JP2011064780A - 可変分散補償器 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶分子の配向方向によって、可変分散補償器の透過特性に透過率リプルを生じる。このリプルは、分散補償器において分散値が補償された光信号を、再び劣化させ、波長グリッドを中心とする透過帯域も狭くする。特に波長分散による影響が大きい４０Ｇｂｐｓ以上の高速な通信方式においては、この残存リプルのために、十分な分散補償効果を得ることが困難であった。分散補償時の透過特性に発現するリプルを低減させた分散補償器を提供することが求められていた。
【解決手段】本発明は、可変分散補償器における空間位相変調器に対して、本発明特有の位相設定を行うことによって、透過率特性に発現するリプルを大幅に低減させる。また、空間位相変調器の位相変調面に、斜めに光信号を入射させる。空間光学系に本発明特有の構成を適用し、空間位相変調器に光強度制御機能を与え、透過率特性の帯域も拡大する。
【選択図】図６

Description

本発明は、分散補償器に関する。より詳細には、その分散補償特性に生じていたリプルを低減することができる可変分散補償器に関する。

近年、急速な発展を見せる大容量の光通信ネットワークシステムは、従来主流であったポイントツーポイント型のシステムからリング・メッシュ型の構成のシステムへ移りつつある。これは、リング・メッシュ型構成のシステムが、光信号を光の状態のままで処理するトランスペアレントな波長選択スイッチ等を用いることによって、ノード間の通信需要の変化に柔軟に対応できるためである。具体的には、リング・メッシュ型構成のシステムは、新規のパスの開通、パスの変更または廃止などに伴う、装置が設置された現地での作業量を、波長パスを動的に切り替えることによって大幅に減らすことができる利点を持つ。しかしながら、リング・メッシュ型のネットワークにおいては、波長パスの切り替えに伴ってパスの長さも変化してしまうため、そのパスの波長分散値も動的に変化してしまう。

従来の分散補償器は、分散補償ファイバタイプや分散補償量が固定されたタイプのものであった。上述のようなリング・メッシュ型構成のネットワークで波長パスの距離が異なる場合に、従来の分散補償器で、ＷＤＭ（wavelength division multiplexing）波長ごとに異なる分散値を設定することはできなかった。このため、光通信における波長パスの分散補償にも、柔軟な適応性が求められている。

一方、信号処理装置の小型化・集積化の点から、導波路型光回路(ＰＬＣ: Planar Lightwave Circuit)の開発研究が進められている。ＰＬＣでは、例えばシリコン基板上に石英系ガラスを材料としたコアを形成して１つのチップに多様な機能を集積されており、低損失で信頼性の高い光機能デバイスが実現されている。さらには、複数のＰＬＣチップと他の光機能部品を組み合わせた複合的な光信号処理部品（装置）も登場している。

例えば、非特許文献１には、アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）などを含む導波路型光回路(ＰＬＣ)と、液晶素子などの空間変調素子とを組み合わせた、光信号処理装置が開示されている。より具体的には、液晶素子を中心位置として対称に配置されたＰＬＣおよびコリメートレンズからなる波長ブロッカをはじめ、波長イコライザ、分散補償器などの光信号処理装置の検討が進められている。これらの光信号処理装置では、異なる波長を持つ複数の光信号に対して、波長毎に独立して光信号処理が行なわれる。

図１は、ＰＬＣと空間変調素子を組み合わせた可変分散補償器の一例を示す構成図である。より具体的には、ＡＷＧとＬＣＯＳ(Liquid crystal on silicon)を組み合わせた可変分散補償器を示す。この可変分散補償器では、外部の光信号がＡＷＧ１０１を経由して入出力される。より具体的な動作を、ＡＷＧの基板面に垂直な方向から見た図１の（ａ）を参照しながら説明する。

ＡＷＧ１０１は、異なる波長を持つ複数の光信号を、その波長に応じた出射角度θで分波する。分波された光信号は、端面ＡからＹシリンドリカルレンズ１０２を経由して、集光レンズ１０３へ向かってｚ軸方向に出射する。集光レンズ１０３によって集光された光信号は、出射角度θに対応して、位相変調機能を持つ空間位相変調器１０４のｘ軸上の所定の各位置に集光される。すなわち、入力光信号の波長に応じて、空間位相変調器１０４のｘ軸上の異なる位置に光信号が集光されることに留意されたい。

空間位相変調器１０４は、例えば複数の要素素子（ピクセル）からなる液晶素子などである。各要素素子の透過率などの制御によって、各波長の光信号は所定の位相量が与えられて位相変調を受け、波長毎に所定の分散値が与えられる。ｘ軸上に配列された複数の要素素子を用いて、空間位相変調器１０４に二次関数状のプロファイルを持つ位相分布を与えることによって、分散を得ることができる。このとき、ｘ軸に関する位相分布の二次の係数によって、設定する分散量を任意の値に設定することができる。従って、大きな分散値に設定するためには、位相分布の二次の係数を大きく設定する必要がある。すなわち大きな分散値を設定しようとするほど、大きい位相変調量が要求される。

分散補償された光信号は、空間位相変調器１０４で反射されて進行方向を反転し、再び集光レンズ１０３およびＹシリンドリカルレンズ１０２を通って、ＡＷＧ１０１において合波される。合波された各波長の光信号は、出力光として、再びＡＷＧ１０１外へ出力される。図１の（ｂ）は、可変分散補償器をＡＷＧ１０１の基板断面を見た図を示している。（ｂ）を参照すればわかるように、ｙ軸方向にのみレンズ作用を持つＹシリンドリカルレンズ１０２が、ＡＷＧ１０１の出射端面Ａの近傍に配置されている。

ＡＷＧ１０１は、良く知られているように、入力導波路１１０、スラブ導波路１１１および導波路アレイ１１２が、順次接続された構成を持つ。図１の（ａ）に示したＡＷＧ構成では、入力導波路１１０は、分散補償された光信号を出力する出力導波路も兼ねているが、この構成に限られない。分散補償の対象となる光信号は、入力光ファイバ１０６へ入力され、サーキュレータ１０９および接続光ファイバ１０８を経由して、ＡＷＧの入力導波路１１０へ入力される。分散補償された光信号は、入力導波路１１０から接続導波路１０８およびサーキュレータ１０９を経由して、さらに出力光ファイバ１０７から外部へ出力される。

図１の（ａ）に示した分散補償器は、ミラーを使用して光信号を折り返すことで、１つのＡＷＧによって光信号の分波および合波の両方を行なう構成であり、一般に反射型構成と呼ばれている。分散補償器の光信号処理は、この反射型構成だけに限られない。図１の（ａ）に示した装置構成において、空間位相変調器１０４による反射の向きを変えることによって、任意の位置に配置した、レンズおよびＡＷＧからなるもう一つの出射系によって光信号の合波を行う構成も可能である。また、図１のｙ方向に入射系ＡＷＧと出射系ＡＷＧを重ねて配置する（スタック）構成とすることもできる。

図１の（ａ）に示した構成の可変分散補償器は、高い分散補償特性を持ち、さらにＬＣＯＳの微細なセル構造に由来する自由度の高い位相設定が可能である。さらに、多チャンネルを一括して分散補償することも可能である特徴も持っている。

従来型の構成の可変分散補償器に用いる空間位相変調器としては、ＬＣＯＳなどをはじめとした液晶素子を用いるタイプ（非特許文献１）の他にも、ＭＥＭＳを用いたタイプ（非特許文献２）や、三次元曲率を有するミラー（非特許文献３）を用いたタイプも報告されている。しかしながら、ＭＥＭＳを用いたタイプでは、精密な位相設定が難しいこと、駆動に際しては高電圧が必要になることが懸念されていた。さらに、可動部を有するため信頼性の面で不安が残ることからも報告例はあまり多くない。また三次元曲率を有するミラーを用いたタイプにおいては、柔軟に位相設定を変更することが不可能である点からも応用例は限られている。このため、可変分散補償器に用いる空間位相変調器としては液晶を駆動原理とするタイプが非常に有望である。

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しかしながら、液晶による空間位相変調器においては、位相変調量に上限が存在する問題点がある。数πオーダーの大きな位相変調量を有する液晶も開発されているが、実用的レベルでは、およそ２π程度に制限された位相変調量を有する液晶が一般的に用いられている。前述のように、所望の設定分散補償量が大きくなるほど必要とされる位相変調量も大きくなることから、単純に二次関数状のプロファイルの位相設定を与えることでは大きな分散補償量を得ることが難しい。

図２は、ＬＣＯＳにおいてより大きい位相変調量を実現する位相設定の例を示す図である。横軸は、ＬＣＯＳのｘ軸方向の位置を示しており、縦軸はＬＣＯＳの要素素子によって与えられる位相量を示している。尚、図２の横軸に対応するｘ軸は、図１におけるｘ軸に対応している。Ａの点線で示した位相量は、所望の設定分散補償量を得るために本来必要となる位相量を示している。一方、Ｂの実線で示した位相量は、いわゆるフレネルレンズ状に位相変調量２πごとに位相の折り返しを行うことで、Ａで示された位相量と等価的な位相量を実現した場合である。すなわち、２πを除数とし二次関数を被除数とする剰余の位相分布を持っている。実際の位相量を２π以内に収めて、等価的により大きな分散補償量に対応している。位相が２ｍπ（ｍは整数）のとき、光信号は、原理的に異なるｍ個の各状態を互いに区別しない。このため、２ｍπ（ｍは整数）の各位置で完全に位相折り返しが行われている場合、Ｂの実線で示したこの方式に起因する分散補償特性への影響は存在しない。

しかしながら、現実には折り返しに伴う分散補償特性への影響は、ＬＣＯＳ上の折り返し位置（ｘ）に相当する周波数におけるリプルという形で現れる。このリプルは、単純に位相値の設定誤差によるものの他に、液晶のエッジ効果による影響が知られている。このエッジ効果に関して、非特許文献４を例に挙げながら説明する。

液晶の位相変調原理によれば、ある特定の方向に一様に配向した液晶分子に電圧が印加されるとき、その電圧に比例する形で液晶分子の配向角度が変化し、屈折率が変化する。非特許文献４においては、位相変調要素の配列方向と同じ方向に、ロッド状の液晶分子が回転をする例が挙げられている。

図３の（ａ）は、非特許文献４に示すようなｘ軸と同じ方向に液晶分子が回転する配向形態の液晶型空間位相変調器の構成を示す図である。図３では、説明のために金属電極３０３が一枚のみ存在する単純なモデルを用いているが、実際に可変分散補償器として用いられる際には、金属電極３０３がｘ軸またはｙ軸方向に複数配列された位相変調要素群（位相付与セル）を必要とする。図３の（ａ）に示した液晶型空間位相変調器３００は、対向する２枚の基板３０１ａ、３０１ｂと、一方の基板３０１ｂの対向面上に配置されている透明電極３０２と、他方の基板３０１ａ上に配置されている金属電極３０３とから構成される。光信号は、図の下方より上方に向かってｚ軸方向に入射する。２つの基板間には、多数の液晶分子３０４ａ、３０４ｂが充たされている。図３では、ｘ軸方向が電圧を印加していない初期状態での液晶分子の配向方向であって、電圧を印加するとｚ軸方向に配向方向が変化するような構成の液晶を例として示している。この構成に限られず、初期状態での配向方向がｚ軸方向であって、電圧印加時にｘ軸に配向方向が変わるような液晶を用いても良い。

図３の（ｂ）は、液晶型空間位相変調器３００の２つの電極間に電圧を印加した状態の液晶分子の配向方向を模式的に例示した図である。基板３０１ａ、３０１ｂに近い位置に存在する液晶分子ほど電圧を印加していない初期状態に近い配向方向となる。しかし、２枚の基板３０１ａ、３０１ｂのｚ軸方向における中間点近傍においては、液晶分子３０４ｂのようにｚ軸方向に配向方向が回転する。この場合、液晶の初期状態の配向方向、すなわちｘ軸方向に振動するような偏向状態の光に対しては屈折率が変化して見えるため、液晶分子群が空間位相変調器として動作する。

図４は、図３の液晶型空間位相変調器を用いた場合の透過率スペクトル測定例を示した図である。図３に示した液晶型空間位相変調器を、図１における空間位相変調器１０４として用いて、電圧印加領域に入射する光の位相変化量が一定値の２πとなるように電圧を調整した場合の透過率スペクトルを示している。図４の上方には、透過スペクトルの相対周波数と空間位相変調器の位置とを対応させて、空間位相変調器への位相設定量（Phase shift）も示している。横軸の相対周波数（ＧＨｚ）は、液晶型空間位相変調器の変調要素が配列されるｘ軸方向の位置に対応している。

この測定例においては、アレイ導波路格子１０１のパラメータとして、中心周波数を１８８．９ＴＨｚ、自由スペクトルレンジ（以下ＦＳＲ：Free spectral range）を２００ＧＨｚ、集光レンズ１０３の焦点距離を１００ｍｍ、空間位相変調器１０４の位相変調要素数は２５６、隣接する位相変調要素の配列周期を１０μｍとして設計した。

図３の（ａ）および（ｂ）において、図に向かって金属電極３０３の左端部に入射する光信号の波長をＡ、同じく右端部に入射する光信号の波長をＢとすると、図４に示した透過率スペクトルにおいて、周波数Ａ近傍、すなわち位相設定値が、周波数の低いほうから高いほうへ向かって０から２πに跳躍設定される境界領域において、およそ１ｄＢ程度の透過率リプルを確認できる。一方で、周波数Ｂ近傍、すなわち位相設定値が、周波数の低いほうから高いほうへ向かって２πから０に跳躍設定される境界領域においては、０．１ｄＢほどの透過率リプルしか発現していない。金属電極３０３の左端部と右端部との間で、液晶の挙動に差異が現れている。

この差異は、液晶分子の配向方向がＡＷＧ１０１による波長分光軸と一致することから発現する現象である。周波数Ａの光が入射する位相設定値が０から２πへ跳躍する境界領域では、位相がｘ軸方向に対してなだらかに変化する。一方で、周波数Ｂの光が入射する２πから０へ位相設定が跳躍する境界領域では、シャープに位相変化が起きる。これが、非特許文献４においてエッジ効果として問題視されている現象である。この透過率リプルを抑制するために、非特許文献４においては、液晶分子の配向方向を９０°回転させ、ｙ軸方向に分子を回転させる構造とした液晶型空間位相変調器の実験例が報告されている。

図５は、非特許文献４で報告された構造によって、図４と同様の実験を行った場合の透過率スペクトルを示した図である。図５によれば、ＡＷＧ１０１による波長分光軸方向（ｘ軸）における液晶分子の非対称性が緩和される。このため、９０°配向方向を変更した液晶型空間位相変調器を用いた場合に観察される周波数Ａおよび周波数Ｂそれぞれのリプルは、いずれも従来の配向方向における周波数Ａおよび周波数Ｂの両者の透過率リプルの平均値の大きさを持つ。したがって、波長分光軸に直交するｙ軸と一致させるように液晶分子の配向方向を設定することによって、透過率リプルを低減することが可能である。それでも、依然として０．５ｄＢ程度のリプルは残存することになる。この残存リプルは、分散補償器において分散値が補償された光信号を、再び劣化させ、波長グリッドを中心とする透過帯域をも狭くする。特に波長分散による影響が大きい４０Ｇｂｐｓ以上の高速な通信方式においては、この残存リプルのために、十分な分散補償効果を得ることが困難であった。

上述のような問題点に鑑み、本発明は、アレイ導波路格子やバルク型回折格子に代表されるような波長分波素子および空間光変調器を構成要素として含み、分散補償時の透過特性に発現するリプルを低減させた分散補償器を提供することを目的とする。

上述の問題点を解決するため、本発明の請求項１に係る可変分散補償器は、入力光信号の波長に応じた出射角度で光信号を分光する分光手段と、前記分光手段から出射された光信号を集光させる集光レンズと、前記分光手段による分光面との交線方向に配列された複数の位相付与セルを有し、前記複数の位相付与セルによって前記集光された光信号に所定の位相量を付与して前記分光手段へ反射する空間位相変調器とを備えた可変分散補償器であって、前記空間位相変調器に付与された位相分布は、前記分光手段による分光方向に、２πを除数として二次関数を被除数とする剰余の位相分布を持ち、前記位相分布の二次の頂点が周波数チャネルグリッドの中心周波数に対応する位置から高周波数側にずれており、前記頂点より高周波側には位相の折り返しが存在しないことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１の可変分散補償器であって、前記分光手段における中心周波数を有する光信号が、前記分光手段による分光面との前記交線方向に関して前記集光レンズの中心から離れた位置を通過し、前記空間位相変調器の位相変調面に対して垂直に入射しないことによって、前記空間位相変調器における損失が周波数チャネルグリッドの周波数で最低となることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１の可変分散補償器であって、前記空間位相変調器を前記分光面内で回転させ傾けて配置し、前記光信号が前記空間位相変調器の位相変調面に対して垂直に入射しないことによって、前記空間位相変調器における損失が周波数チャネルグリッドの周波数で最低となることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１の可変分散補償器であって、前記位相分布に、１次の位相分布をさらに付与することによって、前記空間位相変調器における損失が周波数チャネルグリッドの周波数で最低となることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの可変分散補償器であって、前記分光手段として、アレイ導波路格子を用いることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの可変分散補償器であって、前記空間位相変調器としてＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いることを特徴とする。

以上説明したように、本発明により、従来技術と比較して、分散補償時の透過率特性に発現するリプルをより低減させることが可能な分散補償器を提供することができる。さらに、透過帯域をより広くした分散補償器を提供することができる。

ＰＬＣと空間変調素子を組み合わせた従来技術の可変分散補償器の一例を示す構成図である。 ＬＣＯＳでより大きい位相変調量を実現する位相設定例を示す図である。 ｘ軸と同じ方向に液晶分子が回転する配向形態の液晶型空間位相変調器の構成を示す図である。 図３に示した空間位相変調器を空間位相変調器として用いた場合の透過率スペクトル測定例を示す図である。 従来技術の他の構造による透過率スペクトル測定例を示す図である。 本発明による光強度制御器の実施例１の構成を示す図である。 実施例１において使用されるアレイ導波路の構成の詳細を示す図である。 従来の位相設定例および対応する透過率特性の例を示す図である。 本発明の位相設定例および対応する透過率特性の例を示す図である。 本発明による分散補償器の実施例２の構成を示す図である。 実施例２において、空間位相変調器へ入射した光信号が位相変調を受けた後の、反射光の挙動を説明する図である。 本発明による分散補償器の実施例３の構成を示す図である。 実施例３における第２のアレイ導波路の詳細な構成を示す図である。 実施例３の透過スペクトルの測定例を示した図である。

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明するが、本発明は実施例のみに限定されない。全図を通して同一の符合は同一または対応する要素部分を示すものとする。本発明は、可変分散補償器における空間位相変調器に対して、本発明特有の位相設定を行うことによって、透過率特性に発現するリプルを大幅に低減させる。さらに、空間光学系に本発明特有の構成を適用して、空間位相変調器に光強度制御機能を与え、透過率特性の帯域を拡大する。以下、実施例とともに詳細に本発明について説明する。

図６は、本発明による可変分散補償器の第１の実施例（以下、実施例１）の構成を示す図である。図１の（ａ）はＡＷＧの基板面に垂直な方向から見た上面図であり、（ｂ）は側面図である。ここで、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）６０１の基板面に平行でかつ光軸に垂直な方向をｘ軸、基板面に垂直な方向をｙ軸とし、光波の進行方向すなわち光軸方向をｚ軸としている。

図６の（ａ）に示すように、実施例１に係る可変分散補償器では、入力ファイバ６０５、接続ファイバ６０７および出力ファイバ６０８が接続されたサーキュレータ６０６と、接続ファイバ６０７に接続されたＡＷＧ６０１と、焦点距離がｆＹのＹシリンドリカルレンズ６０２と、焦点距離がｆＸの集光レンズ６０３と、空間位相変調器６０４とがこの順に配置されている。本実施例では、レンズ系としてＹシリンドリカルレンズ６０２および集光レンズ６０３をこの順に用いているが、同様の光学特性を有する構成であれば何枚のレンズを用いても良いし、またどのように配置されても良い。

図７は、実施例１において使用されるアレイ導波路の構成の詳細を示す図である。本発明において、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）６０１は、波長分波器および合波器として機能する。図７に示すように、ＡＷＧ６０１は、入力側光導波路７０１に接続された第１のスラブ導波路７０２と、第１のスラブ導波路に接続されたアレイ導波路７０３と、アレイ導波路７０３に接続された第２のスラブ導波路７０４とを備える。必ずしも、第２のスラブ導波路７０４を備えていなくても良い。

本発明の可変分散補償器の動作は、以下の通りである。まず入力ファイバ６０５に入力された光信号がサーキュレータ６０６を介しＡＷＧ６０１に入力される。入力された光信号は、入力側光導波路７０１、第１のスラブ導波路７０２、アレイ導波路７０３および第２のスラブ導波路７０４をこの順に通過する。ＡＷＧ６０１は、動作中心波長λ₀、所定のＦＳＲを有する分波特性を有するように設計される。

ＡＷＧ６０１の基板端面Ａから出力された光信号は、基板から出射した直後には基板垂直方向（ｙ軸方向）に発散するが、端面Ａから焦点距離ｆＹの位置に配置されたＹシリンドリカルレンズ６０２によって、ｙ軸方向について平行光に変換される。Ｙシリンドリカルレンズ６０２を通過した光信号は、ＡＷＧ６０１の端面Ａからｚ軸方向に焦点距離ｆＸだけ離れた位置に配置された集光レンズ６０３を通過する。周波数ごとに分波された各光信号は、集光レンズ６０３によって、集光レンズの主面から焦点距離ｆＸの位置に配置された空間位相変調器６０４の位相変調面上の異なる位置に集光する。詳しくは後述するが、集光した光はそれぞれ周波数ごとに空間位相変調器６０４によって所定の位相変化を与えられた上で反射される。その後、同一のＡＷＧ６０１を介して接続ファイバ６０７およびサーキュレータ６０６に導かれ、出力ファイバ６０８より出力される。

空間位相変調器６０４においては、各周波数チャネルごとに、ＡＷＧ６０１による光信号の分波軸、すなわちｘ軸方向に関して所望の二次係数ａを有する二次関数状の位相分布を設定さる。すなわち、ＡＷＧ６０１による分波面と空間位相変調器の位相変調面との交線方向（ｘ軸）に関して、二次関数状の位相分布が設定される。空間位相変調器６０４は、ｘ軸方向に配列された多数の位相付与セル（要素素子）を有しており、多数の位相付与セルによって上述の位相分布が設定されて、分散補償動作を実現する。本実施例における液晶型の空間位相変調器６０４の最大位相変調量はおよそ２πに設定されている。前述のように十分に大きい分散補償量を設定するにあたっては、２πごとに位相設定値を折り返したフレネルレンズ状の位相設定を行う必要がある。このとき、空間位相変調器６０４の液晶分子の配向方向がｘ軸方向と同じ場合、既に図４に示したように周波数Ａおよび周波数Ｂの間で、異なる透過率特性が得られることになる。以下、この周波数Ａの位相折り返し部に対応する液晶分子の配向モードをモードＡ、周波数Ｂの位相折り返し部に対応する配向モードをモードＢと、それぞれ呼称する。本発明では、位相折り返し部としてこのモードＢの配向モードのみを利用することによって、透過率リプルを低減する。

上述のＡモードでは、周波数の低いほうから高いほうへ向かって、設定位相値が０から２πへ跳躍する。一方、Ｂモードでは、周波数の低いほうから高いほうへ向かって、設定位相値が２πから０へ跳躍する。尚、実施例１の構成におけるＡＷＧ６０１のレイアウトがｙ−ｚ平面に対して、図７の構成と対称な配置をとり、空間位相変調器６０４上における周波数軸方向が逆方向になる場合は、ＡモードとＢモードの設定位相の跳躍が逆に成ることに注意されたい。実施例１における空間位相変調器６０４(すなわち液晶)をｘ−ｚ平面に対称な配置をとり、周波数軸方向に対して空間位相変調器６０４の液晶分子配列が逆方向になる場合も同様である。

図８は、従来技術の位相設定および対応する透過率特性を示す図である。以下説明する従来技術および本実施例の位相設定（図９）の例では、二次関数状の位相分布を設定するにあたって二次の係数ａが負になるような設定、すなわち正の分散を与える場合を示している。しかし、この二次の係数ａが正のときすなわち負の分散を与える場合は、モードＡとモードＢとが逆転するだけなので、いずれの場合も本実施例が適用可能である。また、以下の説明では、位相折り返しを行わない場合の位相変調量に換算して、ある１つのチャネルにおいて要求される位相変調量が６πである場合を例示的に示している。しかし、位相変調量は要求される分散設定量によって任意の値に変化するので、本発明と同様の位相設定を与えるものであれば、どのような位相変調量であっても良い。

図８の（ａ）に示すように、空間位相変調器６０４に対する従来技術による位相設定で、二次関数状の位相分布を与える際、一般に、波長グリッドに一致する周波数を有する光が、二次関数の頂点の位置に照射する光信号として入射するように設定される。すなわち、図８の（ａ）において、相対周波数０に対応する、空間位相変調器のｘ軸上の位置に、二次関数の頂点が来るように位相設定される。相対周波数０となる周波数が、周波数チャネルグリッドに一致する周波数となる。

上述の位相設定方法が利用されるのは、周波数チャネルグリッドに一致する周波数の光に対する損失が最小となり、ある程度左右対称な放物線状の透過率スペクトルが得られるためである。しかし、前述のとおり周波数チャネルグリッドを中心として低周波数側ではモードＢが生じ、高周波数側ではモードＡが生じるように空間位相変調器は位相設定されるため、図８の（ｂ）に示すように、高周波数側（モードＡ）で２πの位相折り返しに伴う透過率リプルが発生してしまう。そこで、本発明では、空間位相変調器に対して、モードＡを使用しないように位相設定を行う。

図９は、本発明の位相設定および対応する透過率特性の例を示す図である。図９の（ａ）に示すように、空間位相変調器に対して、リプルを発現させる可能性のあるモードＡ、すなわち０から２πへ位相が跳躍する位相折り返し部を含むような位相設定は行なわず、周波数チャネルグリッドに一致する周波数より高周波数側では位相折り返し部が生じないような位相設定を行う。このような位相設定にすることで、透過率が最も高くなる（損失が最小となる）周波数が周波数チャネルグリッドに一致する周波数から高周波数側にシフトするものの、透過率スペクトルにおけるリプルを非常に小さく抑えることができる。

図９の（ｂ）を参照すれば、本発明の位相設定よって、透過率スペクトルにおけるリプルを０．２ｄＢ以下にまで低減することが可能である。また、空間位相変調器に設定する二次関数状の位相分布の頂点の位置をずらすことで、相対周波数０の点から透過率が最大（損失が最低）となる周波数までの周波数シフト量をΔｆとする。周波数シフト量Δｆは、モードＡの位相折り返しによるリプルが発現しない範囲で、任意の値に設定することが可能である。周波数（波長）チャネルグリッドとのずれが最小となるように、図９の（ａ）に示すように各チャネル内において最も高い周波数の光が照射する空間位相変調器の位置に、モードＡによるリプルが発現する第１の位相折り返し部が設定されるような位相分布の設計を行うのが好ましい。

このような位相分布の設計を実現するための周波数シフト量Δｆを求めるにあたって、実施例１で説明した構成による分散補償器においては、設定する分散補償量は次式によって表現することができる。

式（１）中における各記号については、Ｄは設定する分散補償量を、λは波長を、ｃは真空中の光速を、βは空間位相変調器６０４の位相変調面上における線分散をそれぞれ表している。式（１）からも明らかなように、実施例１において分散を与えるためには、二次関数状の位相変化を設定する必要がある。そこで、ａを係数としてΦ（ｘ）を次式とする。

式（２）において、位相分布の二次の係数ａは次式のように変形される。

ここで、空間位相変調器６０４に実際に与える位相変化を式（３）の二次の係数ａを用いて検討すると、Φはさらに次式となる。

図９の（ａ）に示すように、各チャネル内において最も高い周波数の光が照射する位置が、モードＡが発現する第一の位相折り返し部と一致すれば良い。すなわち Φ＝２πが成立する位置ｘ_2πを求めると、上式（１）−（４）から、次式が得られる。

この位置ｘ_2πに照射する信号光の周波数を求めると、設定するチャネルの中心周波数をｆ₀、さらに周波数グリッド間隔をｆ_gridとおいて、Δｆは次式によって求められる。

したがって、前記のように各チャネル内において最も高い周波数の光が照射する位置にモードＡが発現する第一の位相折り返し部が設定されるためには、Δｆは式（６）および（７）を満たすことが必要となる。

図１０は、本発明による分散補償器の第２の実施例（以下、実施例２）の構成を示す図である。（ａ）は上面図であり、（ｂ）は側面図である。図１０の（ａ）はＡＷＧの基板面に垂直な方向から見た上面図であり、（ｂ）は側面図である。ここで、ＡＷＧ６０１の基板面に平行でかつ光軸に垂直な方向をｘ軸、基板面に垂直な方向をｙ軸とし、光波の進行方向すなわち光軸方向をｚ軸としている。

図１０に示すように、実施例２に係る分散補償器の基本的な構成要素は実施例１の構成要素と同様であるが、空間位相変調器６０４の位相変調面に対して入射光が傾いて入射し、垂直には入射しないよう構成されている点で相違する。

実施例１においては、ＡＷＧ６０１によって分波された光信号の中で、ＡＷＧの設計上の中心周波数と一致する光信号が集光レンズ６０３の中心を通るように、集光レンズ６０３が配置されていた。しかしこのような配置においては、空間位相変調器に実施例１で示したように周波数（波長）チャネルグリッドに対して非対称な形状の位相分布を設定したとき、透過率が最大となる周波数が周波数チャネルグリッドに一致しないという問題が生じる。そこで、実施例２においては、入射光を空間位相変調器６０４に対して斜めに入射させるよう空間光学系を構成とすることによって、分散設定時に透過率が最も高くなる周波数をチャネルグリッドに一致させることが可能となる。

より具体的には、図１０の（ａ）に示した本実施例の構成では、図６の実施例１の構成と比べて、集光レンズ６０３が、ｘ軸方向（図に向かって上方）にずれて位置している。したがって、ＡＷＧの設計中心周波数を持つ光信号は、ｘ軸に関して集光レンズ６０３の中心から離れた位置を通過している。この構成によって、ＡＷＧの中心周波数の光信号は、空間位相変調器６０４へ、垂直ではなくｚ軸方向からわずかに（図に向かって）上向きの傾斜角度を持って入射している。次に、光信号を空間位相変調器に斜めに入射させた場合の、空間位相変調器の詳細な動作について説明する。

図１１は、実施例２において、空間位相変調器へ入射した光信号が位相変調を受けた後の反射光の挙動について説明する図である。所定の分散が発生するように、空間位相変調器に負の係数ａを有する二次関数状の位相分布を設定したとき、空間位相変調器６０４へ入射する光信号と、入射した光信号が位相変調を受けた後の反射光の挙動の様子が示されている。図１１の（ａ）および（ｂ）いずれも、ｘ軸方向に要素素子が配置された空間位相変調器１１０１と、入射光１１０２ａ〜１１０２ｃ、１１０３ａ〜１１０３ｃおよび対応する各反射光とを示している。空間位相変調器１１０１によって設定される二次関数状の位相設定も合わせて示してある。尚、空間位相変調器１１０１は、向かって右側のミラー機能と左側の液晶機能の２層構造に簡略化して記載してある。

図１１の（ａ）は、実施例１においてＡＷＧ６０１の設計中心周波数およびその上下の周波数を有する光信号が集光レンズ６０３の概ね中心を通過し、空間位相変調器の二次関数状の位相分布の頂点および他の位置に入射した場合を説明した図である。入射光１１０２ｂは、ＡＷＧの中心波長の光信号に対応する。入射光１１０２ａおよび入射光１１０２ｃは、それぞれ、ＡＷＧの中心波長より短波長側および長波長側の光信号に対応する。また、集光レンズ６０３の作用により、いずれの入射光１１０１ａ〜１１０１ｃも、空間位相変調器に対して垂直に入射することに注意されたい。

中心周波数を有する光信号が、二次関数状の位相分布の頂点に相当する位置に垂直に入射した場合、入射光１１０２ｂおよび対応する反射光の各光軸はｚ軸方向に一致するため、入射光と反射光との間で損失は発生しない。しかし、二次関数状の位相分布の頂点以外の位置に入射する光信号、すなわち入射光１１０２ａ、１１０２ｃは、位相分布の傾きに応じて回折を起こす。この結果、空間位相変調器１１０１において、光信号は入射光の光軸方向に対して異なる方向に反射する。この入射光および反射光間の角度差によって結合損失が生じ、結果として透過率スペクトルは図９の（ｂ）に示したように放物線状となる。

図１１の（ｂ）は、本実施例において、空間位相変調器６０４に対してｚ軸方向から傾いた角度で入射した場合の反射光の挙動について説明した図である。空間位相変調器に対して実施例１と同様の位相設定を行い、ＡＷＧ６０１の設計中心周波数を有する光信号が、二次関数状の位相分布の頂点に相当する位置に入射した場合、入射光１１０３ｂと対応する反射光とは角度と一致しないため、損失が発生する。しかし、より低周波数側（長波長側）の光信号に対しては、入射光１１０２ｃと対応する反射光の光軸方向は一致するようになる。このため、透過率が最大となる周波数は、中心周波数よりも低い周波数にシフトされる。以上の原理により、空間位相変調器６０４の位相変調面に対して光信号を斜め入射させることができれば、透過率が最大となる周波数をチャネルグリッドに一致させることが可能である。

空間位相変調器６０４に対して、垂直でなく斜めに光信号を入射させるためには、空間位相変調器６０４自体をｙ軸を回転軸として回転させる機構を備えることが最も簡単な方法である。例えば、図１０の（ａ）において、空間位相変調器６０４の中央部に、ｙ軸に平行な回転軸を備え、空間位相変調器６０４を時計方向にわずかに回転させれば良い。このとき、空間位相変調器６０４の設定角度は固定値でも良いが、設定する分散補償量が変化すると透過率が最大となる周波数も変化することから、回転角度を調整可能な機構、例えばモーターなどを用いて制御することが最も望ましい。

また、図１０の（ａ）に示したように、集光レンズ６０３をｘ軸方向に並行移動させると、空間位相変調器６０４の角度を変更しなくても、入射光を斜め入射させることが可能である。この方法においても、例えばステッピングモーターなどの可動機構によって集光レンズ６０３の位置を制御するのが最も望ましい。さらに、集光レンズ６０３および空間位相変調器６０４のいずれの上記機構も使用しなくても、実施例１と同様の光学系の配置を行った場合でも、空間位相変調器６０４の位相設定を利用できる。空間位相変調器６０４において二次関数の位相分布に加えて、さらに１次関数の位相分布を付与することによって、簡単に周波数チャネルグリッドへ一致させる調整をすることができる。この方法は、入射光の角度調整量の点で角度調整モーターまたはステッピングモーターを使用する場合に及ばないものの、追加の機構を設けないでグリッドを調整可能であることから、コスト面や制御機構の簡素化の点で有利な構成となる。

加えて、実施例２においては、空間位相変調器６０４の基板などにおける不要な反射光がＡＷＧに再結合することを防ぐこともできる。基板面や透明電極ではフレネル反射が生じ、空間位相変調器６０４の位相変調要素間に入射した光信号は回折を生じる。いずれも、ＡＷＧ６０１に再結合した場合には干渉を起こし、分散補償特性に悪影響を及ぼすことが知られている。本実施例２における、空間位相変調器６０４へ光信号を斜めに入射させる構成は、この不要な反射光をも斜めに反射させ、アレイ導波路格子６０１への再結合を防ぐことが可能である。これにより、分散補償特性のリプルをさらに低減させることが期待できる。本実施例においては、空間位相変調器は、分散補償器として動作するだけでなく、透過率を所望の特性に制御する光強度制御器としても動作している点に注目すべきである。

実施例１および実施例２では、周波数の低いほうから高いほうへ向かって位相設定値が０から２πに跳躍設定される位相遷移を含むモードＢのみを用いて、透過率リプルを低減する動作について説明した。しかし、いずれの実施例についても透過率特性がずれる等、各チャネル内で歪んだ透過特性になってしまう点が問題となり得る。この問題点については、空間位相変調器によって二次関数状の位相分布を与えたとき、二次の係数ａによって透過帯域幅が制限される点が影響している。そこで、設定する分散補償量に依存せず、常に透過帯域幅が変化しないような光学系の構成を採用して、実施例１に示したモードＢのみを用いる位相設定を付与することができれば、周波数チャネルグリッドからのずれを解消するとともに、リプルが抑制された良好な特性を有する可変分散補償器を実現できる。この観点から、実施例１の透過率リプル低減法を用いた上で、さらに以下に示す光学系の配置構成を利用した実施形態がより好ましい。

実施例１および実施例２における光学系の配置は、波長分波素子すなわちＡＷＧの光信号の出射端から、反射型空間位相変調素子までの距離が集光レンズの焦点距離ｆＸの２倍であり、いわゆる「２−ｆ光学系」と呼ばれている。非特許文献３に示されているように、アレイ導波路格子やバルク型回折格子などを用いた一般的な分光器型デバイスにおいては、２−ｆ光学系を採用することによってシンプルでありながら高機能なデバイスを実現している例が多い。しかし、可変分散補償デバイスにおいては、設定する分散補償量の絶対値に反比例して、１チャネルあたりの透過帯域が狭くなるというトレードオフが存在していた。

このトレードオフは、以下の理由により生じる。空間位相変調器においてｘ軸方向に二次関数状の依存性を有する位相分布を与えるとき、グリッドの中心周波数以外の周波数を有する光信号については、空間位相変調器上の集光位置において設定された位相の傾きに応じて、入射時の角度とは異なる角度で反射される。この入射時と反射時との角度差によって、反射した光信号が、図７においてＡＷＧ６０１に戻り、アレイ導波路７０３、スラブ導波路７０２を経て、入力光導波路７０１の光導波路に再結合するときに角度損失が生じる。この角度損失が、上述のトレードオフの原因である。

二次関数状の位相分布の頂点が周波数グリッドと一致する場合は、頂点から離れた位置に入射するほど上述の角度損失は大きくなり、結果的に、二次位相分布の頂点に入射する周波数を最大値とする放物線状の透過スペクトルが得られることになる。既に述べたように、大きな波長分散を得るためには位相分布の二次関数の係数ａの絶対値を大きくとる必要があった。このため、係数ａの絶対値を大きいと、頂点から離れた位置の位相の傾きがさらに大きくなるため、さらに透過帯域も狭くなってしまう問題もあった。しかし近年、非特許文献３および非特許文献５に示すように、分光器を２セット用いることによって、上述の角度損失に起因する透過帯域の劣化を抑制できる構成が報告されている。

図１２は、本発明による分散補償器の第３の実施例（以下、実施例３）の構成を示す図である。図１２の（ａ）はＡＷＧの基板面に垂直な方向から見た上面図であり、（ｂ）は側面図である。ここで、ＡＷＧ６０１の基板面に平行でかつ光軸に垂直な方向をｘ軸、基板面に垂直な方向をｙ軸とし、光波の進行方向すなわち光軸方向をｚ軸としている。図１２の（ａ）において、第１のアレイ導波路格子（ＡＷＧ）１２０１と第２のＡＷＧ１２０９とは、ｙ軸方向に重なっているため見えないことに注意されたい。本例の構成は、実施例１の構成と比較すれば、第２のＡＷＧ１２０９をさらに備えている点で大きく相違している。

図１２の（ａ）に示すように、第１のＡＷＧ１２０１から出射した光信号は第１のＹシリンドリカルレンズ１２０２を介して集光レンズ１２０３に向かう。この光信号は、ｙ軸方向に関して、集光レンズ１２０３の中心位置より若干外れた位置に入射することで、空間位相変調器１２０４の位相変調面に対してｙ軸方向にある角度をもって入射する。実施例１と同様に、光信号は二次関数状の位相分布を与えられて反射される。

図１２の（ｂ）を続いて参照すれば、空間位相変調器１２０４で反射された光信号は、集光レンズ１２０３の入射時とは異なるｙ軸上の位置を通過し、第２のＹシリンドリカルレンズ１２１０を介して第２のＡＷＧ１２０９に結合する。

図１３は、第２のアレイ導波路（ＡＷＧ）の詳細な構成を示した図である。第２のＡＷＧ１２０９は、スラブ導波路１３０１、アレイ導波路１３０２とミラー１３０３から構成されている。アレイ導波路１３０２における隣接する各導波路間の導波路長差などの各パラメータは第１のＡＷＧ１２０１と同様の設計となっている。アレイ導波路１３０２の終端にはミラー１３０３が設置されており、アレイ導波路１３０２に入射した光信号はそれぞれ他の導波路に結合することなく、そのままミラー１３０３で反射される。

第２のＡＷＧ１２０９に入射する光信号は、空間位相変調器１２０４によって、反射時の角度差を伴いながら二次関数状の位相分布を与えられていても、第２のＡＷＧ１２０９内に角度損失を発生し得る入力導波路が設けられていないため、第２のＡＷＧ１２０９内で上述の角度損失は発生しない。ミラー１３０３により反射され第２のＡＷＧ１２０９から出射した光信号は、空間位相変調器１２０４で再び反射され、入射時と全く同一の光路を戻って、最終的に第１のＡＷＧ１２０１に再入射する。第１のＡＷＧ１２０１に再入射するときの角度は、第１のＡＷＧ１２０１によって分波された角度と等しくなる。したがって、図１２の構成によれば、入力光導波路７０１の光導波路に再結合するときに第１のＡＷＧ１２０１においても角度損失は全く発生しない。

上述のように、空間位相変調器１２０４に対して、大きな絶対値を持つ波長分散を与えるような位相設定を行ったとしても、角度損失は発生しなくなり、設定分散値に依存した透過帯域の狭窄化が生じない分散補償器を構成することができる。本実施例の光学系構成は、「４−ｆ光学系」と呼ばれている。

図１４は、本実施例の透過スペクトルの測定例を示した図である。本実施例では、図１２に示した光学系の構成と、実施例１で示したような二次関数の頂点位置がずれた非対称形状の位相分布を与えた空間位相変調器とを組み合せている。図１４の（ａ）の位相設定は、モードＢの位相折り返しのみを有する位相設定となるように、二次関数状の位相分布を周波数グリッド位置（相対周波数０の位置）から所定の周波数シフト量Δｆだけシフトさせている。

図１４の（ｂ）において、実線は本実施例の構成の「４−ｆ光学系」による透過スペクトルを示し、破線は実施例１の構成の「２−ｆ光学系」による透過スペクトルをそれぞれ示す。本実施例においては、角度損失による透過帯域の制限が発生しないため、周波数グリッドとは異なる周波数に二次関数状の位相分布の頂点を設定しても、透過スペクトルは周波数軸上で非対称な形状にならず、非常に広い帯域を有する。

本実施例の光学系の構成によれば、１つの光学系で４０チャネルもの多数のチャネルに独立して分散補償を行うことも可能であり、コンパクトでありながら大規模なシステムに対応することができる。本発明によるリプル低減策を合わせて実施することによって、追加の部材やコストを発生させず点で有利である。

以上詳細に説明したように、本発明により、本発明特有の位相設定を持つ空間位相変調器を利用して、従来技術と比較して、分散補償時の透過特性に発現するリプルをより低減させることが可能な分散補償器を提供することができる。さらに、空間位相変調器を透過率を所望の特性に制御する光強度制御器としての機能を与え、透過帯域をより広くした分散補償器を提供することができる。

本発明は、一般的に光通信ネットワークシステムに利用できる。特に、リング・メッシュ型の構成のシステムなどに利用できる。

１０１、６０１、１２０１、１２０９ ＡＷＧ
１０２、６０２、１２０２、１２１０ Ｙシリンドリカルレンズ
１０３、６０３、１２０３ 集光レンズ
１０４、３００、６０４、１２０４ 空間位相変調器
１１０、７０１ 入出力導波路
１１１、７０２ スラブ導波路
１１２、７０３、１２０２ アレイ導波路
３０２ 金属電極
３０３ 透明電極
１３０３ ミラー

Claims (6)

1. 入力光信号の波長に応じた出射角度で光信号を分光する分光手段と、
   前記分光手段から出射された光信号を集光させる集光レンズと、
   前記分光手段による分光面との交線方向に配列された複数の位相付与セルを有し、前記複数の位相付与セルによって前記集光された光信号に所定の位相量を付与して前記分光手段へ反射する空間位相変調器と
   を備えた可変分散補償器であって、
   前記空間位相変調器に付与された位相分布は、前記分光手段による分光方向に、２πを除数として二次関数を被除数とする剰余の位相分布を持ち、前記位相分布の二次の頂点が周波数チャネルグリッドの中心周波数に対応する位置から高周波数側にずれており、前記頂点より高周波側には位相の折り返しが存在しないことを特徴とする可変分散補償器。
2. 前記分光手段における中心周波数を有する光信号が、前記分光手段による分光面との前記交線方向に関して前記集光レンズの中心から離れた位置を通過し、前記空間位相変調器の位相変調面に対して垂直に入射しないことによって、前記空間位相変調器における損失が周波数チャネルグリッドの周波数で最低となることを特徴とする請求項１に記載の可変分散補償器。
3. 前記空間位相変調器を前記分光面内で回転させ傾けて配置し、前記光信号が前記空間位相変調器の位相変調面に対して垂直に入射しないことによって、前記空間位相変調器における損失が周波数チャネルグリッドの周波数で最低となることを特徴とする請求項１に記載の可変分散補償器。
4. 前記位相分布に、１次の位相分布をさらに付与することによって、前記空間位相変調器における損失が周波数チャネルグリッドの周波数で最低となることを特徴とする請求項１に記載の可変分散補償器。
5. 前記分光手段として、アレイ導波路格子を用いることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の可変分散補償器。
6. 前記空間位相変調器としてＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）を用いることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の可変分散補償器。

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