JP3782260B2

JP3782260B2 - 分散導波管タップ

Info

Publication number: JP3782260B2
Application number: JP16042799A
Authority: JP
Inventors: スチーブンコーペンクリストファー; リンワジェナージェファーソン
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2019-06-08
Also published as: EP0962794A1; EP0962794B1; JP2000028848A; DE69900660T2; DE69900660D1; US6122422A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばネットワークモニタリングの分散導波管タップを構成する光導波管（例えば光ファイバ）通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に知られているように、光導波管通信システムにおいては、一般にシステムオペレータにシステムステイタス情報を提供するネットワークモニタリング装置が必要である。これについては、ＯＳＡ１９９８、テクニカルダイジェストシリーズ（インテグレーテッドリサーチ社、ビクトリアＢ．Ｃ．カナダ、）第４巻の４３ページから４５ページに記載のＧ．Ｌｉｖｅｓｃｕによる論文を参照のこと。
【０００３】
ほとんどの光導波管通信システムは機能的に両方向であるが、しかし、一方向だけの所定の導波管において、すなわち、所定の導波管リンクにおける信号フローでは単方向であることもまたよく知られている。これについても上記引用のＬｉｖｅｓｃｕによる論文を参照のこと。ここで、このようなシステムを「単方向リンクでの両方向システム」又は「ＢＳ／ＵＬｓ」と呼ぶ。
【０００４】
単方向リンクでの両方向システムにおいて使用されるモニタリング装置は一般に認知されている。このようなシステムには、１個あるいはそれ以上の光スペクトルアナライザ、マルチ波長メータ、可調整ファブリペローキャビティ装置、光音響装置、導波管アレー、もしくはバルク格子分光計が備付けられる場合もある。最近、単方向リンクでの両方向システムにおけるモニタリングアプリケーションに有益な新装置が開示された。これを単方向分散導波管タップ又は「ＵＤＷＴ」と呼ぶ。１９９６年１０月３１日に提出（許可）された共同譲渡米国特許アプリケーションシリアルＮｏ．０８／７４１，４３９、および、上記参照米国特許Ｎｏ．’４３９アプリケーションの部分継続アプリケーションである、１９９８年６月１日に提出されたアトーニー要約書番号Ｔ．Ａ．Ｓｔｒａｓｓｅｒ１８−１２のアプリケーションを参照のこと。さらに、上記参照米国特許Ｎｏ．’４３９アプリケーションの部分である、１９９７年１１月２５日に提出された米国特許アプリケーションシリアルＮｏ．０８／９７８，３５２、および、１９９８年６月１日に提出された、上記参照米国特許Ｎｏ．’３５２アプリケーションの部分継続アプリケーションであるアトーニ要約書番号Ｔ．Ａ．Ｓｔｒａｓｓｅｒ１９−１３のアプリケーションを参照のこと。さらに、１９９７年９月のＥＣＯＣ９７においてＪ．Ｌ．Ｗａｇｅｎｅｒ等により発表されたコンファレンスパブリケーションＮｏ．４４８の６５ページから６８ページを参照のこと。またさらに、インテグレーテッドフォトニクスリサーチ社（ビクトリアＢ．Ｃ．カナダ）によるテクニカルダイジェストシリーズ第４巻（１９９８年３月２０−４月１日）に発表のＣ．Ｋ．Ｍａｄｓｅｎ等による論文を参照のこと。上記の全引用アプリケーションは参考までにここに記載する。
【０００５】
ほとんどの光導波管通信システムは単方向リンクでの両方向システムである。しかしながら、両方向導波管通信システム（すなわち、少なくとも所定導波管リンクの一部分が信号を両方向に搬送するシステム）もまた興味深い。例えば、Ｋ．Ｉ．Ｓｕｚｕｋｉ等によるエレクトロニクスレターズ３３（２３）巻（１９９７年１１月）の１９６７ページから１９６８ページを参照のこと。また、Ｆ．Ｋｈａｌｅｇｈｉ等によるＩＥＥＥフォトニクスレターズ第８（９）巻（１９９６年９月）の１２５２ページから１２５４ページを参照のこと。またさらに、米国特許Ｎｏ．５，７４２，４１６、Ｎｏ．５，６８９，５９４、およびＮｏ．５，６０２，６６５を参照のこと。しかし、これらの上記参照においては、両方向システムを開示しているが、両方向モニタリング装置についての開示、もしくは提案はなされていない。例えば、Ｓｕｚｕｋｉ等による図２においては、信号が２個のサーキュレータ間でファイバリンク上、両方向に伝搬する波長分割マルチプレクサシステムを示しているが、両方向モニタリング装置については何ら提示されていない。以降、ここでは両方向導波管通信システムを両方向システムと呼ぶ。
【０００６】
以下にモードの定義を説明する。導波管における伝搬モードを「誘導モード」によって示す。従来のシングルモードの光ファイバの誘導モードはＬＰ₀₁モードである。
【０００７】
導波管の被覆材の屈折率よりも少ない有効屈折率を有する導波管構造の光モードを「クラッドモード」、または「束縛クラッドモード」によって示す。これらモードの光パワーは常に導波管周辺に集中し、伝搬方向に対し直角方向に拡散しないという意味で、これらモードは束縛される。
【０００８】
導波管構造に完全には集中しない光モードを「ラジエーションモード」によって示す。ラジエーションモードは導波管構造より拡散する。そのために、導波管長に沿うあるポイントで導波管構造内に不定量の少量の光パワーが存在する。
【０００９】
誘導モード（クラッドモードもしくはラジエーションモード）以外のモードを、非誘導モードとする。
【００１０】
インデックス摂動の光レピート距離Λが、ファイバの座標軸ｚの関数として一定でない場合、すなわち、Λ＝Λ（ｚ）である場合、屈折率格子はチャープされる。
【００１１】
導波管のインデックス摂動面が、１誘導モード、もしくは複数の誘導モードの伝搬方向に直角でない場合、屈折率格子はブレイズ化される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
モニタリング装置は、単方向リンクでの両方向システムにおける場合とほぼ同じ理由から両方向導波管通信システムにおいて必要である。しかし、両方向モニタリング装置の有用性をよりシンプルな（かつ、より安価な、より信頼性のある）両方向システムに転換出来るため、両方向システムにおいては、モニタリング装置は有効的に両方向（すなわち、一方向の信号ストリームに反応すると同様、反対方向の信号ストリームにも反応する）である。しかしながら、もしあるにしても、両方向モニタリング装置がほとんど存在していないのが現状である。
【００１３】
それゆえ、本発明は、両方向モニタリング装置の必要性に応え、両方向モニタリング装置と、両方向モニタリング装置を構成する両方向システムとを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一般的に両方向光導波管（多くは光ファイバ）通信システムにおいて、両方向分散導波管タップ（ＢＤＷＴ）を形成する。
【００１５】
従来技術同様、導波管は、第一方向と、第一方向反対とは反対方向である第二方向においても同様に、適当な波長の光（例えば波長約１．５のμｍの赤外線）を誘導する。ここで、分かりやすく「光」という語を用いたが、電磁スペクトルの可視部分を制限するものではない。さらに、第一方向において（システム稼働中に）光導波管を伝搬する少なくともいくらかの光を光導波管より結合するタップを構成する。タップは光導波管（一般的にコア）にブレイズ化屈折率格子を構成する。タップは、導波管の第一方向に伝搬する少なくともいくらかの光を、光導波管から第一利用手段（例えばデテクタアレーあるいは光ファイバアレー）の所定部分に導く。
【００１６】
光導波管のブレイズ化屈折率格子もまた、システム稼働中に第二方向に伝搬する少なくともいくらかの光を、光導波管から第二利用手段の所定部分に導く。このようにタップは両方向タップである。
【００１７】
本発明の本実施形態において、ブレイズ化屈折率格子は、導波管の第一方向を伝搬する少なくともいくらかの光を第一誘導モードから第一非誘導モードに導くとともに、導波管の第二方向を伝搬する少なくともいくらかの光を第二誘導モードから第二非誘導モードに導く。
【００１８】
さらに、第一非誘導モードおよび第二非誘導モードがそれぞれ第一ラジエーションモードおよび第二ラジエーションモードであるように、光導波管との光学的動作を行う接合手段（例えば適応するように設計されたガラス部材等）を備えている。
【００１９】
またさらに、第一ラジエーションモードの光をほぼ第一利用手段の所定部分で焦点を合わせ、かつ、第二ラジエーションモードの光をほぼ第二利用手段の所定部分で焦点を合わせる目的においてフォーカシング手段（例えば、レンズ、曲面鏡、回折格子、ボリュームホログラム、格子のチャープ等）を備えている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
添付図面は、長さの測定を行ったものではない。また、長さを比例させたものでもない。異なる図面においても、類似の部分を同符号で示す。
【００２１】
図１は一般的な両方向分散導波管タップ１０を図示したものである。ここで、符号１１は光ファイバ長（一般に光ファイバ伝送リンクの一部）を示している。符号１２および符号１３はファイバを伝搬する光方向を示している。符号１４はファイバ１１におけるブレイズ化屈折率ブラッグ格子である。符号１２１は右から格子１４に入射した光（右入射光）である。符号１３１は左から格子１４に入射した光（左入射光）であり、ミラー１７方向に伝搬する。符号１３２はミラー１７からの反射光であり、デテクタアレー１８方向に伝搬する。符号１５は第一透明部材であり、符号１６は第二透明部材である。一般にこれら両部材は光ファイバと屈折率整合されており、適当な屈折率整合接着手段（例えば透明エポキシ等）で、ファイバを間にして、接合させている。デテクタアレー方向に伝搬する光１２１および光１３２は従来型レンズ１９を通過する。このレンズは、光１２１の焦点が合わされたデテクタアレーの部分とは異なる部分に光１３２の焦点を合わせる。一般的に光１２と光１３の各々は、異なる波長（通信チャネルを構成する別々の各波長）で多重化し、光１２１の異なるそれぞれの波長（光１３１の波長も同様）は格子によって異なるそれぞれの方向に導かれることが理解されよう。従い、異なるそれぞれの波長はデテクタアレーに沿うそれぞれ異なる部分で焦点が合わされ、所定波長で光の強さを示すアレーからの電気信号（図示せず）となり、所定方向にファイバ内を伝搬する。
【００２２】
本説明において、方向指示語、「右」および「左」を使用しているが、これは本図面に関してのみ使用しているものであり、本発明の実際の実施形態においては何ら意味を有するものではない。
【００２３】
本発明による両方向分散導波管タップの一般原理は異なるトポロジの様々なデバイスにおいて具体化が可能である。
【００２４】
例えば、図２は、両方向分散導波管タップ１０と比較し、タップの反対側にデテクタアレー２２を備えた両方向分散導波管タップ２０を示している。図２において、符号２１は、ラジエーション１２２およびラジエーション１３３をそれぞれの焦点に合わせる凹面鏡である。
【００２５】
図３もまた本発明の一般的な具体例を図示したものである。両方向分散導波管タップ３０は、デテクタアレー３１の所定部分に光１２２の焦点を合わせるレンズ３２と、デテクタアレー３２の所定部分に光１３３の焦点を合わせるレンズ３３とを備えており、ほぼ左右対称形である。
【００２６】
さらに図４も本発明による一般的な両方向分散導波管タップ４０を図示している。ここで、符号４１はほぼ屈折率整合させた透明部材であり、符号４２はリフレクタであり、符号４３および符号４４はレンズであり、符号４５および符号４６はデテクタアレーである。
【００２７】
両方向分散導波管タップのトポロジにかかわらず、タップは、第二方向光とは異なる方向に第一方向光を導くシングルブレイズ化屈折率格子を備えている。格子のブレイズ角は、相当する波長のシングルモード（一般的にＬＰ₀₁）光を、空気中で、１つあるいはそれ以上のクラッドモードに格子が連結するように決定される。一般に、ブレイズ角が大きくなってしまうと、タップが大きい偏波依存性を呈することになるため、一般的にブレイズ角は最大でも１５°である。実施形態として望ましくは、ブレイズ角は１０°かそれ以下である。格子との光学的動作で接合手段が設けられ、格子がシングルモード光をラジエーションモードに連結するようタップの光特性を変化させる。格子の強さは必要に応じ選択出来る。その強さは非常に弱い状態（例えば、クラッドモードに連結されたシングルモードラジエーションの５％）から、中ぐらいの状態（例えば５０％）へ、さらに非常に高い状態（例えば、１００％）まで変えることが出来る。強度コントロールには従来の方法を用いる。
【００２８】
本発明による両方向分散導波管タップはシングルチャネル両方向システムにおいて使用が可能なものであるが、ブレイズド格子の分散特性のため、有益的にマルチチャネル（波長分割マルチプレクサ）両方向システムにおいて使用される。ブレイズ化アンチャープド格子の分散関係は以下となる。
λ＝ｎΛ（１＋ｃｏｓθ）
【００２９】
ここで、λは光波長である。ｎはファイバの屈折率である。また、Λはブレイズ化ブラッグ格子の周期である。θはファイバ軸に対する波長λの光の伝搬角度である。これは、以下のように表すことも出来る。
Δλ／Δθ＝（λｓｉｎθ）／（１＋ｃｏｓθ）
【００３０】
本発明による両方向分散導波管タップにおき、タップはファイバから所望の光量を分散的に取り出す。この光を利用手段に直接入射させることも可能である。しかし、本実施形態においては、フォーカシング手段が光の焦点を利用手段上でほぼ合わすよう決定させている。このようなフォーカシング手段は所望のフォーカシングを達成する手段となる。例えば、レンズ（円柱レンズもしくは非円柱レンズ、回折格子、ボリュームホログラム、もしくは曲面鏡）などである。これらは、ブライズ化格子におきチャープとなることも可能である。格子周期にチャープを加えることにより、所定の光波長は、格子の長さに沿って異なる角度で導波管よりタップアウトされる。また、チャープドブライズ化格子、レンズ、ミラー、または他の適当なフォーカシング部品を使用することでさらにフォーカシングを高めることも可能である。チャープドブレイズ化格子の使用に関する詳細は上記に引用した米国特許アプリケーション番号’４３９に記載されている。
【００３１】
クロストークが許容レベルであれば、フォーカシング手段が利用手段にてそれぞれの光の波長を完全なフォーカスに合わせることは要求されない。一般的に、フォーカシングは２つの隣接デテクタピクセル間のクロストークが最大でもー１０ｄＢである。
【００３２】
本発明による両方向分散導波管タップは様々な方法で具体化が可能である。例えば、導波管は、光ファイバ（一般にシングルモード）、チャネル導波管、もしくは平面導波管であっても可能である。接合手段は、導波管の屈折率とほぼ整合する（約±１０％以内）屈折率を有する光透過（信号波長にて）材であればよい。反射部品（例えば、図１および図２の部品１７、図２の部品２１、および図４の部品４２）は、デバイスのトポロジにより、フラットミラー、球形凹面もしくは凸面ミラー、円柱形凹面もしくは凸面ミラーでも可能である。フォーカシング部品は、例えば、球面もしくは円柱形レンズ、凹面ミラー、チャープドブレイズ化格子、もしくは他の適当なフォーカシング部品や、連結部品でも可能である。利用手段は、線形デテクタアレーか平面デテクタアレー、もしくは分散光を横切って走査するシングルデテクタであってもよい。このようなアレーは一般入手が可能である。このようなアレーにおいては、異なるデテクション部品は、それぞれ第一方向と第二方向とに導波管をトラベルする信号と連動し、かつ異なる波長と連動する。デテクション部品をインターリーブすることも可能である。もしくは、アレーの一部分を第一方向信号に使用し、他の部分を第二方向信号に使用することも可能である。利用手段はまた、伝搬方向によって、１つあるいは他の導波管で焦点が合わされた特定の波長の光で、光導波管を多重化することも可能である。
【００３３】
上記の説明で明らかであるように、本発明による両方向分散導波管タップは、光導波管における光の伝搬方向間の区分を行う光分光計として動作させることも可能である。このような装置は両方向光導波管通信システムにおいて多くのアプリケーションを持つ。とりわけ、チャネル波長とパワーの決定、ノイズ比に対する光信号の決定、レーザードリフトの決定、光増幅器ゲインスペクトルおよびチルトの決定、およびチャネル低下や故障の判定などのアプリケーションが考えられる。よって、従来技術において、本発明による両方向分散導波管タップをこれらもしくは他の使用方法に容易に適用することが可能である。
【００３４】
図５は、両方向モニタリング装置を用いる両方向光導波管通信システム例を図示したものである。トランスミッタ５１１とレシーバ５２１を第一部分のほぼ同位置に配置している。また、トランスミッタ５１２とレシーバ５２２を第二部分のほぼ同位置に配置している。トランスミッタとレシーバは、一般にｎチャネル波長分割マルチプレクサシステムのオペレーションに適用される従来タイプのものである。一般に、サーキュレータ５３１およびサーキュレータ５３２は各トランスミッタおよびレシーバとほぼ同位置に配置され、出射信号を両方向導波管リンク５９に加え、入射信号をそれぞれのレシーバに供給する。サーキュレータ間には、両方向分散導波管タップ５５１および両方向分散導波管タップ５５２と、両方向光増幅器５４とを配置している。各両方向分散導波管タップは１セットあるいは２セットの出力（一般的に電気出力）を有する。これを、それぞれ、符号５６１−５６ｎおよび符号５７１−５７ｎ、さらに符号５８１−５８ｎおよび符号５９１−５９ｎで示している。各両方向分散導波管タップにおいて、出力の１セットは右入射信号から誘導され、もう一方は左入射信号から誘導される。所定セットの所定出力は、一般にチャネルの信号パワーに比例する通信システムの所定チャネルと連動する。両方向分散導波管タップの様々な出力は、一般にフィードバック手段であるシステムモニタリングやシステム制御の適切な装置（図示せず）に提供される。
【００３５】
上記説明のシステムは一実施例であり、本発明による両方向分散導波管タップはさまざまな両方向光導波管システムにおいて有効的に使用出来ることは従来技術により明らかである。例えば、このような両方向分散導波管タップを、上記Ｓｕｚｕｋｉ等の参照論文による図２の波長分割マルチプレクサシステム内に取込むか、あるいは、米国特許番号５，７４２，４１６、図１の波長分割マルチプレクサシステムに取込み、全てのケースにおいて、１機能あるいはそれ以上のシステムモニタリング機能、システム制御機能を実行させることも可能である。
【００３６】
従来品である市販の５Ｄ^R シングルモードケイ素ベースファイバにおいてアンチャープドブレイズ化ブラッグ格子を従来技術により形成した。格子は、長さ１０ｍｍ、ブライズ角９°であり、半値で全幅約４０ｎｍにて、１５４０ｎｍ上にセンターをもつ波長レスポンスを有した。格子強度は、１５４０ｎｍ波長のシングルモードラジエーションの約２０％がファイバからタップアウトされた。ほぼ図１で示したように形成された２個の溶融ケイ素ブロックは、ファイバ格子に対して突合わせされた。また、屈折率整合フルイド（１５４０ｎｍで屈折率ｎ＝１．４４にて、Ｃａｒｇｉｌｌオイル）をブロック間に浸透させた。ブロック面積は１０ｘ３ｘ１ｃｍであり、低い方のブロックの１短面が６０°角にカット、研磨されている。従来の高反射絶縁ミラーが角度を有する平面上に形成されて、向左入射光をデテクタアレーに再誘導する。焦点長１００ｍｍの平凸面円柱形レンズは左入射光と右入射光（ラジエーションモード）の両方光の焦点を２５６エレメントリニアＩｎＧａＡｓデテクタアレー上で合わす。各デテクタエレメントは幅３０μｍ、長さ２５０μｍである。このようなアレーは従来品であり一般入手可能である。例をあげると、ＥＧ＆Ｇオプトエレクトロニクス社（Ｍｏｎｔｏｇｏｍｅｒｙｖｉｌｌｅ、ＰＡ．）より市販されている。このアレーは、０．１３ｎｍ幅のスペクトル部分に対応する各デテクタエレメントを有し、波長の３５ｎｍ幅範囲をカバーする。
【００３７】
このように製造された両方向分散導波管タップが以下のようにテストされた。従来品のヒューレットパッカード社の外部キャビティレーザーからのレーザーラジエーションを格子で光ファイバに連結させ、右入射信号および左入射信号を供給した。図６は１５３０ｎｍ−１５６０ｎｍレンジ上の右入射ラジエーションのデテクタレスポンスを示している。第一ピークはレーザラインに対応している。第二ピークは漂遊反射のためと信じられているが、慎重な設計により減じるか、または取除くことが出来る。図６で分かるように、異なるデテクタピクセルが異なる波長に対応している。そしてこのように、右入射光のスペクトルのマップを作成する。図７は、左入射光の対応結果を示したものである。この結果により一般的なタップは両方向タップであることが明確に示された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による両方向分散導波管タップの具体例を図示したものである。
【図２】本発明による両方向分散導波管タップの具体例を図示したものである。
【図３】本発明による両方向分散導波管タップの具体例を図示したものである。
【図４】本発明による両方向分散導波管タップの具体例を図示したものである。
【図５】両方向分散導波管タップを用いた両方向システム例を図示したものである。
【図６】一般的な両方向分散導波管タップの実験データである。
【図７】一般的な両方向分散導波管タップの実験データである。

Claims

ａ）予め定められた波長の光を第１の方向に誘導するとともに、該予め定められた波長の光を該第１の方向と反対の第２の方向にも誘導するよう機能する光導波路と、
ｂ）該第１の方向にて該光導波路を伝搬している光の少なくともいくらかを該光導波路から結合し、および該第２の方向にて該光導波路を伝搬している光の少なくともいくらかを該光導波路から結合するためのタップとを含む物品であって、
ｃ）該光導波路は、該第１および第２の方向にて基本モードの光を誘導するよう機能する単一モードの光導波路であり、
ｄ）該タップは、該光導波路におけるブレイズ化屈折率格子を含む双方向性タップであり、
ｅ）該光導波路を該第１の方向に伝搬している光の少なくともいくらかを、該第１の基本モードから少なくとも１つの第１の非誘導モードへと方向づけ、および該光導波路を該第２の方向に伝搬している光の少なくともいくらかを、第２の基本モードから少なくとも１つの第２の非誘導モードへと方向づけるよう、該ブレイズ化屈折率格子が選択され、ならびに該ブレイズ化屈折率格子のブレイズ角度は最大でも１５度であり、
ｆ）該物品は、該光導波路と光学的に協同動作する少なくとも１つの結合要素を含み、該第１および第２の非誘導モードがそれぞれ第１および第２の放射モードであるようにし、ならびに
ｇ）該物品は、該第１の放射モードの光を第１の利用要素の予め定められた領域上に実質的に焦点合わせするよう、および該第２の放射モードの光を第２の利用要素の予め定められた領域上に実質的に焦点合わせするように選択された少なくとも１つのフォーカシング要素を含む、ものであることを特徴とする物品。
請求項１に記載の物品において、
該少なくとも１つのフォーカシング要素が、円筒形レンズ、非円筒形レンズ、回折格子、ボリュームホログラム、非平面鏡、ブレイズ化屈折率格子のチャープ、およびこれらの組み合わせから成るグループから選択されるものである物品。
請求項１に記載の物品において、
該光導波路が、光ファイバである物品。
請求項１に記載の物品において、
該予め定められた波長が、約１．５μｍである物品。
請求項１に記載の物品において、
該第１および第２の利用要素が、光感知半導体デバイスを含む物品。
請求項５に記載の物品において、
該光感知半導体デバイスが、間隔をおいて配置された光感知領域の多重化により形成されている物品。
請求項１に記載の物品において、
該少なくとも１つの結合要素が、該光導波路に実質的に屈折率整合されている物品。
請求項１に記載の物品において、
該物品が、第１および第２の送信器と、第１および第２の受信器と、該第１の方向にて該第１の送信器から該第２の受信器に対して光を誘導するよう機能するとともに、該第２の方向にて該第２の送信器から該第１の受信器に対して光を誘導するよう機能する光導波路とを含む双方向性光導波路通信システムである物品。
請求項８に記載の物品において、
該双方向性タップの少なくとも１つの利用要素が、該双方向性光導波路の動作パラメータを表わす出力を有している物品。
請求項８に記載の双方向性光導波路通信システムにおいて、
該第１および第２の方向に誘導される該光の各々が予め定められた波長の多重化から成るシステム。