JP3728401B2 - 色分散を生じさせるためのファイバ伝送素子 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
本発明は色分散を生じさせるための伝送素子に関する。
【０００２】
標準ファイバは例えばエルビウム・ファイバ増幅器の波長範囲、即ち波長λ約１５５０ｎｍに対して帯域幅ｎｍ及びファイバ長さｋｍにつき分散パラメータＤ〜１７ｐｓの異常分散を有する。この（有害な）分散を補償するために、補償される標準ファイバの長さに整合する適当な大きさの逆向きの、即ち正常な分散（負分散パラメータＤ）が必要である。
【０００３】
先行技術
標準ファイバ特にグラスファイバの分散補償に適した大きさの負分散を発生するために、これまで実際に補償ファイバが使われている。これは必要な長さの都合上大きな場所をとり、大変高価であるという欠点がある。
【０００４】
所望の負分散を生じさせる補償素子として、チャープ形ファイバ・ブラッグ格子を使用することが、ＤＥ３５２４５２７Ａ１で知られている。「チャープ形（Gechirpt)」とは、ファイバ・ブラッグ格子の反射部位が波長に依存するため、伝搬距離が、従って伝搬時間が波長に依存することを意味する。これによって例えば、所定の長さの標準ファイバの分散を補償することができる所望の（負の）分散が得られる。
【０００５】
ＤＥ３５２４５２７Ａ１で公知の補償素子の欠点は、分散された反射信号が３ｄＢファイバ結合器により、又はこの刊行物の記述によればサーキュレータにより分岐されることである。補助３ｄＢファイバ結合器は光学的には６ｄＢ、電気的には１２ｄＢに相当するパワー損失という重大な欠点がある。一方、サーキュレータは高価な補助部品である。
【０００６】
またエヌ．エム．リチニツァー（N.M.Litchinitser）らが論文「伝送における分散補償のためのファイバ・ブラッグ格子」（Fiber Bragg gratings for dispersion compensation in transmission）、光波工学雑誌（J.Lightwave Technol.）１５巻(１９９７年)１３０３頁所載で述べたところでは、伝送に使用されるファイバ・ブラッグ格子の帯域境界に現われる分散効果を利用して、ファイバ・ブラッグ格子を２ゲートとして使用することができる。しかしその場合はチャープ形格子の反射に比して控えめな結果しか期待できない。
【０００７】
また一方の波長では（古典的応用として）ファイバ基本波を反射し、他方の波長では別のモードで反射するファイバ・ブラッグ格子も知られている。この効果は逆方向モード結合と呼ばれる。適当に設計すれば反射モード変換が現われる。
【０００８】
ＥＰ０８２６９９０Ａ１に記載されるところでは、クラッドモードにおいて、減衰効果を得るために逆方向モード結合を使用することができる。またＥＰ０８２９７４０Ａ１では、種々の周波数特性を持つ減衰素子を実現するために、導波モード、例えばＬＰ₁₁モードへにおける逆方向モード結合を利用することが提案される。
【０００９】
また同方向モード結合即ち伝送方向のモード変換を生じさせるいわゆる長周期ファイバ格子が知られている。クラッドモードへの同方向結合がＵＳ−ＰＳ５４３０８１７で、また導波モード（guided mode）への同方向結合がＵＳ−ＰＳ５８１８９８７で、夫々フィルタ効果を得るために提案された。
【００１０】
ピー・ペトルッツィ（P.Petruzzi）らの報告「ファイバ・ブラッグ格子だけを使用する分散補償」（Dispersion compensation using only fiber Bragg gratings）、光ファイバ会議（Optical Fiber Conference(OFC)）１９９９年、報告ＦＡ５、会議録１４頁で示すところによれば、少なくとも１つにチャープした３個の格子によって反射性分散１ゲートの代わりに透過性分散２ゲートが実現され、こうしてサーキュレータを回避することができる。これによって第２の格子は送られたＬＰ₀₁波を逆方向モード変換で第１のクラッドモードに結合して第１の格子に戻し、そこで第２のクラッドモードへの（再び前進方向での）逆方向モード変換が行なわれ、第２のクラッドモードは第３の格子で同方向にＬＰ₀₁基本波に結合される（従って、この第３の格子は長周期格子でなければならない）。標準単一モードファイバが使用されることは明らかである。
【００１１】
少なくともこの実験的構成についても挙げられる第１の欠点は、クラッドモードとの結合効率、特にクラッドモードどうしの間の結合効率が低いことである。第２の欠点は２つのクラッドモードを使用することである。なぜならこのモードは環境効果、および特にファイバの湾曲によって導波モードよりはるかに大きな影響を受けるからである。もう一つの欠点は、フィルタ特性をブラッグ格子のようによくコントロールできず、また、はるかに大きな全長が必要な長周期格子を使用することである。
【００１２】
なおここで明確に説明しなかったすべての技術的構成及び／又は応用の説明のために、前掲の刊行物が参照されることは明白である。
【００１３】
発明の説明
本発明の課題は、特定の設定可能な正常分散又は異常分散を、小さな寸法と少ないコストで、なるべく僅かな損失で生じさせる素子を提示することである。
【００１４】
この課題の本発明に基づく解決策が請求項１に示されている。本発明の一層の発展と使用は請求項２以下の主題である。
【００１５】
本発明によれば例えばグラスファイバ光導波路の分散を補償するのに適した設定可能な（正又は負）色分散の発生のために伝送素子が提供される。本発明に係る素子では、少なくとも３つの異なるモードを使用する。このために第１、第２、第３及び第４の格子を有し、第１の対の第２の格子（２）が、入力側に送られたＬＰ _０１ 基本波（モードＩ）を中間モード（モード II ）に逆方向にモード結合し、第１の格子（１）が、中間モードを逆方向に、即ち再び前進方向に、第３のモード（モード III ）にモード結合し、第４の格子（４）が、第３のモードを逆方向に、再び中間モード（モード II ）にモード結合し、第３の格子（３）が、中間モードを逆方向に、即ち再び前進方向に、ＬＰ _０１ 基本波（モードＩ）にモード結合し、このＬＰ _０１ 基本波は、第４の格子（４）を通過した後、格子（１〜４）のチャープにより出力側で分散されて出射するように構成されている。
【００１６】
特に製造コストに関連して、ブラッグ格子がとりわけグラスファイバ光導波路に作られた逆方向モード結合性ファイバ・ブラッグ格子であることが好ましい。その場合通常のファイバのほかに、ＬＰ₀₁基本モードだけでなく別の幾つかのモードも伝送する特殊ファイバも使用することができる。なお、このファイバの結合効率及び位相係数のひろがりを適当なドープ材料とドーピング分布により最適化することができる。
【００１７】
第１のチャープ形ファイバ・ブラッグ格子が入力側に大きな格子定数、出力側に小さな格子定数を有するならば、波長が短くなるにつれて伝搬時間差が増大する。一方又は他方の格子のチャープ方向を逆転すれば、波長が長くなるにつれて伝搬時間差が増大する。このようにしてチャープ方向の選択によって、本発明に係る素子により前置又は後置の素子、特に伝送線路の正常又は異常分散のいずれを補償するかを調整することができる。チャープ分布を適当に選択することによって、正常分散から異常分散への移行も得られる。
【００１８】
その場合すべてのブラッグ格子がチャープされていて、及び／又は各対における２つの格子が互いに異なる格子定数（の範囲）と、特に逆向きのチャープを有することが好ましい。チャープ形格子は、その長さに関して格子定数が所定の関数で書けることが特徴である。一般に、この関数は不定の単調関数である。異なる伝搬モードに基づき、格子は一般に異なるチャープ範囲、従って異なる格子定数範囲を有する。
【００１９】
本発明の特に好ましい実施態様では伝送素子が次のように構成されている。即ち使用波長範囲でまず第１の対の第２の格子が、入力側に送られたＬＰ₀₁基本波（モードＩ）を中間モード（モードII）に逆方向にモード結合し、第１の格子が、中間モードを逆方向に、即ち再び前進方向に、第３のモード（モードIII）にモード結合し、第４の格子が、第３のモードを逆方向に再び中間モード（モードII）にモード結合し、第３の格子が中間モードを逆方向に、即ち再び前進方向にＬＰ₀₁基本波（モードＩ）にモード結合し、このＬＰ₀₁基本波は、第４の格子を通過した後、格子のチャープにより出力側で分散されて出射するのである。
【００２０】
そこで本発明の特に好適な実施態様の構成を、次のように説明することができる。
【００２１】
２対のファイバ・ブラッグ格子を有する特殊ファイバを使用する。各対でファイバ・ブラッグ格子に影響されない２回の信号波伝送と、２回の逆方向モード結合による２回の方向転換が行なわれる。そのために３つの異なるモードを使用しなければならない。第１の格子対では、中間モード（第２モード）を介したＬＰ₀₁基本モードの第３モードへの結合が行われ、第２の格子対では、例えば同じ中間モードを介した第３モードのＬＰ₀₁基本波への逆方向の結合が行なわれる。
【００２２】
図面に基づき説明した実施例に設計の指示が示されている。
【００２３】
多モード・グラスファイバ光導波路では回転対称なモードＬＰ₀₂及びＬＰ₀₃を使用することが好ましい。しかし非回転対称モード、例えばＬＰ₁₁モードを使用することもできる。その場合はファイバ・ブラッグ格子をファイバ軸に対して僅かに傾斜して作らねばならない。２つの導波モードのほかにクラッドモードも使用することができる。引用したピー・ペトルッツィらの報告で行なわれた提案と対比して、クラッドモードどうしの間のモード結合が回避されるから、著しく大きな結合効率が得られる。
【００２４】
本発明に係る素子は大きな帯域幅にわたって分散補償を行なうことができる。素子の大きな帯域幅は、結合されるモードおよび場合によっては妨害モードにおける位相係数の大きな（なるべく等間隔な）ひろがりを必要とする。これは、例えば放物線光導波路で現われる。そのコアにおいては、屈折率が半径に関して自乗で減少する。
【００２５】
一般的なＧｅＯ₂ドープを有する半径方向領域のほかにＦ及び／又はＢ₂Ｏ₃ドープを有する領域も使用するならば、ファイバ・ブラッグ格子の種々のモードの結合効率を改善することができる。
【００２６】
次に図面に基づき本発明を詳述する。
【００２７】
実施例の説明
図１はコアＫ及びクラッド（シース）Ｍを有するファイバ（特にグラスファイバ）ＧＦを示す。図示の実施例ではコアＫに４個のファイバ・ブラッグ格子１〜４が作られている。格子１及び２は第１の対をなし、格子３及び４は第２の対をなす。
【００２８】
一対のファイバ・ブラッグ格子は異なる格子定数範囲を有し、図示の実施例では一対の格子どうしで逆向きになったチャープで示されている。周知のように、ファイバの基材の屈折率の変化によって格子を作ることができる。屈折率分布を生じさせるために、例えばグラスファイバＧＦにＧｅＯ₂、Ｆ及び／又はＢ₂Ｏ₃をドープすることができる。代案としてイオン交換又は公知の別の方法によって屈折率分布を生じさせることも可能である。
【００２９】
また本発明に係る素子の格子１〜４によるモードＩ、II及びIIIの間のモードシーケンス、即ちモード変換、即ち個々の格子で行なわれるモード変換を図面の下部に概略図で示す。
【００３０】
結合されるモードの位相係数β₁及びβ₂と格子周期長さΛの間に関係式
Λ＝２π／（β₁＋β₂）
が成り立つならば、逆方向モード結合が行なわれる。図１では、任意のｉについて、
Λ_i≠２π／（β_Ｉ＋β_i）
が成り立つから、モードＩの入射ＬＰ₀₁基本波が、影響されずに格子１を通過する。
Λ₂＝２π／（β_Ｉ＋β_II）
であるから、ＬＰ₀₁基本波は格子２でモードIIとして反射され、
Λ_i＝２π／（β_II＋β_III）
であるから、格子１でモードIIIとして再び前進方向へ反射され、任意のｉについて、
Λ₂≠２π／（β_III＋β_i）
であるから、影響されずに格子２を通過する。Λ₄＝Λ₁及びΛ₃＝Λ₂である図１の第２の格子対では、上述の通過とモード結合が逆の順序と方向で繰返される。格子４でモードIIIから逆方向に中間モードIIに、ここから格子３で逆方向に（再び前進方向に）ＬＰ₀₁基本波（モードＩ）に結合される。
【００３１】
図１に略示したように格子に逆向きのチャープを行なえば、図示の実施例のすべての格子において最短の波長λ₁では最長の経路を、最長の波長λ₂では最短の経路を通らなければならないことが明らかである。すべての格子の効果が累加されると共に、全長は、在来の反射性分散補償格子にほぼ相当する。群伝搬時間ｔ_gは経路長にほぼ比例するからｄｔ_g／ｄλ＜０となる。それは正常分散を生じさせることを意味する。異常分散が生じさせるように、チャープを「逆転」することも、もちろん可能である。
【００３２】
以上のとおり本発明を実施例に基づき説明したが、一般的発明概念及び一般的応用分野を制限するものではない。もちろん様々な変更が可能である。
【００３３】
例えば４個のチャープ形ファイバ・ブラッグ格子の代わりに（例えば一方の対の）２個だけのチャープ形（例えば第１の対の）ファイバ・ブラッグ格子と、他方の対の２個の非チャープ形ファイバ・ブラッグ格子を使用することができる。チャープ形ファイバ・ドラッグ格子は経路差を生じさせ、従って伝搬時間差を生じさせるが、非チャープ形ファイバ・ブラッグ格子は異なるモードの間の変換だけを生じ、及び／又はさらに波長選択性フィルタリングを行なう。
【００３４】
また経路差を増加させ、従って伝搬時間差を増加させるために、本発明に係る複数個の装置を直列に接続ないし配列することができる。
【００３５】
産業上の利用可能性
本発明に基づき形成された素子は、夫々の応用例によって決まる大きさの正常分散を与える必要のある全ての用途に使用することができる。特に本発明に係る素子は、例えばデータ伝送に利用されるグラスファイバの異常分散の補償のために使用することができる。その場合、本発明素子が生じさせる分散の大きさは、補償すべきグラスファイバ線路の長さに依存する。
【００３６】
個々のファイバ・ブラッグ格子をファイバＧＦに形成することによって、現われる波長λ₁及びλ₂の極値間の伝搬時間差の（およその）大きさが調整される。この伝搬時間差が補償可能な異常分散を決定する。所定の機械的力（引張、伸び及び／又は圧縮応力）を加え、及び／又はファイバ・ブラッグ格子を調整し又は恒温化することによって、調整可能な分散の可変調整、従って伝搬時間差の可変調整、ゆえに接続される伝送ファイバの可変色分散に対する補正を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す図。

Claims (14)

1. 正常又は異常色分散を生じさせるための伝送素子であって、
   少なくとも３つの異なるモードを伝送可能なグラスファイバ光導波路と、
   前記グラスファイバ光導波路に作られる第１、第２、第３及び第４の格子と、を有し、
   使用波長範囲でまず第１の対の第２の格子（２）が、入力側に送られたＬＰ _０１ 基本波（モードＩ）を中間モード（モードＩＩ）に逆方向にモード結合し、第１の格子（１）が、中間モードを逆方向に、即ち再び前進方向に、第３のモード（モードＩＩＩ）にモード結合し、第４の格子（４）が、第３のモードを逆方向に、再び中間モード（モードＩＩ）にモード結合し、第３の格子（３）が、中間モードを逆方向に、即ち再び前進方向に、ＬＰ _０１ 基本波（モードＩ）にモード結合し、このＬＰ _０１ 基本波は、第４の格子（４）を通過した後、格子（１〜４）のチャープにより出力側で分散されて出射するように構成されている、ことを特徴とする伝送素子。
2. ブラッグ格子が、特にグラスファイバ光導波路に作られた逆方向モード結合性ファイバ・ブラッグ格子である、ことを特徴とする請求項１に記載の伝送素子。
3. すべてのブラッグ格子がチャープされている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送素子。
4. 各対における２つの格子が互いに異なる格子定数範囲及び逆向きのチャープを有する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の伝送素子。
5. ブラッグ格子を作るために、グラスファイバのコアに放物線状の屈折率分布を設けた、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の伝送素子。
6. 屈折率分布を作るために、グラスファイバにＧｅＯ_２、Ｆ及び／又はＢ_２O_３をドープした、ことを特徴とする請求項５に記載の伝送素子。
7. グラスファイバが、接続されるファイバと近似的に等しいモード界半径を有する、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の伝送素子。
8. 回転対称な導波モードＬＰ_０１、ＬＰ_０２及びＬＰ_０３を利用する、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の伝送素子。
9. 非回転対称な導波モード、即ちＬＰ_１１モードも利用し、その際ブラッグ格子をグラスファイバにファイバ軸に対して垂直でなく斜めに作る、ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の伝送素子。
10. ２つの導波モードのほかにクラッドモードも利用する、ことを特徴とする請求項１ないし９に記載の伝送素子。
11. １次分散補償のために格子（１〜４）を線形にチャープし、又は高次の分散補償のために１又は２以上の格子（１〜４）を非線形にチャープする、ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の伝送素子。
12. 使用する波長の極値どうしの間の伝搬時間差を正確に調整するために、所定の機械的力をファイバに加え、及び／又はファイバの温度を所定の温度範囲内で適当な値に恒温化する、ことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の伝送素子。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の複数の素子を直列に接続した、ことを特徴とする高い色分散を有する伝送素子。
14. グラスファイバ線路の分散補償のための請求項１ないし１３のいずれか１つに記載の伝送素子の使用。

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