JP4640376B2 - 光等化器 - Google Patents

Description

本発明は光通信システムに係わり、特に、超高速光信号の分散補償技術に係わるものである。

光信号は波長によって伝送路を伝搬する速度が異なるという現象がある。これは、波長毎に伝送媒体の屈折率が異なることに起因する。
また、光ファイバに代表される光伝送路では、光を伝送媒体の一部に閉じ込めた状態で伝送を行うため、光の伝送媒体内での閉じ込めの状態の違いによっても信号の伝搬速度が異なる。閉じ込めの状態は波長によって異なるため、波長毎の伝搬速度差の原因となる。上記の要因で起こる光の波長による伝搬速度差を分散と呼ぶ。分散は遅延時間を波長の関数としてして示したときの微分として与えられ、ｐｓ／ｎｍなる単位を有する。

分散の効果は高速光伝送を行う場合に主に利用されるシングルモードファイバ（以下、SMFと称する）においても避けることのできない現象であり、伝送による信号波形の劣化の原因となる。例えば、１０Gb／sの信号を伝送する場合には、許容できる分散値は約１０００ｐｓ／ｎｍで、これは約７０kmのSMFでの分散量に相当する。したがって、長距離伝送を行うには分散を補償することが非常に重要になる。この技術を分散補償あるいは光等化と呼ぶ。分散補償用デバイスとしては、分散補償ファイバ（DCF）が市販されている。分散補償ファイバ（DCF）は伝送路に用いるSMFと逆の符号を持った分散値を有するデバイスである。しかしながら、DCFは長尺の光ファイバであるため実装容積が大きいという問題がある。

従来例１
他の分散補償技術としてチャープドグレーティングと呼ばれる技術が知られており、例えば、特願５６−１３７２号、特開昭５９−１２６３３６号に詳細が開示されている。図８はチャープドグレーティングの概念を説明する図である。
図８において、１７は光信号入力端子、１８は光サーキュレータ、１９は光信号出力端子、３は光導波路入出力端子、４は光導波路出力端子、１は光導波路、２は回折格子である。光サーキュレータは光信号入力端子より入力された光信号を光導波路入出力端子３に出力し、光導波路入出力端子３より入射された光信号は光信号出力端子１９に出力するという動作を行うデバイスである。回折格子２は屈折率をブラッグ波長周期で変化させたものでありグレーティングと呼ぶ。光信号入力端子１７より入力された光信号は光サーキュレータ１８を経て、光導波路入出力端子３より光導波路１に入力される。光導波路１に書き込まれた回折格子２によって反射された光信号は光導波路入出力端子３から光サーキュレータ１８を経て光信号出力端子１９から出力される。

ここで、光導波路に書き込まれたブラッググレーティングによる分散補償について説明する。グレーティングピッチ（格子間隔）をΛ、グレーティング部の等価屈折率をNeffとすると、ブラッググレーティングにより反射される波長λB（ブラッグ波長）は、次の（１）式で表される。
λB = 2 Neff Λ （１）

従って、グレーティングピッチを光導波路の長手方向に線形に変化させたチャープドグレーティングでは、ブラッグ波長は光導波路の長手方向に対して１次関数的に分布する。これは、各ブラッグ波長に対応した光の反射点が導波路の長手方向に１次関数的に分布していることと等価である。また、グレーティングで反射して戻ってくる光は、その反射点までの距離に応じて遅延するため、その遅延量は波長の１次関数として表される。

例えば、 図８に示すように、グレーティングピッチが光信号の入射側から線形に増加していくチャープドグレーティング２では、 波長λ1，λ2，λ3（λ1 ＜λ2 ＜λ3）の順に遅延は線形に増加する。その結果、群遅延の波長微分で表わされる分散は図８（ｂ）で表わされるように波長に対して一定値をとる直線となる。このようにしてチャープドグレーティングによって所望の分散値を得ることができる。

特開昭５９−１２６３３６号

ところがチャープとグレーティングは上述のとおり，グレーティングピッチを光導波路の長手方向に変化させて光導波路に書き込んだものであるため分散量は固定値となり，変化させることはできないという問題がある。光等化器に要求される分散値は伝送路の分散を打ち消す分散量であるため，使用される状況によって分散値は異なる。このため分散量を変化させることができないという制約は使用上大きな問題である。
また，１０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光信号では分散補償の精度を高めることが必要であり，特に４０Ｇｂ／ｓ以上の光信号においては伝送路のわずかな状態変化に応じたアクティブな分散補償量の制御が必要となるという議論もある。しかし，従来の光等価器ではアクティブな分散補償量の制御は不可能であるという問題があった。

この発明はかかる課題を解決するためになされ、光等化器において、光信号を入出力する入出力端子と、上記入出力端子からの入力光信号にブラッグ反射を引き起こす回折格子を有する光導波路と、上記光導波路の入力光信号の伝搬方向に負の温度勾配を印加する温度勾配印加手段と、上記温度勾配印加手段の熱を伝導する櫛形熱伝導体と、を備えたものである。

この発明は、光等化器において、回折格子に負の温度勾配を印加することよって信号波長に対して所望の負の分散を発生することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明による光等化器の構成ブロック図である。図１において、１７は光信号入力端子、１８は光サーキュレータ、１９は光信号出力端子、３は光導波路入出力端子、４は光導波路出力端子、１は光導波路、２は回折格子、５ａ、５ｂは温度印加手段である。光導波路１は光ファイバ、石英系導波路、半導体導波路などを用いることができる。温度印加手段５ａ、５ｂとしてはヒータ、ペルチェ素子などを用いることができる。

次に動作を説明する。光信号入力端子１７より入力された光信号は光サーキュレータ１８を経て、光導波路入出力端子３より光導波路１に入力される。回折格子２のグレーティングピッチ（格子間隔）Λおよびグレーティング部の等価屈折率をNeffによって決定されるブラッグ波長に一致した光信号は、回折格子２によって反射され、ブラッグ波長と一致しなかった光信号は光導波路出力端子４から出力される。すなわち、回折格子２は光フィルタとして機能する。回折格子２によって反射された光信号は光導波路入出力端子３から光サーキュレータ１８を経て光信号出力端子１９から出力される。

温度印加手段５ａ、５ｂによって光導波路１に熱が印加される。このとき、温度印加手段５ａが発生する熱量と温度印加手段５ｂが発生する熱量を異なる量とすることで、光導波路１および回折格子２には熱勾配が発生する。光導波路１の屈折率は温度の関数となっているため回折格子２の等価屈折率Neffも温度の関数となる。温度印加手段５ａ、５ｂによって印加された熱勾配は等価屈折率Neffにも導波路長手方向の分布をもたらす。式（１）に示されるようにブラッグ波長は等価屈折率Neffの関数となるため、光導波路１の長手方向にブラッグ波長が分布することになる。従って、熱勾配によってチャープドグレーティングと同様な効果が生まれ、波長が異なると反射点までの距離が異なり、分散が発生する。
例えば、温度印加手段５ａが発生する熱量よりも温度印加手段５ｂが発生する熱量が多ければ、図１（ｂ）の実線に示されるような温度勾配が形成され、その結果、波長によって光導波路入出力端子３からの反射点までの距離が異なる。図１（ｃ）の実線は波長と遅延時間の関数を表している。分散は遅延時間の波長微分であるから図１（ｄ）実線のような分散が発生する。

さて、ここで温度印加手段５ａが発生する熱量と温度印加手段５ｂが発生する熱量の差を小さくすることを考える。回折格子２に生じる熱勾配および等価屈折率勾配は図１（ｂ）の点線のように小さくなり、生ずる遅延時間の波長依存性は図１（ｄ）の点線のように大きくなる。従って、図１（ｄ）の点線に示すように分散値は大きくなる。さらに、温度印加手段５ａが発生する熱量よりも温度印加手段５ｂが発生する熱量を小さくすると生ずる分散の符号は負となる。このようにして、回折格子２に印加する熱勾配を変化させることで、発生する分散量を変化させることが可能である。即ち、光等化ができる。
尚、温度勾配と等価屈折率勾配の符号関係は、光導波路を形成する媒体の温度係数によっては上述の例と逆になる場合もある。また、温度勾配の制御によって分散のみならず、分散値の波長微分に相当する分散スロープをも制御することが可能である。

回折格子２としては等間隔な格子を用いることも、チャープドグレーティングを用いることもできる。またアポタイズグレーティングと呼ばれるような非均一なグレーティングピッチを用いても同様の効果が得られる。図１では２つの温度印加手段を用いたが、３つ以上の温度印加手段を使用することができることはいうまでもない。

実施の形態２．
図２はこの発明による他の実施の形態の構成図を示している。図１との相違は電極６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆおよび電圧源７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅを設けたことにある。光導波路１の屈折率は印加される電界によって変化するため図１と同様に回折格子２の等価屈折率に長手方向の分布が生じ、分散が発生する。電圧源７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅが７ａ＜７ｂ＜７ｃ＜７ｄ＜７ｅなる電圧にすることによって図１と同様な分散が生じ、この電圧の分布を変化させることによって所望の分散を得ることができる。

光導波路１が印加される電界によって屈折率変化を生ずる現象は電気光学効果と呼ばれる。電気光学効果が生じやすい光導波路を用いることによって電圧源７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅの電圧を小さくすることができる。電気光学効果が大きな材料としては半導体、誘電体結晶などが知られている。
図２では５つの電極と５つの電圧源を用いているが、回折格子に等価屈折率分布を生じる目的を満足すれば、電極および電圧源の数は任意である。また、電圧計あるいは電界センサを用いて印加する電圧あるいは電界をモニタし、制御することは安定な光等化器実現のために有効である。
なお、図２では、図1における導波路入出力端子３に接続されるべき光サーキュレータ１８を省いている。

実施の形態３．
図３はこの発明の他の実施例を示す構成図である。図３において、３は光導波路入出力端子、４は光導波路出力端子、１は光導波路、２は回折格子、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅはピエゾ素子、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅは電圧源、９は固定台である。ピエゾ素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅは応力印加手段として動作する。

次に動作について説明する。ピエゾ素子によって光導波路１には応力が印加される。その結果、光路長が変化するためブラッグ波長までの距離が変化し、分散が発生する。この印加する応力を変化させることによって所望の分散を得ることができる。
なお、図３では、図1における導波路入出力端子３に接続されるべき光サーキュレータ１８を省いている。

実施の形態４．
図４はこの発明の他の実施例を示す構成図である。３は光導波路入出力端子、４は光導波路出力端子、１は光導波路、２は回折格子、５ａ、５ｂは温度印加手段、１０ａ、１０ｂは温度検出手段、１１ａ、１１ｂは温度制御回路である。温度制御回路１１ａ、１１ｂは温度検出回路１２ａ、１２ｂ，基準電圧発生回路１５ａ、１５ｂ，比較器１３ａ，１３ｂ，より構成される。温度検出手段１０ａ、１０ｂとしてはサーミスタや半導体デバイスなどを用いる。

次に、図４を用いて動作を説明する。
温度検出手段１０ａによって計測された温度は温度検出回路１２ａによって電圧に変換され、基準電圧発生回路１５ａによって発生される電圧と比較器１３ａで比較される。比較器１３ａが発生する誤差信号によって温度制御手段１１ａが温度印加手段５ａを制御するので、温度検出回路１２ａが発生する電圧は基準電圧発生回路１５ａから出力する電圧と等しくなるように動作する。
同様に、温度検出手段１０ｂによって計測された温度は温度検出回路１２ｂによって電圧に変換され、基準電圧発生回路１５ｂによって発生される電圧と比較器１３ｂで比較される。比較器１３ｂが発生する誤差信号によって温度制御手段１１ｂが温度印加手段５ａを制御するため、温度検出回路１２ｂが発生する電圧は基準電圧発生回路１５ｂから出力する電圧と等しくなるように動作する。
図１との相違は温度検出手段１０ａ、１０ｂを設けたことによってより高精度かつ安定に温度勾配を印加すること可能となったことである。言うまでもなく３つ以上の温度検出手段を設けることはさらなる高精度化、安定化に有効となる。
なお、図４では、図1における導波路入出力端子３に接続されるべき光サーキュレータ１８を省いている。

実施の形態５．
図５はこの発明の他の実施例を示す構成図である。３は光導波路入出力端子、４は光導波路出力端子、１は光導波路、２は回折格子、５ａ、５ｂは温度印加手段、１０は温度検出手段、１１は温度制御回路である。温度制御回路１１は温度検出回路１２、第１の基準電圧発生回路１５ａ、比較器１３、第２の基準電圧発生回路１５ｂ、加算器1４より構成される。

図５の特徴は温度検出手段１０が回折格子２の中央部に取り付けられていることである。温度制御回路１１は温度検出手段１０が検出する温度を第１の基準電圧発生回路１５ａで与えられる電圧できまる一定値に保ちつつ、温度勾配を第２の基準電圧発生回路１５ｂで与えられる電圧値に従って変化させるという動作を行う。
温度検出手段１０によって計測された温度は温度検出回路１２によって電圧に変換され、第１の基準電圧発生回路１５ａによって発生される電圧と比較器１３で比較される。比較器１３が発生する誤差信号によって温度制御手段１１が温度印加手段５ａを制御する。

加算器１４は比較器１３が発生した電圧と第２の基準電圧発生回路１５ｂによって発生される電圧を加算し、温度制御手段１１が温度印加手段５ｂを制御する。温度検出回路１２が発生する電圧は第１の基準電圧発生回路１５ａから出力する電圧と等しくなるように動作する。
印加される温度勾配を変化させた場合にも回折格子２の中央部の温度が一定値となるように制御されるため、回折格子２のブラッグ反射波長の中心波長は一定となる。
なお、図５では、図1における導波路入出力端子３に接続されるべき光サーキュレータ１８を省いている。

実施の形態６．
図６はこの発明の他の実施例を示す構成図である。図１との相違は熱伝導体１６を追加したことにある。熱伝導体１６は非等間隔な櫛形をしており、回折格子２に熱勾配を与えることができる。動作については図１と同様である。

実施の形態７．
図７はこの発明の他の実施の形態を示す構成図である。図７において、１７は光信号入力端子、１９は光信号出力端子、２３は光合分波器、１ａ、１ｂは光導波路、２ａ、２ｂは回折格子、５ａ、５ｂは温度印加手段である。光合分波器、光導波路を集積化することは光等化器の小型化および高精度化に有効である。
光合分波器２３としては通常、３ｄＢ光カプラを用いる。この実施例では光サーキューレータを用いることなく、図１と同様な効果を得ることができる。

本実施の形態による動作を説明する．
光信号入力端子１７から入力され、光合分波器２３において二つの隣り合う導波路にパワーが各々１／２、位相差π／２の状態で分波された光は、各々温度勾配を印加された回折格子２ａ、２ｂを含む光導波路１ａ、１ｂにおいて分散を受けた後、光合分波器２３に反射されて戻ってくる。光合分波器２３に入力された各導波路の光信号は、光合分波器２３を通過するときにさらにπ／２だけの位相差を得るため、光合分波器２３を１往復したことにより各導波路での光の位相差はπとなる．その結果、光合分波器２３に戻ってきた光は光信号入力端子１７と光信号出力端子１９に出力される。

実施の形態１を示すブロック図である。 実施の形態２を示すブロック図である。 実施の形態３を示すブロック図である。 実施の形態４を示すブロック図である。 実施の形態５を示すブロック図である。 実施の形態６を示すブロック図である。 実施の形態７を示すブロック図である。 従来例１の構成を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ 光導波路
２、２ａ、２ｂ 回折格子
３ 光導波路入出力端子
４ 光導波路出力端子
５、５ａ、５ｂ 温度印加手段
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆ 電極
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ 電圧源
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ ピエゾ素子
９ 固定台
１０、１０ａ、１０ｂ 温度検出手段
１１、１１ａ、１１ｂ 温度制御回路
１２ 温度検出回路
１３ 比較器
１４ 加算器
１５、１５ａ、１５ｂ 基準電圧発生回路
１６ 熱伝導体
１７ 光信号入力端子
１８ 光サーキュレータ
１９ 光信号出力端子
２０ 偏波分離器
２３ 光合分波器

Claims (4)

1. 光信号を入出力する入出力端子と、
   上記入出力端子からの入力光信号にブラッグ反射を引き起こす回折格子を有する光導波路と、
   上記光導波路の入力光信号の伝搬方向に負の温度勾配を印加する温度勾配印加手段と、
   上記温度勾配印加手段の熱を伝導する櫛形熱伝導体と、
   を備えたことを特徴とする光等化器。
2. 上記櫛形熱伝導体は、非等間隔な櫛形をしていることを特徴とする請求項１に記載の光等化器。
3. 上記回折格子は、グレーティングピッチが線形に変化したチャープドグレーティングを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光等化器。
4. 上記回折格子は、アポタイズグレーティングを含むことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光等化器。

Images