを組み合わせることで、通常の光ファイバで生じた波長分散を分散補償ファイバでキャンセルし、光波形の劣化を抑制することが可能となる。

しかしながら、分散補償ファイバは、長さあたりの負の分散量が余り大きくない。よって、長距離通信に耐えうる分散補償量を得るためには、分散補償ファイバに必要な長さは、数十ｋｍ程度になる。このため、波長分散の補償を行う設備のサイズが、大きくなる、という問題がある。また、分散補償ファイバは、光信号の伝送損失が非常に大きいため、それを補う高価な光アンプを必要とする、という問題がある。また分散補償ファイバはコア径が狭いため、光信号が狭い領域に閉じ込められる。そのため、非線形相互作用が発生し、光波形の劣化が生じる、という問題もある。さらに、分散補償量を可変にできない、という問題もある。このように、分散補償ファイバは、使用上に多くの問題点がある。そこで、これらの問題点を改善する可変分散補償器の実現が、求められている。

その第１の提案として、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit）で形成したリング共振器による可変分散補償器がある（たとえば特許文献１参照）。ここでＰＬＣとは、シリコンもしくは石英基板上に、石英ガラス等を堆積させて形成した石英光導波路のことを示す。また、それに光ファイバアレイを接続して光部品あるいは光回路を構成したものも含む。この第１の提案では、１段構成のリング共振器を、光ファイバの間、または光ファイバと光多重受信装置の間に配置して、光多重信号が時間遅延を受けて出力される構成となっている。この第１の提案は、光多重信号が光ファイバ内で受ける波長分散について、使用する全波長を一括で補償する試みである。

しかしながら、この第１の提案では、リング共振器を１段使用しているだけなので、分散補償可能な波長範囲が狭い、という問題がある。そのため、使用する光信号の波長数が増加し、使用する波長帯域が広がると、波長分散を補償することができない、という問題がある。

そこで、第２の提案として、リング共振器を複数用いる構成がある。図１４に、複数のリング共振器が、直列接続された可変分散補償器を示す。この可変分散補償器１０１は、第１〜第ｎのリング共振器１０２₁、１０２₂、……、１０２_nと、第１のリング共振器１０２₁に光信号を入力する導波路１０３₁と、第１〜第ｎのリング共振器１０２₁、１０２₂、……、１０２_nを直列に接続する導波路１０３₂、……、１０３_nと、第ｎのリング共振器１０２_nから光信号を出力する導波路１０３_n+1とによって構成されている。第１〜第ｎのリング共振器１０２₁、１０２₂、……、１０２_nは、同様の構成となっている。そこで、第１のリング共振器１０２₁で代表して説明する。

第１のリング共振器１０２₁は、導波路１０３₁の一端と接続された２入力２出力の第１のカプラ１０４と、導波路１０３₂の一端と接続された同じく２入力２出力の第２のカプラ１０５を備えている。第１のカプラ１０４の出力側と第２のカプラ１０５の入力側には、第１および第２のアーム１０６、１０７が半円状で途中交差して接続され、マッハツェンダ干渉計が構成されている。また、第１のカプラ１０４の入力側には、導波路１０３₁の一端と半円状の第３のアーム１０８の一端とが接続されている。また、第２のカプラ１０５の出力側には、第３のアーム１０８の他端と導波路１０３₂の一端とが接続されている。第２のアーム１０７および第３のアーム１０８には、第１および第２のヒータ１０９、１１０がそれぞれ配置されている。

この第１のリング共振器１０２₁は、第１および第２のヒータ１０９、１１０を制御することで、可変分散補償を行う。すなわち、このリング共振器は、マッハツェンダ干渉計を構成するアームの一方にのみ配置された、第１のヒータ１０９を温度制御することで、第１と第２のアーム１０６、１０７における遅延時間差を制御している。また、このリング共振器は、第２のヒータ１１０を温度制御することで、共振している中心波長を制御している。

このタイプの可変分散補償器で分散補償を行うためには、リング共振器の段数ｎは一般に“４”程度必要になる。たとえば段数ｎが“４”のときを考える。第１〜第４のリング共振器１０２₁〜１０２₄は、それぞれの第１のヒータ１０９へ投入する電力を制御することによって、それぞれの分散量を異なる値に設定することができる。また、これらのリング共振器１０２₁〜１０２₄は、それぞれの第２のヒータ１１０へ投入する電力を同様に制御することによって、それぞれの共振している中心波長を異なる値に設定することができる。

図１５は、図１４に示す直列接続された可変分散補償器１０１における、分散補償の原理を示す。図１５において、縦軸は光信号の遅延時間τを表わし、横軸は波長λを表わしている。一点鎖線で示す光ファイバの波長分散特性１２１は、光ファイバの一般的な波長分散特性を示す。この波長分散特性を補償するためには、波長分散特性１２１と傾きが逆の波長分散特性１２２を与えることが必要である。そこで、図１５に示すように、各リング共振器１０２₁〜１０２₄の波長分散特性を合成して、波長分散特性１２２が形成される。このように、光ファイバの波長分散特性１２１に対して、逆の傾きを持つ波長分散特性１２２を合成して与えることで、光信号の波長分散が相殺される。

しかしながら、図１４に示す第２の提案による可変分散補償器１０１では、リング共振器１０２₁〜１０２_nのそれぞれに対して、２倍の数のヒータ１０９、１１０が必要である。よって、部品点数が増え、必要とする電力量も多い。さらに、これらへ投入する電力を、個々に精密に制御する必要がある。このためには、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）やパーソナルコンピュータ等の情報処理装置による特別な制御が必要となる。また、所望の分散補償量を得るためには、各ヒータの電力量を実験的に求める必要がある。この設定には、多くの時間を必要とし、可変分散補償器１０１の生産性を低下させる、という問題がある。

そこで、第３の提案として、ヒータの数を減らす試みを図１６に示す（たとえば特許文献２参照）。図１４に示す第２の提案では、第１のヒータ１０９を設置することで、各リング共振器１０２₁〜１０２_nの遅延時間を制御して、図１５のように各遅延時間を異なる値にしている。それに代えて、この第３の提案の可変分散補償器１１１では、各リング共振器１１２₁〜１１２₃の結合効率κ₁〜κ₃を異なる値にすることで、スプリッタ／コンバイナ１１３、１１４を介して接続された各リング共振器１１２₁〜１１２₃の位相φ₁〜φ₃を異なる値にしている。それにより、各リング共振器１１２₁〜１１２₃の遅延時間を図１５のように変えている。なお、各リング共振器１１２₁〜１１２₃には、共振している中心波長を制御するヒータ１１５₁〜１１５₃がそれぞれ１つだけ配置されている。
特開平６−２２４８６０号公報（第００３６段落、図９）特開２０００−１５１５１３号公報（第００４２段落、図６Ｂ）

ここで、図１６に示す第３の提案による可変分散補償器１１１では、第２の提案に比べて、ヒータの数は減る。しかしながら、各リング共振器の設計を変えているため、それぞれに対する設計、製造、管理および検査などが異なり、煩雑になる、という問題がある。

なお、これらの従来の提案では、図１５に示すように、各リング共振器の遅延時間スペクトルを基本的に等間隔に配置して、所望の分散特性のスロープを得るようにしている。

そこで本発明の目的は、より簡易な構成により波長分散補償を行う可変分散補償器および可変分散補償方法を提供することにある。

本発明の可変分散補償器では、（イ）同一の時間遅延スペクトルを有し、直列に接続される複数の共振器と、（ロ）共振器のそれぞれの共振している中心波長を制御する中心波長制御手段とを備え、（ハ）それぞれの中心波長は、中心波長制御手段によりそれぞれの予め設定された値に制御されて、共振器のそれぞれの遅延時間スペクトルが合成され、その合成遅延時間スペクトルのスロープの傾斜が制御されて、スロープの傾斜の度合いにより、分散補償量が変えられることを特徴としている。

また本発明の可変分散補償方法は、（イ）同一の時間遅延スペクトルを有し、直列に接続される複数の共振器のそれぞれの共振している中心波長を制御する第１のステップと、（ロ）共振器のそれぞれの遅延時間スペクトルを合成する第２のステップと、（ハ）その合成遅延時間スペクトルのスロープの傾斜を制御する第３のステップと、（ニ）分散補償量を変える第４のステップとを具備することを特徴としている。

このように、本発明の可変分散補償器あるいは可変分散補償方法では、複数備えられる共振器が同一の時間遅延スペクトルを有している。これらにより得られる同一の形状の遅延時間スペクトルに対して、中心波長を制御することで、合成遅延時間スペクトル（以下、合成波形と記す）のスロープの傾斜が制御されている。

よって、本発明の分散補償器あるいは可変分散補償方法は、複数の同一の形状の時間遅延スペクトルに対して、共振している中心波長を制御することで、多様な中心波長の組み合わせを生み出し、所望の合成波形を得ることを特徴としている。この合成波形を、光ファイバの波長分散を補償する波形に近似させることにより、波長分散が補償される。

また、その共振器は、リング共振器であってもよい。さらに、そのリング共振器は、線状導波路と、線状導波路に沿って配置される複数のリング状導波路と、そして線状導波路とリング状導波路のそれぞれを光学的に結合する光学的結合器とを備えている方が好ましい。さらに、そのリング状導波路のそれぞれは、同一の形状および同一のサイズであり、そして、光学的結合器のそれぞれは、同一の結合効率である方が好ましい。これにより、より簡易な構成で、共振器を形成することが可能になる。

また、光学的結合器は、方向性結合器や多モード干渉器（ＭＭＩ）であってもよい。これにより、より簡易な構成で、光学的結合器を形成することが可能になる。

また、中心波長のそれぞれは、波長軸上で、密から粗になるように分布されていてもよい。さらに、中心波長のそれぞれは、波長軸上で、指数関数的に密から粗に分布されていてもよく、または、ｎ次（ｎは２以上の整数）関数的に密から粗に分布されていてもよい。これにより、より傾斜の緩い分散特性を得ることが可能になる。

また、リング共振器に備えられている線状導波路、リング状導波路および光学的結合器は、石英光導波路で形成されていてもよい。その場合、中心波長制御手段は、温度制御手段であってもよい。さらに、その温度制御手段は、光学的結合器を構成する部分を除いて、リング状導波路の全域を覆っている方が好ましい。これにより、より簡易にリング共振器を製造することが可能になる。また、温度制御手段が、リング状導波路の全域を覆うことで、より消費電力を減らすことができ、リング状導波路の温度をより均一にすることができる。

また、線状導波路、リング状導波路および光学的結合器は、強誘電体光導波路で形成されていてもよい。その場合、中心波長制御手段は、電界印可制御手段であってもよい。これにより、より簡易にリング共振器を製造することが可能になる。

また、複数の共振器は、少なくとも３段以上で構成されている方がよい。これにより、より簡易に所望の分散特性を得やすくなる。

このような本発明によれば、同一の時間遅延スペクトルを有する複数の共振器を直列に接続したので、これら同一仕様の共振器を用いてこれらの時間遅延スペクトルの中心波長を制御するだけで分散補償が可能になる。したがって、構成部品等の種類の減少によって可変分散補償器の信頼性を向上させることができると共に、可変分散補償器のコストダウンを図ることができる。

また、可変分散補償器を構成する共振器の構成を基本的に同一にすることができるので、その場合には、その設計、製造、管理および検査を同一とすることができ、これらを容易に行える。よって、それぞれにかかるコストを削減することができる。さらに、制御についても同一の仕様の制御回路を用いることができ、この場合には制御動作も同一となるので、制御が容易になる。よって、これにかかるコストを削減することができる。

以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

＜第１の実施例＞

図１は、本発明の第１の実施例における可変分散補償器の概要構成を示す。この可変分散補償器２０１は、第１〜第ｎのリング共振器２０２₁、２０２₂、……、２０２_nを直列に接続した構成となっている。第１〜第ｎのリング共振器２０２₁、２０２₂、……、２０２_nは、１本の共通した線状導波路２０３を備えている。この線状導波路２０３の左端に図示しない光ファイバから、波長分散された光信号が入力される。第１〜第ｎのリング共振器２０２₁、２０２₂、……、２０２_nは、基本的に同じ構成となっている。ここでは、第１のリング共振器２０２₁で代表して説明を行う。

第１のリング共振器２０２₁は、リング状導波路２０４₁と、これを加熱するヒータ２０５₁を備えている。線状導波路２０３は、リング状導波路２０４₁と対向する部分が近接している。近接した部分は、方向性結合器２０６₁を構成している。第１〜第ｎのリング状導波路２０４₁〜２０４_nは、基本的に同じ形状で、基本的に同じサイズである。また、方向性結合器の結合効率も基本的に同じである。よって、第１〜第ｎのリング共振器２０２₁〜２０２_nは、基本的に同じ位相となっており、基本的に同じ遅延時間である。

ヒータ２０５₁は、リング状導波路２０４₁の上部に配置されている。ヒータ２０５₁は通電されることにより、リング状導波路２０４₁の温度を制御する。それにより、第１のリング共振器２０２₁の遅延時間スペクトルの中心波長が、所望の値に制御される。なお、ヒータ２０５₁は、好ましくは、図１に示すように方向性結合器２０６₁を構成する箇所を除いて、リング状導波路２０４₁の全域を覆っている。これにより、リング状導波路の温度を、さらに均一な温度に制御することができる。

このように本実施例の可変分散補償器２０１は、光学結合器に方向性結合器を用いており、従来の図１４に示す可変分散補償器１０１と異なりマッハツェンダ干渉計は使用していない。さらに、各リング共振器は、基本的に同じ形状で、基本的に同じサイズで形成されており、基本的に同仕様となっている。よって、従来の図１６に示す可変分散補償器１１１のように、それぞれを異なる仕様にしていない。そのため、本実施例の可変分散補償器２０１は、非常にシンプルな構成となっている。

ここで、設計パラメータの一例を記す。コア径は、０．１〜１０μｍの範囲であり、例えば５μｍ程度である。リング状導波路の円周の長さは、１〜１６ｍｍの範囲であり、例えば２〜３ｍｍ程度である。また、方向性結合器の結合効率は、数十パーセントであり、例えば５０％程度である。共振器のＦＳＲ（Free Spectral Range）は、１２．５〜２００ＧＨｚの範囲であり、例えば１００ＧＨｚ程度である。また、共振する中心波長の温度係数は、０．０１ｎｍ／℃程度である。

なお、これらの導波路の基板は、シリコンまたはガラス（石英ガラスなど）で形成されている。また、これらの導波路は、石英ガラスを基板上に堆積して形成される。コアは、石英ガラスに添加するＧｅなどで屈折率調整されている。また、ヒータは、薄膜ヒータで形成されており、リング状導波路の上部に蒸着または固着されている。薄膜ヒータは、好ましくは、金属で形成されており、Ｃｒ、Ｐｔ、ＴｉＮなどが用いられている。

次に、本発明の第１の実施例の可変分散補償器の光学特性について説明する。

図２は、第１のリング共振器２０２₁の遅延時間スペクトルを表わす。この図２では縦軸が光信号の遅延時間τ、横軸が波長λを表わしている。第１のリング共振器２０２₁の遅延時間スペクトル２２１は、ガウス分布に近い波形を有している。第１のリング共振器２０２₁は、図１に示すように、ヒータ２０５₁を１つだけ備えている。これを温度制御することで、遅延時間スペクトルの中心波長が、長波長側あるいは短波長側に移動される。

すでに説明したように、図１に示す第１〜第ｎのリング共振器２０２₁〜２０２_nは、基本的に同じ位相である。よって、第１〜第ｎのリング共振器２０２₁〜２０２_nの波形は、基本的に同じ形状である。従って、本実施例の可変分散補償器２０１は、複数の同じ形状の波形を、中心波長を変えて合波することで、光ファイバの分散補償特性に合致した合成遅延時間スペクトル（以下、合成波形と記す。）を作り出す。

次に、本発明の第１の実施例の可変分散補償器の動作原理について説明する。

図３〜図８を用いて、光ファイバの分散補償特性に合致した合成波形を得る考え方を、説明する。図３に示す右下がりのライン２３１は、図１５の光ファイバの波長分散特性１２１を補償するために理想的な特性である。一方、図２に示す遅延時間スペクトル２２１の右側上部のスロープ２２２は、ライン２３１と比べて急峻である。そのため、この右側上部のスロープ２２２を、分散補償に利用しようとすると、急峻過ぎて実用的でない。また、分散補償可能な波長範囲２２３が非常に狭い。すなわち、１つの遅延時間スペクトル２２１を用いて、光ファイバの分散補償に必要なライン２３１に近似することは困難である。

そこで、図４は、図２に示す遅延時間スペクトルと同じ形状の２つの波形２２１₁，２２１₂を、中心波長をわずかに変えて合波した場合を示す。合波した波形は、２波合成波形２４１として示す。例として、図１に示す可変分散補償器２０１の段数ｎを“２”として、第１および第２のリング共振器２０２₁，２０２₂で可変分散補償器を構成する場合を考える。これらのヒータ２０５₁、２０５₂に温度差を与えると、遅延時間スペクトルの中心波長に差が生じ、第１、第２の遅延時間スペクトル２２１₁、２２１₂が得られる。中心波長λ₁を持つ第１のリング共振器２０２₁の遅延時間スペクトルと、中心波長λ₂を持つ第２のリング共振器２０２₂の遅延時間スペクトルを合波した２波合成波形２４１は、頂点付近がフラットに近くなる。また、２波合成波形２４１の高さは、合成前の遅延時間スペクトル２２１₁、２２１₂に比べて２倍程度になっている。しかしながら、右側上部のスロープ２４２の傾きはほとんど変わっていない。

そこで、２波合成波形の右側上部の傾斜を緩やかにする第１の試みを図５に示す。

可変分散補償器２０１の段数ｎを“３”に増やして、第３の遅延時間スペクトル２２１₃を２波合成波形２４１に合成している。第３の遅延時間スペクトル２２１₃は、図４に示す２波合成波形２４１の右側に重なるように、中心波長λ₃の位置を定めている。第３の遅延時間スペクトル２２１₃を合成することにより、２波合成波形２４１の右側上部のスロープ２５２の傾斜を緩やかにしている。なお、第３の遅延時間スペクトル２２１₃の中心波長λ₃が、２波合成波形２４１の中心波長“(λ₁＋λ₂)/2”に対して近接し過ぎると、右側上部のスロープ２５２の傾斜を緩やかにすることはできない。

このように、同一形状の第１〜第３の遅延時間スペクトル２２１₁〜２２１₃を用いて、これらの中心波長λ₁〜λ₃を制御することによって、たとえば図５の破線で示す３波合成波形２５１を合成することができる。そして、この合成波形２５１の右肩のスロープの傾斜を利用することにより、光ファイバの分散補償を行うことができる。

図６は、図４で示す２波合成波形２４１に、新たに合成する遅延時間スペクトル２２１₄を図５よりも長波長側に配置した場合を示す。第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長λ₄は、図５に示す第３の遅延時間スペクトル２２１₃の中心波長λ₃よりも、長波長側に設定している。このように、３番目に合成する遅延時間スペクトルを、長波長側に設定すると、これらの３波合成波形２６１は、その中央部分に窪み２６２が発生してしまう。

そこで、この窪み２６２を補うように、４番目の遅延時間スペクトルをさらに合成する。

図７は、図６で示す合成波形２６１の窪み２６２を補うように、４番目となる第３の遅延時間スペクトル２２１₃を挿入したものである。これらの４波合成波形２７１は、２波合成波形２４１の中心波長“(λ₁＋λ₂)/２”から第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長λ₄までの範囲において、緩やかな傾斜となっている。

図８は、図７に示す第１〜第４の遅延時間スペクトルの個別の波形を示す。基本的に同一形状の第１〜第４の遅延時間スペクトル２２１₁〜２２１₄において、それらの隣接する中心波長λ₁〜λ₄の波長差をΔλ₁₂、Δλ₂₃、Δλ₃₄とすると、これらは次の（１）式の関係にある。

Δλ₁₂ ≦ Δλ₂₃ ≦ Δλ₃₄ ……（１）

以上により、次の結論が得られる。同一形状の第１〜第４の遅延時間スペクトル２２１₁〜２２１₄を用い、中心波長λ₁〜λ₄のそれぞれを設定することにより、光ファイバの分散補償に利用できる波形が作り出せる。なお、図５の３波合成波形２５１よりも、図７の４波合成波形２７１の方が、傾斜を緩くすることができるので、より実用性が高い。

ところで、図５に示す３波合成波形２５１または図７に示す４波合成波形２７１により、光ファイバの分散補償を行うためには、光ファイバの分散特性を相殺する分散特性に設定する必要がある。図５に示す３波合成波形２５１を使用する場合は、中心波長λ₁に対して、他の２つの中心波長λ₂、λ₃を微細に調整する。しかしながら、所望の分散特性が得られない場合は、図７に示す４波合成波形２７１を使用して、中心波長λ₁に対して、他の３つの中心波長λ₂、λ₃、λ₄を微細に調整する。

ここで調整を簡略化する手法として、一例を説明する。図８において、第１〜第３の遅延時間スペクトル２２１₁〜２２１₃は、第４の遅延時間スペクトル２２１₄と比べると比較的狭い波長範囲に密集している。そこで、これらの中心波長を初めに設定する。次に、この３波合成波形に対して、残りの第４の遅延時間スペクトル２２１₄を調整してもよい。または、第１と第２の２波合成波形と、第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長を初めに設定し、残りの第３の遅延時間スペクトル２２１₃を調整してもよい。

図８に示すように、これらの遅延時間スペクトルの中心波長を配置する間隔は、遅延時間スペクトル２２１₁の中心波長λ₁に対して、長波長になるにつれて、拡大している。この間隔を、指数関数的やｎ次（ｎは２以上の整数）関数的に拡大することにより、合成波形の右側上部のスロープは、窪みの少ない、より平坦な線にすることができる。これにより、合成波形を図３に示す理想的な直線に近づけることができる。

なお、ここでは、４波合成波形までを説明したが、さらに波形数を増やすことで、より緩やかで平坦な傾斜を形成することができる。その場合に、中心波長の分布を指数関数的やｎ次（ｎは２以上の整数）関数的に配置することで、設定も行い易くなる。

次に、本発明の第１の実施例の可変分散補償器における制御系の構成に関して説明する。

図９は、制御系も含めた可変分散補償器の構成を表わす。この図９で図１と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。また、先の説明で使用した図も適宜使用する。

本実施例の可変分散補償器３０１は、第１〜第４のリング共振器２０２₁〜２０２₄のそれぞれに、温度検出素子３０２₁〜３０２₄を配置している。第１〜第４のリング共振器２０２₁〜２０２₄は、基本的に同一のサイズおよび形状のパターンを使用して製造されており、これらの特性は基本的に同一である。温度検出素子３０２₁〜３０２₄の温度検出信号線（共に２本）３０３₁〜３０３₄と、ヒータ２０５₁〜２０５₄の電力供給線（共に２本）３０４₁〜３０４₄とは、入出力制御回路３０６に接続されている。この入出力制御回路３０６は、データバス等のバス３０７を介して、ＣＰＵ（中央処理装置）３０８、ＲＯＭ（リード・オン・メモリ）３０９、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）３１０、操作部３１１および表示部３１２などに接続されている。線状導波路２０３の一端には、波長分散を補償すべき光ファイバ３２１の一端が接続されている。また、線状導波路２０３の他端には、波長分散を補償された後の光信号を送信する光ファイバ３２２の一端が接続されている。

温度検出素子３０２₁〜３０２₄は、サーミスタまたは白金抵抗などである。温度検出信号線３０３₁〜３０３₄および電力供給線３０４₁〜３０４₄は、導波路基板上に蒸着された配線パターンまたはリード線などである。ＣＰＵ３０８は、可変分散補償器３０１の各部を制御する。ＲＯＭ３０９は、分散補償量を制御するための条件等である制御データを格納したリード・オンリ・メモリである。その制御データは、ＣＰＵ３０８を制御する制御プログラム、各リング共振器の遅延時間スペクトルの中心波長の配置順序、各リング共振器の中心波長の固定または可変の変更、等である。ＲＡＭ３１０は、ＣＰＵ３０８の制御のために一時的に必要とされる各種データを、一時的に格納するランダム・アクセス・メモリである。操作部３１１は、光ファイバ３２１より入力される光信号に対して、分散補償する指示を入力する部分である。表示部３１２は、操作部３１１に入力されたデータや特性の補償結果を表示するためのディスプレイである。たとえば、それは液晶ディスプレイなどで構成されている。

次に、本発明の第１の実施例の可変分散補償器の制御系の動作について、説明する。

図１０は、本実施例の可変分散補償器による分散補償の初期設定の概要を表わす。図９に示す可変分散補償器３０１を新たに光ファイバ３２１に接続するとき、あるいは光ファイバ３２１の構成が異なったような場合に、初期設定が必要となる。そこで、その一例を示す。図８に示す第１〜第３の遅延時間スペクトル２２１₁〜２２１₃は、予め実験して３つの中心波長λ₁、λ₂、λ₃に固定される。そして、第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長λ₄のみを変動させることで、光ファイバ３２１に適応する分散補償の傾斜特性が作り出される。まず、第１のリング共振器２０２₁による第１の遅延時間スペクトル２２１₁が、図８で示す中心波長λ₁に固定される（ステップＳ３４１）。中心波長λ₁の設定は、ＣＰＵ３０８により、第１のリング共振器２０２₁の周囲温度を温度検出素子３０２₁で検出しながら、ヒータ２０５₁に供給する電力を制御して行う。次に、第２と第３の遅延時間スペクトル２２１₂，２２１₃が、予め実験で定められた中心波長λ₂、λ₃に同様に固定される。第２の遅延時間スペクトル２２１₂は、中心波長λ₂に設定され（ステップＳ３４２）、第３の遅延時間スペクトル２２１₃は中心波長λ₃に設定される（ステップＳ３４３）。最後に、第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長λ₄について設定が行われる（ステップＳ３４４）。この最後の調整は、光ファイバ３２１の実際の波長分散特性を相殺するように制御する。このように、この例では、波長順に遅延時間スペクトルの中心波長が設定されている。

図１１は、第４の遅延時間スペクトルの中心波長λ₄の設定ステップのサブルーチン（図１０のＳ３４４）における制御フローの詳細を示す。まず、第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長λ₄は、中心波長λ₃よりもわずかに長波長側の値に設定される（ステップＳ３６１）。次に、中心波長λ₃と中心波長λ₄を加算した波長の平均値“(λ₃＋λ₄)/２”に相当する試験波長が、補償すべき光ファイバ３２１から入力される（ステップＳ３６２）。このとき、試験波長と共に、他の基準となる波長も入力される。そして、その試験波長における分散補償後の特性が測定される（ステップＳ３６３）。測定結果は、そのときの中心波長λ₄と共に、ＲＡＭ３１０に一時記憶される（ステップＳ３６４）。

次に、中心波長λ₄は、所定の微少波長Δλだけ増加される（ステップＳ３６５）。そして、中心波長λ₃と中心波長λ₄を加算した波長の平均値“(λ₃＋λ₄)/２”に相当する試験波長が、補償すべき光ファイバ３２１から入力される（ステップＳ３６６）。このときも、試験波長と共に、他の基準となる波長が入力される。そして、その試験波長における分散補償後の特性が測定される（ステップＳ３６７）。測定結果は、そのときの中心波長λ₄と共に、ＲＡＭ３１０に一時記憶する（ステップＳ３６８）。この段階において、ＣＰＵ３０８は、今回測定した分散補償後の特性と前回のそれを比較する。そして、中心波長λ₄を長波長側に移動させたことによって、分散補償後の特性が悪化したかどうかが判別される（ステップＳ３６９）。ここで、分散補償後の特性の悪化とは、分散補償されて出力される光信号の分散補償特性の傾斜が、以前よりも大きくなることや、分散補償特性に窪みが発生したり、その窪みが大きくなることを示す。悪化していなければ（Ｎ）、ステップＳ３６５に戻って、更に中心波長λ₄が所定の微少波長Δλだけ増加される。このようにして、分散補償後の特性が改善されている間は、第４の遅延時間スペクトル２２１₄の中心波長λ₄は少しずつ長波長側に移動される。

ある時点で、ステップＳ３６９の判別において、特性が悪化したと判別されたときには（Ｙ）、ＲＡＭ３１０に保持されていた前回の中心波長λ₄に、第４の遅延時間スペクトル２２１₄が設定される（ステップＳ３７０）。そして、処理が終了される（エンド）。もちろん、ステップＳ３６９で特性が悪化したと判別されたとき以後も、所定回数だけ中心波長λ₄の増加処理を行って、総合的に中心波長λ₄の最適値が決められてもよい。また、特性が前回と変わらない時点で、中心波長λ₄を最適値としてもよい。

なお、分散補償する波長帯域をカバーするように、中心波長λ₁と中心波長λ₄を先に決定し、中心波長λ₂と中心波長λ₃を制御して、中間部分の分散曲線を制御するようにしてもよい。また、各リング共振器ごとの遅延時間スペクトルの中心波長が、短波長側から長波長側に次第に指数関数的に粗になるように、各リング共振器の中心波長を移動させ、その後に個々のリング共振器の中心波長を微調整してもよい。同じく、リング共振器ごとの遅延時間スペクトルの中心波長が、短波長側から長波長側に次第にｎ次（ｎは２以上の整数）関数的に粗になるように、各リング共振器の中心波長を移動させて、その後に微調整してもよい。

図１２に、本実施例による４つの波形と、これらの合成波形の一例を示す。第１の曲線３８１は、最短の中心波長λ₁の第１の遅延時間スペクトルを表わしており、第２の曲線３８２は、中心波長λ₂の第２の遅延時間スペクトルを表わす。同様に第３の曲線３８３は、中心波長λ₃の第３の遅延時間スペクトルを表わしており、第４の曲線３８４は、最長の中心波長λ₄の第４の遅延時間スペクトルを表わす。第５の曲線３８５は、第１〜第３の曲線３８１〜３８３が合成されたものであり、第６の曲線３８６は第５の曲線３８５と第４の曲線３８４が合成されたものである。第６の曲線３８６の右側上部のスロープ３８７を用いることで、単独の遅延時間スペクトルよりも広い波長帯域で、緩やかな傾斜部分が得られる。この傾斜部分を用いることで、光ファイバで受けた光信号の波長分散が補償される。

このような本実施例の可変分散補償器では、各リング共振器のそれぞれを、１種類のヒータで中心波長を制御するようにしている。よって、従来の図１４の構成に比べて、ヒータおよびそれを制御する回路を半減させることができる。そのため、部品点数および制御する数が減り、可変分散補償器の信頼性を向上させることができる。よって、コストダウンを図ることもできる。

また、本実施例の可変分散補償器では、各リング共振器の構成を基本的に同一にしているため、各リング共振器の設計、製造、管理および検査を同じにすることができ、これらを容易に行える。よって、それぞれにかかるコストを削減することができる。さらに、制御についても同じ仕様の制御回路を用いることができ、同様の動作で行えるため、容易に制御が行える。よって、それにかかるコストを削減することもできる。

＜第２の実施例＞

第１の実施例では、光信号の結合を行う光学的結合器として方向性結合器を用いたが、光信号を１本の導波路とリング状導波路の間で分配するその他の素子、あるいはカプラを用いてもよい。

図１３は、光学的結合器として多モード干渉（ＭＭＩ）導波路カプラを使用した可変分散補償器の要部を表わしたものである。この第２の実施例の可変分散補償器４０１で図９と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。可変分散補償器４０１は、第１〜第４のリング共振器４０２₁〜４０２₄を直列に接続した構成となっている。第１〜第４のリング共振器４０２₁〜４０２₄には、分散補償前の光ファイバ３２１と分散補償後の光ファイバ３２２を結ぶ線状導波路４０３が配置されている。第１〜第４のリング共振器４０２₁〜４０２₄はすべて同一の構成となっている。

第１のリング共振器４０２₁は、リング状導波路４０４₁と、これを加熱制御するヒータ２０５₁を備えている。線状導波路４０３とリング状導波路４０４₁はこれらの近接する位置で４端子の多モード干渉導波路(Multi Mode Interference,ＭＭＩ)カプラ４０５₁によって光波の分配を行うようになっている。ヒータ２０５₁は、リング状導波路４０４₁における多モード干渉導波路カプラ４０５₁が形成された領域を除くほぼ全域を覆っている。ヒータ２０５₁の通電によるリング状導波路４０４₁の温度制御によって、第１のリング共振器４０２₁の中心波長が所望の値に制御されるようになっている。

この第２の実施例の可変分散補償器４０１でも、図９に示した第１の実施例の可変分散補償器３０１と同様に第１〜第３のリング共振器４０２₁〜４０２₃を補償すべき波長の短波長側を基にして初期設定する。そして、第４のリング共振器４０２₄による中心波長λ₄を光ファイバ３２１の波長分散に応じて補正することになる。これにより、補償すべき全波長の範囲で光ファイバの波長分散を補正することができる。

以上説明した本発明の第２の実施例では、各リング共振器のそれぞれを、１種類のヒータで中心波長を制御するようにしている。よって、従来の図１の構成に比べて、ヒータ及びそれを制御する回路を半減させることができる。そのため、部品点数および制御する数が減り、可変分散補償器の信頼性を向上させることができる。よって、コストダウンを図ることもできる。

＜発明の変形可能性＞

なお、以上説明した第１および第２の実施例では、可変分散補償器を４段のリング共振器で構成した。しかしながら、光ファイバの波長分散および各リング共振器の特性によっては、３段のリング共振器で構成してもよいし、５段以上のリング共振器で構成してもよい。リング共振器を５段以上配置することで、より広い波長範囲またはうねり（リップル）の少ない分散補償特性を得ることができる。

また、以上説明した実施例では、可変分散補償器を構成するリング共振器は、基本的に同一サイズで、基本的に同一の形状のものであるとしたが、これらのうちいくつかは異なるサイズまたは形状にしてもよい。これにより、段数を少なくして、同等の分散補償特性を得ることが可能になる。または、同一の段数で、より広範囲またはうねり（リップル）の少ない分散補償特性を得ることが可能になる。

また、以上説明した実施例では、ヒータで加熱制御することによって、各リング共振器における遅延時間スペクトルの中心波長を制御しているが、ペルチェ素子等を使用して、加熱または冷却制御してもよい。

さらに、以上説明した実施例では、温度制御により各リング共振器における遅延時間スペクトルの中心波長を制御しているが、リチウムナイオベート等の強誘電体の光導波路を使用して、電界により遅延時間スペクトルの中心波長を制御してもよい。

本発明の第１の実施例による可変分散補償器を示す概略構成図である。本発明の第１の実施例によるリング共振器の遅延時間スペクトルを表わした特性図である。本発明の第１の実施例による可変分散補償器全体の遅延時間スペクトルの一例を表わした特性図である。２つの遅延時間スペクトルの中心周波数をわずかにずらして合成した合成波形を示した説明図である。図４に示した合成波形の右肩部分の傾斜を図２に示した遅延時間スペクトルを用いて緩やかにする試みを示す説明図である。図４で示した２波合成波形に対して図２に示した遅延時間スペクトルを長波長側により遠ざけた場合の合成波形を示す説明図である。図６で示した合成波形の谷を補償するように第３および第４の遅延時間スペクトルを位置決めした例を示した説明図である。図７に示した３つの波形を基となる第１〜第４の遅延時間スペクトルの個別波形で示した説明図である。本発明の第１の実施例における可変分散補償器の構成を表わした概略構成図である。第１の実施例における可変分散補償器による波長分散補償の初期設定の概要を表わした流れ図である。第１の実施例で第４の遅延時間スペクトルの中心波長の制御の流れを具体的に表わした流れ図である。第１の実施例で４つの波形とこれらの合成波形の実測値の一例を示した特性図である。本発明の第２の実施例における可変分散補償器の構成を表わした概略構成図である。従来提案された第２の提案による可変分散補償器の構成を示した概略構成図である。図１４に示した直列接続された可変分散補償器による分散補償の原理を示した説明図である。従来提案された第３の提案による可変分散補償器を示す概略構成図である。

符号の説明

２０１、３０１、４０１可変分散補償器
２０２、４０２リング共振器
２０３、４０３線状導波路
２０４、４０４リング状導波路
２０５ヒータ
３０８ＣＰＵ（中央処理装置）
３０９ＲＯＭ
３２１、３２２光ファイバ
４０５多モード干渉導波路カプラ

Claims

同一の時間遅延スペクトルを有し、直列に接続される複数の共振器と、
前記共振器のそれぞれの共振している中心波長を制御する中心波長制御手段
とを備え、
前記それぞれの中心波長は、前記中心波長制御手段によりそれぞれの予め設定された値に制御されて、前記共振器のそれぞれの遅延時間スペクトルが合成され、その合成遅延時間スペクトルのスロープの傾斜が制御されて、前記スロープの傾斜の度合いにより、分散補償量が変えられることを特徴とする可変分散補償器。
前記共振器がリング共振器である
ことを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
前記リング共振器は、
線状導波路と、
前記線状導波路に沿って配置される複数のリング状導波路と、
前記線状導波路と前記リング状導波路のそれぞれを光学的に結合する光学的結合器
とを具備することを特徴とする請求項２記載の可変分散補償器。
前記リング状導波路のそれぞれは、同一の形状および同一のサイズであり、前記光学的結合器のそれぞれは、同一の結合効率である
ことを特徴とする請求項３記載の可変分散補償器。
前記光学的結合器は、方向性結合器である
ことを特徴とする請求項３記載の可変分散補償器。
前記光学的結合器は、多モード干渉器である
ことを特徴とする請求項３記載の可変分散補償器。
隣接する前記中心波長のそれぞれの間隔は、長波長になるにつれて、拡大されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の可変分散補償器。
隣接する前記中心波長のそれぞれの間隔は、指数関数的に拡大されている
ことを特徴とする請求項７記載の可変分散補償器。
前記中心波長の間隔は、ｎ次（ｎは２以上の整数）関数的に拡大されている
ことを特徴とする請求項７記載の可変分散補償器。
前記リング共振器に備えられている前記線状導波路、前記リング状導波路および前記光学的結合器は、石英光導波路で形成されている
ことを特徴とする請求項３乃至請求項９のいずれかに記載の可変分散補償器。
前記中心波長制御手段は、温度制御手段である
ことを特徴とする請求項１０記載の可変分散補償器。
前記温度制御手段は、前記光学的結合器を構成する部分を除いて、前記リング状導波路の全域を覆っている
ことを特徴とする請求項１１記載の可変分散補償器。
前記温度制御手段は、ヒータである
ことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の可変分散補償器。
前記ヒータは、薄膜ヒータである
ことを特徴とする請求項１３記載の可変分散補償器。
前記薄膜ヒータは、金属が蒸着されて形成されている
ことを特徴とする請求項１４記載の可変分散補償器。
前記リング共振器に備えられている前記線状導波路、前記リング状導波路および前記光学的結合器は、強誘電体光導波路で形成されている
ことを特徴とする請求項３乃至請求項９のいずれかに記載の可変分散補償器。
前記中心波長制御手段は、電界印可制御手段である
ことを特徴とする請求項１６記載の可変分散補償器。
前記複数の共振器は、少なくとも３段以上で構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載の可変分散補償器。
さらに、前記中心波長制御手段へ電力を供給する電力供給線が備えられている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載の可変分散補償器。
さらに、前記複数の共振器の中心波長を検出する中心波長検出手段が備えられている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の可変分散補償器。
前記中心波長検出手段は、前記リング共振器の温度を検出する温度検出手段である
ことを特徴とする請求項２０記載の可変分散補償器。
前記温度検出手段は、サーミスタである
ことを特徴とする請求項２１記載の可変分散補償器。
前記温度検出手段は、白金抵抗である
ことを特徴とする請求項２１記載の可変分散補償器。
さらに、前記温度検出手段で検出された温度情報を伝送する温度検出信号線が備えられている
ことを特徴とする請求項２１乃至請求項２３のいずれかに記載の可変分散補償器。
さらに、前記中心波長制御手段を制御する制御手段が備えられている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２４のいずれかに記載の可変分散補償器。
さらに、前記制御手段を制御するＣＰＵが備えられている
ことを特徴とする請求項２５記載の可変分散補償器。
さらに、入力用光ファイバと出力用光ファイバが備えられている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２６のいずれかに記載の可変分散補償器。
同一の時間遅延スペクトルを有し、直列に接続される複数の共振器のそれぞれの共振している中心波長を制御する第１のステップと、
前記共振器のそれぞれの遅延時間スペクトルを合成する第２のステップと、
その合成遅延時間スペクトルのスロープの傾斜を制御する第３のステップと、
分散補償量を変える第４のステップ
とを具備することを特徴とする可変分散補償方法。
前記共振器のそれぞれの遅延時間スペクトルは、同一の形状である
ことを特徴とする請求項２８記載の可変分散補償方法。
前記共振器の遅延時間スペクトルの中心波長のそれぞれは、異なる波長に設定されている
ことを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載の可変分散補償方法。
隣接する前記中心波長のそれぞれの間隔は、長波長になるにつれて、拡大されている
ことを特徴とする請求項３０記載の可変分散補償方法。
隣接する前記中心波長のそれぞれの間隔は、指数関数的に拡大されている
ことを特徴とする請求項３１記載の可変分散補償方法。
隣接する前記中心波長のそれぞれの間隔は、波長軸上で、ｎ次（ｎは２以上の整数）関数的に拡大されている
ことを特徴とする請求項３１記載の可変分散補償方法。
前記中心波長のそれぞれは、温度で制御されている
ことを特徴とする請求項２８乃至請求項３３のいずれかに記載の可変分散補償方法。
前記中心波長のそれぞれは、電界を印可することで制御されている
ことを特徴とする請求項２８乃至請求項３３のいずれかに記載の可変分散補償方法。
前記共振器は、少なくとも３段以上備えられている
ことを特徴とする請求項２８乃至請求項３５のいずれかに記載の可変分散補償方法。
前記共振器は、その共振している中心波長を最も低く設定するものから波長順に制御される
ことを特徴とする請求項２８乃至請求項３６のいずれかに記載の可変分散補償方法。
前記共振器は、その共振している中心波長を最も高く設定するものから波長順に制御される
ことを特徴とする請求項２８乃至請求項３６のいずれかに記載の可変分散補償方法。
前記共振器は、その共振している中心波長を最も低く設定するものと最も高く設定するものが先に制御され、その後、間に設定するものが制御される
ことを特徴とする請求項２８乃至請求項３６のいずれかに記載の可変分散補償方法。
前記共振器の共振している中心波長の制御において、
中心波長をわずかに長波長に設定し、
第１の試験波長の光信号を入力して第１の分散補償特性を測定し、
その第１の測定結果を記憶し、
さらに前記中心波長をわずかに長波長に設定し、
第２の試験波長の光信号を入力して第２の分散補償特性を測定し、
その第２の測定結果を記憶し、
前記第１および前記第２の測定結果同士の比較を行って悪化を判断し、
前記第２の測定結果が悪化していなかったら、さらに前記中心波長をわずかに長波長に設定する工程に戻り、前記第２の測定結果が悪化していたら、波長設定を終了する
ことを特徴とする請求項２８記載の可変分散補償方法。
前記悪化とは、前記第２の分散補償特性の傾斜が前記第１の分散補償特性の傾斜よりも大きくなることである
ことを特徴とする請求項４０記載の可変分散補償方法。
前記悪化とは、前記第２の分散補償特性の窪みが前記第１の分散補償特性の窪みよりも大きくなることである
ことを特徴とする請求項４０記載の可変分散補償方法。