JP4022766B2

JP4022766B2 - 波長分散デバイス

Info

Publication number: JP4022766B2
Application number: JP2003358767A
Authority: JP
Inventors: 英憲高橋; 涼猪原; 公佐西村; 正士宇佐見
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-10-20
Also published as: JP2005122001A; US7035495B2; US20050117842A1

Description

本発明は、波長に応じて異なる波長分散値を具備する波長分散デバイスに関する。

波長に応じてほぼ線形に波長分散値が変化する波長分散デバイスには主として、オールパス共振器タイプのファブリペローエタロン（ＦＰＥ）型（非特許文献１，２）と、リング共振器型（非特許文献３）がある。何れの分散補償デバイスも、複数の波長の波長分散を一括して補償可能であり、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送の分散補償デバイスとして適している。特に、リング共振器型波長分散デバイスは＋／−１０００ｐｓ／ｎｍ以上の広い可変範囲を有している。

図９は、リング共振器型の従来の波長分散デバイスの概略構成図を示す。図示した波長分散デバイス１１０は、直線状の入出力導波路１１２と、入出力導波路１１２の光軸に沿って配置され、導波路１１２と方向性結合する複数のリング導波路１１４，１１６，１１８，１２０とからなる。各リング導波路１１４〜１２０のＦＳＲ（Free Spectral Range）は等しく設定される。

導波路１１２に入力した光は、先ず、リング導波路１１４との光結合部でその一部がリング導波路１１２に結合する。リング導波路１１２に結合した光は、リング導波路を１周した後、再び導波路１１０に結合する。同様のことが、他のリング導波路１１４，１１６，１１８でも発生する。各リング導波路１１２〜１２０での入出力特性を乗算したものが、波長分散デバイス１１０の入出力特性になる。各リング導波路１１４〜１２０と導波路１１２との結合係数を調節することで、各リング導波路１１４〜１２０における群遅延特性を調節できる。

図１０は、各リング導波路１１４〜１２０に対する群遅延特性１２４〜１３０と、全体の群遅延特性１３２を示す。図１０で、横軸は、相対角周波数（ω−ω_０）／ＦＳＲを示し、縦軸は、相対群遅延τ（ω）／Ｔを示す。ωは、光導波路１１２に入力する光の角周波数を示す。ω_０は基準角周波数を示す。Ｔは基準遅延時間（秒）を示す。τ（ω）は、波長分散デバイス１１０の群遅延時間を示す。図１０に示すように、波長分散デバイス１１０の群遅延時間τ（ω）は、−π／２からπより少し低い値の範囲にわたり、角周波数ωに対してほぼ直線状に変化しており、この範囲が、波長分散補償に利用可能な帯域（パスバンド）１３４になる。ＦＳＲからパスバンド１３４を除いた範囲が、利用不可能な帯域１３６になる。
M. Jablonski, et al., "Adjustable dispersion-slope compensator using entirely thin-film coupled-cavity allpass filters in a multi-reflection parallel configuration," Optical Fiber Communication Conference, Anaheim, California, 2001, TuS3. D. J. Moss, et al., "Multichannel Tunable Dispersion Compensation Using All-Pass Multicavity Etalons," Optical Fiber Communication Conference, Anaheim, California, 2002, TuT2. C. K. Madsen, et al., "Compact Integrated Tunable Chromatic Dispersion Compensator with a 4000 ps/nm Tuning Range," Optical Fiber Communication Conference, Anaheim, California, 2001, PD9.

リング共振器型の従来の波長分散デバイスでは、各リング導波路での群遅延が左右対称の共振ピーク形状になり、しかも、どのピークも同じ符号（図１０ではプラス）の値になる。その結果、合成特性は、裾の下の方の部分で直線から外れざるを得ず、図１０に図示したように、利用不可能な帯域１３６が生じる。

本発明は、より広いパスバンドを確保できるリング共振器型の波長分散デバイスを提示することを目的とする。

本発明に係る波長分散デバイスは、入出力導波路と、当該入出力導波路と方向性結合により光結合するリング導波路であって、当該入出力導波路の光軸方向に沿って配置され、所定ＦＳＲ（Free Spectral Range）及び互いに同じ極性のピーク値を有する群遅延特性を具備する複数の第１のリング導波路と、当該入出力導波路にマッハツェンダ干渉計を形成する２つの光結合部で光結合するリング導波路であって、当該所定ＦＳＲを具備すると共に、損失媒体（２２ｄ）により当該第１のリング導波路とは異なる極性のピーク値を有する群遅延特性を具備する第２のリング導波路とを有し、当該第２のリング光導波路により全体の群遅延特性の直線領域が拡張されることを特徴とする。

第２のリング導波路が第１のリング導波路による群遅延特性とは逆極性のピーク値を具備するので、第１のリング導波路により形成される群遅延特性を、第１のリング導波路により延伸することが可能になる。これにより、利用可能な帯域を拡張できる。

好ましくは、当該第１のリング導波路が、当該入出力導波路にマッハツェンダ干渉計を形成する２つの光結合部で光結合する。これにより、各リング導波路での群遅延特性の調整・変更が容易になる。

好ましくは、当該第１のリング導波路が、マッハツェンダ干渉計の２つのアームの内、当該第１のリング導波路上に位置するアーム上に位相シフタを具備することを特徴とする。位相シフタによる位相シフト量を調整することにより、当該第１のリング導波路の群遅延特性を変更できる。その結果、全体の群遅延特性をダイナミックに調整・変更できる。

好ましくは、当該第２のリング導波路が、マッハツェンダ干渉計の２つのアームの内、当該第１のリング導波路上に位置するアーム上に位相シフタを具備する。位相シフタによる位相シフト量を調整することにより、当該第２のリング導波路の群遅延特性を変更できる。その結果、第１のリング導波路による群遅延特性を調整して、利用可能な帯域を調整できる。

本発明によれば、従来より広いパスバンドを具備する波長分散デバイスを実現できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の概略構成ブロック図を示す。

図１に示す波長分散デバイス１０は、入出力導波路１２と、当該入出力導波路１２に光結合し、光軸方向にシリアルに配置される５つのリング導波路１４，１６，１８，２０，２２からなる。即ち、５段のリング共振器がシリアルに接続されている。詳細は後述するが、リング導波路２２からなる最終段のリング共振器は、パスバンドの拡張用に配置される。入出力導波路１２の一端が、入力ポート１２ａであり、他端が出力ポート１２ｂである。

リング導波路１４，１６，１８，２０，２２は、入出力導波路１２との間でマッハツェンダ干渉計を構成する。リング導波路１４を例に説明すると、マッハツェンダ干渉計の一方のアームが入出力導波路１２上にあり、他方のアームがリング導波路１４上にある。他方のアームの出力ポートを当該他方のアームの入力ポートに接続することで、閉じたリング、即ちリング導波路１４が形成される。

マッハツェンダ干渉計の、リング導波路１４上のアーム上には、伝搬する光の光位相をシフトする位相シフタ１４ａが配置されている。位相シフタ１４ａは例えば、マッハツェンダ干渉計の、リング導波路１４上のアームを加熱するヒータで実現される。マッハツェンダ干渉計の両アームの前後に位置する方向性光結合器１４ｂ，１４ｃでは、入出力導波路１２とリング導波路１４が、直接結合しないので、直接結合による過剰損失が無い。

他のリング導波路１６，１８，２０，２２も、リング導波路１４と同様の構成で、入出力導波路１２に光結合する。他のリング導波路１６，１８，２０，２２にも、位相シフタ１４ａと同様の位相シフタ１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａが配置され、方向性結合器１６ｂ，１６ｃ，１８ｂ，１８ｃ，２０ｂ，２０ｃ，２２ｂ，２２ｃにより入出力導波路１２と光結合する。

位相シフタ１４ａ〜２２ａの光位相シフト量は同じでは無く、全体の群遅延特性が所望形状になるような値にそれぞれ設定される。より具体的には、リング導波路１６，１８，２０の共振ピークが互いに同じ符号の値（例えば、正値）になり、リング導波路２２の共振ピークが逆符号の値（例えば、負値）になるように、位相シフタ１４ａ〜２２ａの光位相シフト量を調節する。本実施例では、位相シフタ１４ａ〜２２ａの光位相シフト量を調節することで、全体の群遅延特性、即ち波長分散特性をダイナミックに変更できる。最後のリング導波路２２は、全体の群遅延特性の直線領域を拡張するために配置される。

先に説明したように、入出力導波路に光結合する複数のリング導波路を入出力導波路の光軸方向にシリアルに配置する従来の構成では、個々のリング導波路による群遅延特性が、図１０に示すように、同じ符号の値（例えば、正値）になり、それらの合成の群遅延特性では、図１０に示すように、無視できないほどに広い利用不可能な帯域が発生する。

本出願の発明者は、リング導波路に損失を与えることで、個々のリング導波路による群遅延特性が逆極性値、例えば、負値になりうることを発見した。図２は、ラウンドトリップ損失が２ｄＢの場合の、位相シフタの光位相シフト量と、相対群遅延との関係を示す。横軸は、相対角周波数（ω−ω_０）／ＦＳＲを示し、縦軸は、相対群遅延τ（ω）／Ｔを示す。ωは、入出力導波路に入力する光の角周波数を示す。ω_０は基準角周波数を示す。Ｔは基準遅延時間（秒）を示す。τ（ω）は群遅延時間を示す。図２から分かるように、φ＝６π／８及び７π／８の場合に、群遅延の共振ピークが負値になっている。図２に示す特性は、ラウンドトリップ損失にも依存するので、ラウンドトリップ損失を調整することでも、群遅延特性の共振ピークを負値にできるとともに、その群遅延特性を変更できる。

この結果を利用して、図１に示す実施例では、リング導波路２２による群遅延の共振ピークが負値になるように、リング導波路２２上に損失媒体（又は減衰器）２２ｄを配置してある。

非特許文献３の図２に示される群遅延特性と同じ群遅延特性を実現するケースで、リング導波路２２による作用を確認した。図３は、そのシミュレーション結果を示す。リング導波路１４，１６，１８，２０，２２からなる各リング共振器のＦＳＲを非特許文献３に示されるのと同様の２５ＧＨｚとし、損失媒体２２ｄの損失を２ｄＢとした。図３において、横軸は、波長を示し、縦軸は、相対群遅延（ｐｓ）を示す。特性３０は、リング導波路１４，１６，１８，２０からなる部分の群遅延特性を示す。特性３２は、リング導波路２２からなる部分の群遅延特性を示す。特性３４は、デバイス１０の全体の群遅延特性、即ち、群遅延特性３０，３２を合成した群遅延特性を示す。

特性３０では、リップルがピークツーピークで２０ｐｓの範囲内である条件の下で、−１２２５ｐｓ／ｎｍの波長分散を０．１５ｎｍ（ＦＳＲに対して７５％）の波長範囲で実現できている。これに対して、特性３４では、同じリップル条件の下で、−１２２５ｐｓ／ｎｍの波長分散を０．１６ｎｍ（ＦＳＲに対して８０％）の波長範囲で実現できている。これは、リング導波路２２を追加することで、パスバンドを０．０１ｎｍだけ拡張できたことを意味する。

図３では、波長分散が負になっているが、リング導波路１４〜２２の位相シフタ１４ａ〜２２ａの位相シフト量を調節又は変更することで、波長分散を別の値、例えば、正値に変更することも可能である。リング導波路１４〜２２の、マッハツェンダ干渉計から外れた導波路上に、位相シフト量を変更可能な位相シフタを追加することで、波長分散の調節レンジをより広くすることができる。

リング導波路２２上の損失媒体２２ｄは、種々の方法で実現できる。そのための構成例を図４乃至図８に図示した。

図４は、リング導波路２２に対して更にマッハツェンダ干渉計型導波路を付加した例の構成図を示す。追加されたマッハツェンダ干渉計４０の、リング導波路２２に接続しない出力ポートからの出力光が損失となる。

図５は、リング導波路２２上にＹ分岐光回路４２とＹ合波器４４を付加した構成例の構成図を示す。Ｙ分岐光回路４２での分岐とＹ合波器４４での合波の何れで損失が生じ得る。また、Ｙ分岐光回路４２とＹ合波器４４の間の光パス上に損失媒体を配置しても良い。

図６は、リング導波路２２の途中を切断し、光軸に直交する方向にずらした構成例の構成図を示す。切断箇所で損失が発生する。

図７は、リング導波路２２の途中を切断し、切断による両端面を光軸方向に離した構成例の構成図を示す。切断箇所で損失が発生する。

図８は、リング導波路２２の曲がり部の曲げ半径を、損失が生じる程に小さくした構成例の構成図を示す。小さな曲がり部で損失が発生する。

全リング導波路１４〜２２が、入出力導波路１２とマッハツェンダ干渉計により光結合する実施例を説明したが、リング導波路１４〜２０は、図９に示す従来例と同様に、１つの方向性結合部で入出力導波路１２に光結合しても良い。但し、その場合には、波長分散値が固定される。

各リング導波路１４〜２２と入出力導波路１２との間の各光結合部１４ｂ〜２２ｂ，１４ｃ〜２２ｃにおいて、各リング導波路１４〜２２と入出力導波路１２が物理的に離れた構成の実施例を説明したが、本発明は、リング導波路１４〜２２と入出力導波路１２が、光結合部１４ｂ〜２２ｂ，１４ｃ〜２２ｃにおいて部分的に又は全体的に一体になった、より密に結合する構成にも適用可能であることは明らかである。

上記実施例では、波長分散特性の直線性を拡張するためのリング導波路２２が、最終段に配置されている。しかし、他の位置，例えば，リング導波路１４の前段、リング導波路１４とリング導波路１６の間、リング導波路１６とリング導波路１８の間、及びリング導波路１８とリング導波路２０の間の何れに配置してもよい。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例の概略構成図である。損失を有するリング共振器における位相シフト量φ対群遅延特性を示す図である。リング導波路１４〜２０を有する部分の群遅延特性３０と、リング導波路２２による群遅延特性３２と、両方を合成した群遅延特性３４を示す図である。損失媒体２２ｄの第１構成例を示す構成図である。損失媒体２２ｄの第２構成例を示す構成図である。損失媒体２２ｄの第３構成例を示す構成図である。損失媒体２２ｄの第４構成例を示す構成図である。損失媒体２２ｄの第５構成例を示す構成図である。従来のリング共振器型分散デバイスの構成図である。従来例の群遅延特性図である。

符号の説明

１０：波長分散デバイス（実施例）
１２：入出力導波路
１２ａ：入力ポート
１２ｂ：出力ポート
１４，１６，１８，２０，２２：リング導波路
１４ａ，１６ａ，１８ａ，２０ａ，２２ａ：位相シフタ
１４ｂ，１４ｃ，１６ｂ，１６ｃ，１８ｂ，１８ｃ，２０ｂ，２０ｃ，２２ｂ，２２ｃ：方向性結合器
２２ｄ：損失媒体
４０：マッハツェンダ干渉計
４２：Ｙ分岐光回路
４４：Ｙ合波器
１１０：波長分散デバイス（従来例）
１１２：入出力導波路
１１４，１１６，１１８，１２０：リング導波路
１２４〜１３０：各リング導波路１１４〜１２０に対する群遅延特性
１３２：全体の群遅延特性

Claims

入出力導波路（１２）と、
当該入出力導波路と方向性結合により光結合するリング導波路であって、当該入出力導波路の光軸方向に沿って配置され、所定ＦＳＲ（Free Spectral Range）及び互いに同じ極性のピーク値を有する群遅延特性を具備する複数の第１のリング導波路（１４〜２０）と、
当該入出力導波路にマッハツェンダ干渉計を形成する２つの光結合部で光結合するリング導波路であって、当該所定ＦＳＲを具備すると共に、損失媒体（２２ｄ）により当該第１のリング導波路とは異なる極性のピーク値を有する群遅延特性を具備する第２のリング導波路（２２）
とを有し、
当該第２のリング光導波路により全体の群遅延特性の直線領域が拡張されることを特徴とする波長分散デバイス。
当該第１のリング導波路（１４〜２０）が、当該入出力導波路（１２）にマッハツェンダ干渉計を形成する２つの光結合部で光結合する請求項１に記載の波長分散デバイス。
当該第１のリング導波路（１４〜２０）が、マッハツェンダ干渉計の２つのアームの内、当該第１のリング導波路（１４〜２０）上に位置するアーム上に位相シフタ（１４ａ〜２０ａ）を具備することを特徴とする請求項２に記載の波長分散デバイス。
当該第２のリング導波路（２２）が、マッハツェンダ干渉計の２つのアームの内、当該第２のリング導波路（２２）上に位置するアーム上に位相シフタ（２２ａ）を具備する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の波長分散デバイス。