JP2010249867A - 可変分散補償器 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバを伝送路に用いた光通信システムにおいて、光学特性が良好であり、応答速度が早く、かつ低消費電力の可変分散補償器を提供する。
【解決手段】 コイル３とは非接触に金属管２を配置し、コイル３に供給する交流電流の電流量を電源回路４で制御することで金属管２に付加する温度分布を調整する。誘導加熱により発熱する金属管２により、金属管２の内側に配置した光ファイバ１のチャープグレーティングに温度分布を形成し、波長分散を補償する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システムにおける光信号の波長分散（以下、分散と称す。）を補償する可変分散補償器に関するものである。

光ファイバを伝送路に用いた光通信システムでは、分散により光信号の波形が歪むため、信号の劣化を生じる。これは、波長の異なる光信号の波束の群速度が異なるためであり、光信号の波束が一定距離を伝搬するのに要する時間、即ち群遅延時間（単位：ｐｓ）が異なるためである。この群遅延時間の波長に対する傾きが分散（単位：ｐｓ／ｎｍ）である。

通常の光ファイバ伝送路に用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）では、波長１５５０ｎｍ近辺の光信号が伝搬する場合、伝送路１ｋｍ当たり、約１６ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）の分散値を有する。これは、波長が１ｎｍ異なる光信号が１ｋｍのシングルモードファイバを伝搬するのに要する群遅延時間の差が約１６ｐｓという意味である。例えば、波長が１ｎｍ異なる光信号が１００ｋｍの光ファイバを伝搬した場合の群遅延時間は、１００倍の１６００ｐｓとなる。

一方、変調された光信号は、変調方式やビットレート（伝送速度）により決まる幾つかの線スペクトルの広がりを持ち、その包絡線はガウス分布型となる。例えば、ＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）方式においては、ビットレートが１０Ｇｂｐｓのときは、それぞれの線スペクトルの間隔は０．０８ｎｍであるが、ビットレートが４０Ｇｂｐｓになると線スペクトルの間隔は０．３２ｎｍとなる。即ち、線スペクトルの広がりはビットレートに比例して増大する。

また、ＮＲＺ（Ｎｏｎ Ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ Ｚｅｒｏ）方式では、線スペクトルの広がりは、ＲＺ方式と比較すると半分となる。即ち、ＮＲＺ方式においては、ビットレートが２０Ｇｂｐｓのときは、線スペクトルの間隔は０．０４ｎｍであり、ビットレートが４０Ｇｂｐｓのときは、線スペクトルの間隔は０．１６ｎｍとなる。

ビットレートが高くなるに従い、光信号の成分である線スペクトルの間隔が広がるため、光ファイバ伝送路を伝搬したときの群遅延時間の差が大きくなり、光信号の歪みが増大する。また、光信号が受ける分散の影響はビットレートの二乗に比例して大きくなる。

このような分散を補償するために、伝送路である光ファイバの分散と反対の符号の分散を持つ分散補償ファイバやチャープグレーティング等の分散補償器が開発されている。しかし、上記分散補償器は一定の分散しか補償できない。このため、光ファイバの温度変動、外力による光ファイバの応力変化等により、光ファイバの分散が時間とともに変化する動的な分散補償には対応できなかった。

そこで、温調素子（発熱／吸熱素子）を用いて光ファイバの軸方向の温度分布を調節し、光ファイバの分散を補償する可変分散補償器が開発されている（例えば、特許文献１参照）。チャープグレーティングが形成されている光ファイバが、複数の金属リング（熱伝導手段）に挿入されており、複数の金属リング上に温調素子が配置されている。温調素子は、温度コントローラからの制御信号によって発熱または吸熱する。温調素子の熱は金属リングを伝導し、チャープグレーティングに付加され、各部分のブラッグ反射波長が変化する。これにより、チャープグレーティングに入射した光信号に付加される分散が変化する。

特開２００４−３３４０５２号公報

しかしながら、従来の可変分散補償器では、温調素子を金属リング外周面の一箇所に配置しているため、金属リングの温度を均一にするには金属リングの肉厚を厚くする必要がある。また、金属リングは、直線ガイドや温調素子と接触しているため、接触物を介して金属リングの熱が伝導してしまう。このため、金属管の加熱に必要な消費電力が増加し、かつ分散補償の応答速度が低下するという問題がある。

また、複数の金属リングを用いてチャープグレーティングに温度を付加しており、複数の金属リング間は樹脂やガラスなどで形成される直線ガイドが配置されている。そのため、チャープグレーティングの光軸方向に線形な温度分布を形成する際、樹脂やガラス部分において局所的に温度が低下し、階段状の温度リップルが発生してしまう。この温度リップルは、チャープグレーティングの光学特性の劣化に大きく影響し、伝送性能の大幅な劣化を引き起こす。

本発明の目的は、チャープグレーティングに温度リップルの少ない線形な温度分布を形成するとともに、低消費電力で応答速度が速い可変分散補償器を提供することである。

本発明に係る可変分散補償器は、チャープグレーティングを有する光ファイバと、光ファイバの光軸方向に沿ってチャープグレーティングの温度分布を調整する金属管と、光ファイバの光軸方向に沿って設けられたコイルと、コイルに流れる交流電流の電流量を調整する電源回路とを備えたものである。

本発明によれば、コイルからの誘導加熱により金属管をほぼ非接触で加熱するため、効率良く金属管を加熱することができる。このため、金属管の加熱に要する消費電力を低減し、かつ分散補償の応答速度を向上することができる。

また、本発明によれば、金属管とコイルとの間で誘導加熱を用いることにより、チャープグレーティングに温度リップルの少ない線形な温度分布を形成するため、チャープグレーティングの光学特性の劣化を抑制できる。

本発明の実施の形態１による可変分散補償器を示す構成図である。 本発明の実施の形態１による金属管の温度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態１による光ファイバの光学特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態１による可変分散補償器を示す構成図である。 本発明の実施の形態１による可変分散補償器を示す断面図である。 本発明の実施の形態１によるチャープグレーティングの温度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態１によるチャープグレーティングの群遅延特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態２による可変分散補償器を示す構成図である。 本発明の実施の形態２による可変分散補償器を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による可変分散補償器を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による可変分散補償器を示す構成図である。 本発明の実施の形態３による金属管の温度分布を示すグラフである。 本発明の実施の形態３による可変分散補償器の挿入損失特性を示すグラフである。

本発明に係る可変分散補償器の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下の各図において、同一符号は、同一または相当の構成（実質的に同一の部材）を示す。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による可変分散補償器を示す構成図である。金属管２の内部にはチャープグレーティングを形成した光ファイバ１が挿入されている。図１では、光ファイバ１が１本の場合を例にしているが、金属管２の内部に光ファイバ１を複数本挿入した構成でもよい。金属管２の外側に、金属管２の管断面の中心に対して同一円心状となるように巻線されたコイル３が設けられている。これは、後述する誘導加熱の効率を最大とするための配置であり、コイル３は金属管２に沿って（光ファイバ１の光軸方向に沿って）設けられていればよく、コイル３の外部に金属管２を配置してもよい。コイル３のコイルピッチは、光ファイバ１の光軸方向に沿って徐々に変化している。コイル３には電源回路４から交流電圧が印加される。

次に、動作について説明する。電源回路４により、コイル３に交流電流を流すと磁力線が発生する。発生した磁力線によってコイル３内部に配置した金属管２に渦電流が流れる。渦電流と金属管２が有する電気抵抗とでジュール熱が発生し、金属管２自体が発熱する。このような電磁誘導を利用した加熱は、誘導加熱と呼ばれる。誘導加熱を利用することで、物理的な接触無しに金属管２を加熱することができる。なお、以下の各実施の形態において、コイル３に流す交流電流を特に高周波電流とすると、誘導加熱の効率が向上する。

金属管２の発熱量は、発生する渦電流の大きさの２乗に比例する。また、渦電流の大きさは発生する磁力線に比例する。そして、磁力線の大小は交流電流の電流量、コイル３の巻数、金属管２とコイル３との距離によって決まる。従って、コイル３に流す交流電流の電流量、コイル３の巻数、金属管２とコイル３との距離を変化させることにより、金属管２に様々な温度を加えることができる。

本実施の形態１による可変分散補償器は、光ファイバ１の光軸方向に沿って、コイル３のコイルピッチを徐々に変化させた構成である。前述のように、誘導加熱によって金属管２が発熱するが、コイルピッチが場所によって異なる（即ち、単位長さ当たりの巻数が場所によって異なる）ため、発熱分布は一様ではない。巻数の多いところ（即ちコイルピッチが小さいところ）では磁力線が多くなるため発熱量は大きい。一方、巻数の少ないところ（即ちコイルピッチが大きいところ）では、磁力線が少なくなるため発熱量は小さい。光ファイバ１の光軸方向に沿ってコイル３のコイルピッチ（単位長さ当たりの巻数）を徐々に変化させた構成の場合、誘導加熱による発熱量が光軸方向に沿って徐々に変化する。このため、金属管２に温度勾配を形成することができる。

図２は本発明の実施の形態１による金属管２の温度分布を示すグラフである。コイル３に流す交流電流の電流量を変更して、金属管２に形成される温度分布を各々測定したものである。金属管２の位置は、０［ｍｍ］が図１に示すＡ点に対応しており、６０［ｍｍ］が図１に示すＢ点に対応している。金属管２及びコイル３の長さはあくまでも一例であって、これに制限されるものではない。実線１１はコイル３に流れる電流が０［Ａ］の場合を示している。コイル３に交流電流が流れないため誘導加熱が発生せず、実線１１で示すように金属管２の温度は一定となる。コイル３に交流電流を流すと、電流量に応じて実線１２〜１４で示すように金属管２に温度勾配が形成される。電源回路４により、コイル３に流す交流電流の電流量を調整することで、温度勾配の傾きを任意に設定可能であることがわかる。

図３は本発明の実施の形態１による金属管２内部に配置した光ファイバ１の光学特性を示すグラフである。特に、光ファイバ１のチャープグレーティングの群遅延特性を示している。図３に示す実線３１〜３４はそれぞれ、図２に示す実線１１〜１４に対応している。例えば、コイル３に電流を流さない場合（金属管２の温度分布が図２の実線１１の場合）は、チャープグレーティングは図３の実線３１に示す群遅延特性を有する。コイル３に交流電流を流し、金属管２の温度分布が図２の実線１２のようになると、チャープグレーティングは図３の実線３２に示す群遅延特性を有する。

金属管２を介して、温度勾配をチャープグレーティングに施すと、チャープグレーティング各部分のブラッグ反射波長が変化し、チャープグレーティングに入射した光信号に付加される分散が変化する。即ち、コイル３に流す交流電流の電流量を制御することで、任意の分散を設定することができ、可変分散補償器を構成することができる。本構成の場合、金属管２に非接触で加熱することができるため、効率良く加熱することができる。また、熱容量は金属管２だけで決まるため、応答速度が非常に早い。しかし、実際に可変分散補償器を製造する場合は、金属管２の外壁に完全に非接触で製造することは困難である。そこで、例えば、図４に示す構成で可変分散補償器を実現する。

図４は本発明の実施の形態１による可変分散補償器を示す構成図である。図４に示すように、金属管２を支持するため金属管２の両端に支柱５を設ける。支柱５は熱伝導率が非常に低い物質が望ましい。支柱５の熱伝導率が高いと、金属管２から支柱５を介して熱が伝導してしまうため、金属管２の温度が低下する。このため、誘導加熱での発熱量がより多く必要となり、可変分散補償器の消費電力が増大する。本発明を構成するにあたり、支柱５を設けることに限らない。図５は本発明の実施の形態１による可変分散補償器を示す断面図である。図５（ａ）は光ファイバ１の光軸方向に垂直な断面を示しており、図５（ｂ）は光ファイバ１の光軸方向の断面を示している。図５に示すように、金属管２の周囲に熱伝導率が低い絶縁物６を配置し、絶縁物６の周囲にコイル３を形成してもよい。

図１、図４及び図５に、様々な構成の可変分散補償器を示したが、光ファイバ１のチャープグレーティングの温度分布に温度リップルが極力発生しない構成であることが望ましい。例えば、本実施の形態１とは異なり、管と管との間に隙間がある連続していない複数の管を使用した場合、管と管との隙間で光ファイバ１（チャープグレーティング）の温度が低下し、温度リップルが生じる。この温度リップルはチャープグレーティングの光学特性の劣化を引き起こす。図６は本発明の実施の形態１によるチャープグレーティングの温度分布を示すグラフである。図中、実線１５は本実施の形態１のように連続した管を使用した場合のチャープグレーティングの温度分布を示している。なお、本実施の形態１との比較のため、破線１６は管と管との間に隙間のある非連続な管を使用した場合のチャープグレーティングの温度分布を示している。

連続した管を使用した場合は、実線１５に示すように温度リップルのない滑らかで線形な温度分布となるが、非連続な管を使用した場合は、破線１６に示すように管と管との隙間で温度が低下し温度リップルが発生している。破線１６は、６０ｍｍのチャープグレーティングに対して２４個の管を使用した場合を示している。管と管との隙間が大きくなるほど、温度リップルも大きくなる。

図７は本発明の実施の形態１によるチャープグレーティングの群遅延特性を示すグラフである。図７は、温度分布が図６に示すような状態である場合のチャープグレーティングの群遅延特性を示している。図中、実線３５は、温度分布が図６の実線１５で示す場合のチャープグレーティングの群遅延特性を示しており、破線３６は、温度分布が図６の破線１６で示す場合のチャープグレーティングの群遅延特性を示している。

破線１６で示すような温度リップルの大きい温度分布をチャープグレーティングに付加した場合は、破線３６に示すように群遅延リップルも大きくなる。群遅延リップルは、光信号の伝送特性に大きく影響する。伝送シミュレータで計算すると、破線３６で示す群遅延特性の場合には、約３ｄＢのパワーペナルティが発生している。

一方、実線１５で示すような温度リップルの小さな温度分布をチャープグレーティングに付加した場合は、実線３５に示すように群遅延リップルは非常に小さくなる。実線３５で示す群遅延特性の場合には、伝送シミュレータで計算するパワーペナルティは０．５ｄＢ以下となり、非常に良好な伝送性能を提供できることがわかる。

本発明の実施の形態１によれば、コイル３からの誘導加熱により金属管２を非接触で加熱するため、効率良く加熱することができる。これにより、金属管２の加熱に要する消費電力が減少し、かつ分散補償の応答速度が向上するという効果がある。

また、金属管２とコイル３との間で誘導加熱を用いることにより、チャープグレーティングに温度リップルが小さく線形な温度分布を付加している。このため、チャープグレーティングの光学特性の劣化を抑制し、伝送性能が向上するという効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、金属管２とコイル３との距離は一定であったが、変化させてもよい。図８は本発明の実施の形態２による可変分散補償器を示す構成図である。実施の形態１においては、光ファイバ１の光軸方向に沿ってコイル３の巻数を変化させることで、金属管２に発生する渦電流を制御している。一方、本実施の形態２では、コイル３の巻数ではなく、金属管２とコイル３との距離を変化させることで、金属管２に発生する渦電流を制御する。

金属管２の発熱量は、コイル３に流す交流電流の電流量、コイル３の巻数、金属管２とコイル３との距離（より厳密には金属管２とコイル３を形成する金属線の断面中心との距離）によって決まる。つまり、光ファイバ１の光軸方向に沿って、金属管２とコイル３との距離を徐々に変化させることにより、金属管２の温度分布を制御できる。図８に示すように、光ファイバ１の光軸方向に沿って、コイル３のコイル径を徐々に変化させれば、コイル径が小さな箇所では金属管２の発熱量は大きく、コイル径が大きな箇所では金属管２の発熱量は小さくなる。

図９は本発明の実施の形態２による可変分散補償器を示す断面図である。図９（ａ）は光ファイバ１の光軸方向に垂直な断面を示しており、図９（ｂ）は光ファイバ１の光軸方向の断面を示している。金属管２とコイル３との間に熱伝導率の低い絶縁物６を配置し、図９（ｂ）に示すように絶縁物６の厚みを光ファイバの光軸方向に沿って変化させることで金属管２とコイル３との距離を高精度に調整できるため、金属管２に付加する温度分布を高精度に実現することができる。

図１０は本発明の実施の形態２による可変分散補償器を示す断面図である。図１０（ａ）は光ファイバ１の光軸方向に垂直な断面を示しており、図１０（ｂ）は光ファイバ１の光軸方向の断面を示している。図１０（ｂ）に示すように、絶縁物６の厚みは一定であるが、コイル３を形成する金属線の直径を徐々に変化させている。コイル３の金属線の直径が大きくなるに従い、金属線の断面の中心と金属管２との距離が大きくなり、金属管２に付加する温度分布を調整することができる。

本発明の実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、絶縁物６を用いることで金属管２とコイル３との距離を高精度に調整できるので、金属管２に付加する温度分布の精度が高まり、高精度な分散補償が可能となる。

実施の形態３．
実施の形態１では、コイル３は単数であったが、複数のコイルで構成してもよい。本実施の形態３では、実施の形態１に係る可変分散補償器と比較すると、コイルの個数が相違する。図１１は本発明の実施の形態３による可変分散補償器を示す構成図である。

光ファイバ１の光軸方向に沿って、複数のコイル３ａ〜３ｇを配置しており、各々のコイル３ａ〜３ｇに供給する交流電流の電流量を個別に制御することができる電源回路４を備える。各々のコイル３ａ〜３ｇに対向する金属管２の各箇所は、各々のコイル３ａ〜３ｇに流れる交流電流の電流量に応じて発熱量が異なる。金属管２に温度勾配を形成したい場合は、光ファイバ１の光軸方向に沿って徐々に各々のコイル３ａ〜３ｇに流す電流量を増加あるいは減少させればよい。

図１２は本発明の実施の形態３による金属管２の温度分布を示すグラフである。金属管２の位置は、０［ｍｍ］が図１１に示すＡ点に対応しており、６０［ｍｍ］が図１１に示すＢ点に対応している。金属管２及びコイル３の長さはあくまでも一例であって、これに制限されるものではない。実線１７はコイル３ａ〜３ｇの交流電流が全て０［Ａ］の場合を示している。なお、コイル３ａ〜３ｇに流す交流電流の電流量を、光ファイバ１の光軸方向に沿って（Ａ点側からＢ点側へ向けて）、０［Ａ］から徐々に増加させれば温度勾配を形成するとともに、金属管２の片端側（Ａ点側）では発熱量を０［Ｊ］にすることができる。温度勾配の傾きは、隣接するコイルそれぞれに流れる電流量の差分に比例する。コイル３ａ〜３ｇに流す交流電流の電流量を各々調整することにより、実線１８〜２０に示すように、温度勾配の傾きを任意に設定可能である。

実施の形態１では、分散を可変調整するためには、必ずコイル３に交流電流を流すことになるため、図２の実線１２〜１４に示すように金属管３の片端側（金属管位置０［ｍｍ］の箇所、即ちＡ点）の温度が必ず上昇する。分散は温度の傾きによって決まるため、この温度上昇は分散にとっては不要である。本実施の形態３では金属管２の片端側（Ａ点側）を発熱させるためのコイル３ａに流す交流電流を０［Ａ］に設定できるので、図１２の実線１８〜２０に示すように、金属管３の片端側（Ａ点側）での温度上昇が発生していない。不要な発熱を削減することで、更に消費電流を低減することができる。

また、本実施の形態３では、複数のコイル３ａ〜３ｇの全てに同じ電流量を供給すれば、金属管２の全体を均一に温度上昇させることができる。金属管２の温度勾配が変化しない場合は、チャープグレーティングの分散も変化しない。図１３は本発明の実施の形態３による可変分散補償器の挿入損失特性を示すグラフである。実線４１の状態から、チャープグレーティング全体を均一に温度上昇させると、挿入損失特性は一点鎖線４２へとシフトする。即ち、チャープグレーティングの温度上昇に伴い、挿入損失特性の中心波長が長波長側へシフトする。金属管２の温度勾配は変化させずに、金属管２全体を均一に温度上昇／下降させることで、チャープグレーティングの分散を変化させずに、中心波長だけを任意に変更可能である。この特性を利用して、実施の形態３による可変分散補償器をフィルタとして使用することができる。

本発明の実施の形態３によれば、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、複数のコイル３ａ〜３ｇを用いて金属管２に温度分布を形成するため、金属管２の片端側での温度上昇を発生させず不要な発熱を削減することで、消費電流を低減することができる。

さらに、本発明の実施の形態３によれば、金属管２の全体を均一に温度上昇／下降させることで、チャープグレーティングの分散を変化させずに、中心波長だけを変化させることができる。

１ 光ファイバ
２ 金属管
３、３ａ〜３ｇ コイル
４ 電源回路

Claims (5)

1. チャープグレーティングが形成された光ファイバと、
   前記光ファイバの光軸方向に沿って前記チャープグレーティングの温度分布を調整する金属管と、
   前記光ファイバの光軸方向に沿って設けられたコイルと、
   前記コイルに流れる交流電流の電流量を調整する電源回路と、
   を備えた可変分散補償器。
2. 前記コイルを複数備え、
   前記電源回路は、複数のコイルそれぞれに流れる交流電流の電流量を個別に制御することを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
3. 前記コイルのコイルピッチが、前記光ファイバの光軸方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
4. 前記コイルを形成する金属線の断面中心と前記金属管との距離が、前記光ファイバの光軸方向に沿って変化していることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
5. 前記金属線の直径が、前記光ファイバの光軸方向に沿って変化していることを特徴とする請求項４記載の可変分散補償器。

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