JP4945475B2

JP4945475B2 - 可変分散補償器

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Publication number: JP4945475B2
Application number: JP2008037800A
Authority: JP
Inventors: 直樹大庭; 賢哉鈴木; 和則妹尾; 元速石井; 真司美野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2008-02-19
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-02-19
Also published as: JP2009198594A

Description

本発明は、光ファイバ通信等において利用される分散補償器に関する。

近年の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。リング・メッシュ型構成のシステムは、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り、ノード間の通信需要の変化に柔軟に対応ができるためである。具体的には、波長パスの動的切り替によって、新規のパスの開通ならびに廃止に伴なう現地作業量を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、分散補償ファイバや分散補償量が固定されたタイプのものであり、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、ＷＤＭ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：ＰｌａｎａｒＬｉｇｈｔｗａｖｅＣｉｒｃｕｉｔ）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し、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、特許文献１には、アレイ導波路格子（以下、ＡＷＧという）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、液晶素子を中心として対称に配置されたＰＬＣ、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を行う。

図１１は、従来技術におけるＰＬＣを利用した可変分散補償器の一例を示す構成図である。この可変分散補償器は、等しい線分散パラメータを持つ２つのＡＷＧを線対称に配置した構成を持つ。すなわち、ＡＷＧの一方は、入力導波路２１、第１のスラブ導波路２２、第１のアレイ導波路２３および第３のスラブ導波路２４により構成される第１のＡＷＧ２９ａである。他方は、出力導波路２７、第２のスラブ導波路２６、第２のアレイ導波路２５および第３のスラブ導波路２４により構成される第２のＡＷＧ２９ｂである。

中央部に配置される第３のスラブ導波路２４を、第１の部分２４ａおよび第２の部分２４ｂに分けて考えると、中央部のＢ面を対称面として２つの部分２４ａ、２４ｂが対称に構成されている。可変分散補償器全体でも、各要素がＢ面を含む対称軸に対して線対称に配置されている。ここで、第１のアレイ導波路２３と第３のスラブ導波路２４の境界をＡ面とし、第２のアレイ導波路２５と第３のスラブ導波路２４の境界をＣ面とする。

この可変分散補償器においては、入力光信号が入力導波路２１へ入力されて、光信号に所定の位相差を付与して、出力導波路２７から出力される。入力光信号は、第１のアレイ導波路によって、境界面Ａ面においてその波長応じた出射角度θで分光される。分光された光信号は、第３のスラブ導波路２４の第１の部分２４ａにより集光されて、波長に応じたＢ面上の位置に波長分離されて集光される。上述のように各要素が線対称に配置されているので、第１のＡＷＧ２９ａを経てＢ面上に集光した各波長の光信号は、上述した動作とは逆の動作により第２のＡＷＧ２９ｂによって合波され、合波された光信号が出力導波路２７から出力される。光信号は、入出力間において、対称軸であるＢ面において結合されていると見なせることに留意されたい。

境界面Ａ面からＢ面を経て境界面Ｃ面へ至る光路長は、第１のＡＷＧ２９ａおよび第２のＡＷＧ２９ｂの設計中心波長λ₀において最も短くなる（光路３３）。一方、波長が中心波長λ₀から離れるにしたがって、光路長はほぼ２次の依存性を持って長くなる（光路３１、３２）。したがって、図１１に示した線対称な配置構成自体によって、２次の位相差が光信号に付与され、負の一定値の波長分散が生じる（非特許文献１）。さらに、対称軸上に（Ｂ面）に、可変焦点レンズなどの位相変調素子２８を配置して位相差を付与することによって、波長分散値を変化させ可変波長分散器を実現できる（特許文献１、非特許文献２）。

特開２００２−２５０８２８号公報（第１６頁、１９頁、第２０図、第２７図、第２９Ｄ図など） R. Kasahara et al. "Cyclic and rectangular passband optical bandpass filter using AWG pair," Electron. Lett., June 2003, Vol. 39, No. 12, p. 910. C. R. Doerr et al. "Multichannel integrated tunable dispersion compensator employing a thermooptic lens," OFC2002, Postdeadline Paper FA6.

しかしながら、図１１に示したＰＬＣを利用した可変分散補償器においては、透過帯域幅が制限されて、広帯域の光信号処理に制限を与える問題があり、十分な性能を持つものではなかった。図１１において、中心波長λ₀の光信号はＡ面からＣ面ヘ向かって光路３３のように直進するため、Ｂ面上の集光点を経由しても光結合の損失は生じない。しかしながら、中心波長λ₀より長波長側の波長を持つ光信号の光路３２ならびに中心波長より短波長側の波長を持つ光信号の光路３１からわかるように、これらの光路は、光軸がＢ面上の集光点で折れ曲がる。このため、中心波長λ₀から離れるほど、大きな光結合損失が生じる。可変分散補償器の透過帯域の周辺波長において、損失が生じることになり、透過帯域制限を制限する。高速の光信号処理に、制限を生じる。

尚、上述の光軸の折れ曲がりは、入力側から第１のＡＷＧ２９ａの光路を辿り、出力側から第２のＡＷＧ２９ｂの光路を辿ったときに、Ｂ面で出会う２つの光路の仮想的に観測される光軸折れ曲がりとして説明している。実際は、主にスラブ導波路２６の導波光の中において、出力導波路２７に結合せずに放射モードとなる光は損失光となるが、前述の光軸折れ曲がりを仮定して説明した損失と原理的に同じ損失値となる。

Ｂ面上に位相変調素子２８を配置した場合には、Ａ面を透過した光信号がＣ面へ完全に結合する条件は、波長に関係なくＡ面からＣ面までの光路長が等しいことである。しかし、全ての波長において光路長が等しいことは、光信号に位相差が生じていないことを意味しており、波長分散が生じないことと同じである。したがって、位相変調素子を利用して、位相差を与えて波長分散を生じさせることにより、原理的に透過帯域の周辺波長における結合損失を避けることはできない。したがって、図１１に示したような線対称構成の分散補償器においては、原理的に、透過帯域の狭窄化を避けることができない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、透過帯域を平坦とした広帯域な特性を持ち、従来のＡＷＧ構成を利用した簡易な構成の可変分散補償器を提供することである。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、異なる波長を持つ複数の光信号が入力される少なくとも１つの入力導波路と、前記入力導波路に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続され、第１の分波面内において前記複数の光信号を波長に応じた出射角度に分波し、かつ平行光を出射する第１のアレイ導波路と、前記第１のアレイ導波路に対して点対称な位置関係に配置され、かつ平行光を受光する第２のアレイ導波路であって、前記第２のアレイ導波路は前記第１のアレイ導波路と等しい角度分散値を持ち、波長に依存しない等位相面を持って光信号を出射する第２のアレイ導波路と、前記等位相面において前記第２のアレイ導波路に連接され、第２の分波面内において前記複数の光信号を波長に応じた出射角度に分波し、かつ平行光を出射する第３のアレイ導波路と、前記第３のアレイ導波路と等しい角度分散値を持ち、前記第３のアレイ導波路に対して点対称な位置関係に配置され、かつ平行光を受光する第４のアレイ導波路と、前記第４のアレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路と、前記第２のスラブ導波路に接続された少なくとも１本の出力導波路と、前記第１のアレイ導波路および前記第２のアレイ導波路を平行光により光学的に結合する第１の光伝搬部と、前記第３のアレイ導波路および前記第４のアレイ導波路を平行光により光学的に結合する第２の光伝搬部とを備えたことを特徴とする分散補償器である。

請求項２の発明は、異なる波長を持つ複数の光信号が入力される少なくとも１つの入出力導波路と、前記入出力導波路に接続された第１のスラブ導波路と、前記第１のスラブ導波路に接続され、分波面内において前記複数の光信号を波長に応じた出射角度に分波し、かつ平行光を出射する第１のアレイ導波路と、前記第１のアレイ導波路と等しい角度分散値を持ち、前記第１のアレイ導波路に対して点対称な位置関係に配置され、かつ平行光を受光する第２のアレイ導波路であって、波長に依存しない等位相面を持って光信号を出射する第２のアレイ導波路と、前記等位相面において光信号の光路を折り返すミラーと、前記第１のアレイ導波路および前記第２のアレイ導波路を平行光により光学的に結合する光伝搬部とを備えたことを特徴とする分散補償器である。

請求項３の発明は、請求項１に記載の可変分散補償器であって、前記少なくとも１つの入力導波路は、前記第１のスラブ導波路との接合点における接合角度が異なる複数の導波路であり、前記第１の光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面もしくは前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、または、前記第２の光伝搬部において、前記第３のアレイ導波路との第３の境界面もしくは前記第４のアレイ導波路との第４の境界面の少なくとも一方が、各分波面内にあって主光路軸に対する垂直軸に対してそれぞれ傾斜しており、前記複数の導波路に対応して、前記第１の光伝搬部または前記第２の光伝搬部の前記垂直軸上の異なる位置を通る複数の光路が形成されることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項２に記載の可変分散補償器であって、前記少なくとも１つの入出力導波路は、前記第１のスラブ導波路との接合点における接合角度が異なる複数の導波路であり、前記光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面または前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、各分波面内にあって主光路軸に対する垂直軸に対してそれぞれ傾斜しており、前記複数の導波路に対応して、前記光伝搬部の前記垂直軸上の異なる位置を通る複数の光路が形成されることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１または２に記載の可変分散補償器であって、前記第１のスラブ導波路は、入力光信号を偏向する導波路偏向器を有し、前記第１の光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面もしくは前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、前記第２の光伝搬部において、前記第３のアレイ導波路との第３の境界面もしくは前記第４のアレイ導波路との第４の境界面の少なくとも一方が、または前記光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面もしくは前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、各分波面内にあって主光路軸に対する垂直軸に対してそれぞれ傾斜しており、前記導波路偏向器による複数の偏向角度に対応して、前記第１の光伝搬部、前記第２の光伝搬部または前記光伝搬部の前記垂直軸上の異なる位置を通る複数の光路が形成されることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至５いずれかに記載の可変分散補償器であって、前記第１の光伝搬部もしくは前記第２の光伝搬部の少なくとも１つまたは前記光伝搬部は、両端が前記各アレイ導波路に接続されたスラブ導波路であることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１または２に記載の可変分散補償器であって、前記第１の光伝搬部もしくは前記第２の光伝搬部の少なくとも１つまたは前記光伝搬部は、両端に接続された前記各アレイ導波路間の光路長を可変できるように構成されたことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７に記載の可変分散補償器であって、前記各光伝搬部は、隣接するアレイ導波路の端面近傍にそれぞれ配置された２つのシリンドリカルレンズと、前記２つのシリンドリカルレンズによって規定された距離Ｇの空間とによって構成され、前記光路長を可変させることは、前記光伝搬部の空間の前記距離Ｇを可変すること、または前記伝搬部の空間に挿入された屈折率の異なる少なくとも１つ以上の屈折率可変手段を移動させることのいずれかによりなされることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１または２に記載の可変分散補償器であって、前記第１の光伝搬部もしくは前記第２の光伝搬部の少なくとも１つまたは前記光伝搬部は、両端が前記各アレイ導波路に接続され、等価屈折率可変手段を有するスラブ導波路であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、透過帯域を平坦とした広帯域な特性を持ち、従来のＡＷＧ構成を利用した簡易な構成の可変分散補償器を提供することができる。従来のＡＷＧ回路構成技術をそのまま利用しながら、簡易で低コストな可変分散補償器を実現できる。

本発明の可変分散補償器は、ＰＬＣを利用して、２つのアレイ導波路を点対称な位置関係に配置し、２つのアレイ導波路を接続するスラブ導波路において平行光によって両アレイ導波路間の光結合を行なう点に特徴がある。平行光によって結合することにより、光信号の波長に関係なく光路の折れ曲がり無しに両アレイ導波路間を光結合させることで、透過帯域の狭窄化を防止する。

図１は、本発明の可変分散補償器の基本的構成を説明する構成図である。本発明の可変分散補償器１０は、２つのアレイ導波路３、５を点対称となるように配置し、アレイ導波路間を平行光が伝搬するスラブ導波路によって接続した構成となっている。光信号を入出力する入出力導波路１には第１のスラブ導波路２が接続される。第１のスラブ導波路は、さらに第１のアレイ導波路３が接続される。第１のアレイ導波路３は、波長に応じた出射角度θで光信号を分光する。さらに、第１のアレイ導波路３は、第２スラブ導波路４の一端との境界面Ａ面から第２のスラブ導波路４へ平行光を出射するように構成される。

第２のスラブ導波路４は、他端すなわち境界面Ｂ面において、第２のアレイ導波路５と接続される。第２のアレイ導波路５は、第１のアレイ導波路２と等しい角度分散値を持つ。第２のアレイ導波路５のＢ面の反対側の終端には、波長に依らない等位相面上にミラー６が形成されている。

第２のアレイ導波路５は、第２のスラブ導波路４の境界面Ｂ面からも平行光を出射する用に構成される。隣接導波路間の光路長差ΔＬを一定値として設計したアレイ導波路の場合、平行光を出射するためには、アレイ導波路からスラブ導波路への出射面は平面である必要がある。したがって、第２のスラブ導波路４は両端のＡ面とＢ面が平面である矩形となる。ただし、一般には個々のアレイ導波路長を調整することによって、出射波面の形状を変更することができる。したがって、アレイ導波路がスラブ導波路へ平行光を出射するよう設計されていれば、第２のスラブ導波路は必ずしも矩形のスラブ導波路である必要はない。

第１のアレイ導波路３および第２のアレイ導波路５は、等しい角度分散値を持っているので、基本的に２つのアレイ導波路は、点対称な位置関係に配置されかつ同一の形状であり得る。すなわち、２つのアレイ導波路は等しい角度分散値を持ち、２つのアレイ導波路の中間点において分散方向が逆となっていれば良い。また、角度分散値が同じであり、Ａ面およびＢ面からそれぞれ平行光が出射されれば良いことに留意されたい。したがって、２つのアレイ導波路は、形状が点対称で必ずしも完全同一の形状である必要はない。次に、可変分散補償器１０の動作について、さらに詳細に説明する。

図２は、本発明の可変分散補償器の動作を説明する図である。図１における第２のスラブ導波路４の近傍を拡大して示した図である。図２においては、透過帯域の中心波長λ₀よりも長波長側の波長をもつ光信号の波面を示している。すなわち、Ａ面における第１のアレイ導波路３から出射する光信号の等位相面ｓ１と、Ｂ面における第２のアレイ導波路５へ入射する光信号の等位相面ｓ２とを示している。第２のスラブ導波路４の両端は、平面波を出射するために平面のＡ面およびＢ面を持ち、光進行方向のスラブ長さはＧである。

等位相面ｓ１を持つ平面波は、光伝搬方向に対して波長に応じた角度θで、第１のアレイ導波路３から出射する。Ｌ_１２は、第１のアレイ導波路３から第２のアレイ導波路５へ導波する光の実効的な伝搬距離である。第２のスラブ導波路４を伝搬して、Ｂ面において等位相面ｓ２を持つ平面波が第２のアレイ導波路５へ入射する。さらに光信号は、ミラー６で反射して、再びｓ２の等位相面を持つ平面波が第２のアレイ導波路５から出射するように第２のアレイ導波路５内を往復する。等位相面ｓ２を持つ平面波は、同一の角度θで、第２のアレイ導波路５から逆方向へ第２のスラブ導波路４を伝搬して、第１のアレイ導波路３へ入射する。

上述の一連の光信号伝搬の挙動は、以下に説明する３つの条件を満足する。本発明の分散補償器はこの条件を満たすことによって、光信号の波長および第２のスラブ導波路の長さＧに関係なく、原理的に光結合損失を生じない。第１に、第１のアレイ導波路３および第２のアレイ導波路５は、等しい角度分散値を持つので、出射角度θは同一であり、等位相面ｓ１と等位相面ｓ２とは平行である。したがって、２つのアレイ導波路をはさんだ第２のスラブ導波路４内における光信号の往復経路で、一貫して光軸方向ずれを生じない。図１１において、周辺波長の光路の光軸の折れ曲がりが生じていたこととは対照的である。後述するように、分散補償器として波長分散を与える分散補償動作が行なわれていても、光結合損失が生じないため、波長に対して平坦な透過特性を持つ。

第２に、Ｂ面における第２のアレイ導波路５へ入るビーム位置が往復の光路を通じて変化しないので、光軸並進ずれがない。

第３に、第２のスラブ導波路４内をコリメート光（平行光）が伝搬するので、スラブ導波路長Ｇが変わってもビーム径ずれを生じない。

ここで、図１１に示したような線対称軸上で集光するいわゆるスターカップラ形状のスラブ導波路（第１の部分２４ａおよび第２の部分２４ｂ）の場合を考えると、ｓ１面およびｓ２面は曲面となる。スラブ導波路２４内では、集光性のビームが伝搬する。集光性のビームは、上述の第１の条件（光軸ずれ）および第３の条件（ビーム径ずれ）を満足しない。したがって、光結合損失を生じ、透過帯域の周辺波長における結合損の増加を避けられない。

本発明の可変分散補償器によれば、次のように波長分散を設定することができる。スラブ導波路内の実効的な伝搬距離Ｌ_１２は、次式により表される。
Ｌ_１２＝Ｇｃｏｓθ≒Ｇ（１−０．５θ^２）式（１）
出射角度θは光信号の波長に比例するので、式（１）からＬ12は、波長に対して２次の依存性を持つ。本発明の構成の分散補償器により、θの２次の係数Ｇに比例する波長分散値を与えることができる。したがって、式（１）におけるＧを可変とすることによって、可変分散補償器として動作させることができる。

Ｇを可変する方法としては、例えば、２つのアレイ導波路を分離して機械的にその間隔を変えることができる。また、２つのアレイ導波路を分離して、２つのアレイ導波路間の光路上に屈折率の異なる物質を挿抜しても良い。さらに、２つのアレイ導波路の間に形成するスラブ導波路の等価屈折率を変化させても良い。すなわち、２つのアレイ導波路間にある光路長を可変できるものであれば、どのような方法も可能である。

上述のように、本発明の分散補償器は、２つのアレイ導波路間を平行光が伝搬するように構成した点に特徴がある。平行光の伝搬を実現する方法として、２つのアレイ導波路との境界面が平面である矩形スラブ導波路を用いている。ただし、２つのアレイ導波路間を平面波が伝搬して２つのアレイ導波路が光結合されることが重要であり、スラブ導波路の形状は矩形に限定はされない。また、２つのアレイ導波路は点対称の関係と成るように配置され、両者の角度分散値が等しいことにより、平面波の光軸方向と境界面におけるビーム位置が維持される。

図１においては、ミラー６により信号光を反射して入出力導波路１に分散補償後の出力光を結合させている。ミラー６は、ミラー形成面を対称軸として、本可変分散補償器内に光学的に線対称に配置された２つの可変分散補償器を構成するよう動作する。すなわち、スラブ導波路４からミラー６へ至る往路の光路で構成される第１の可変分散補償器と、ミラー６からスラブ導波路４へ至る復路の光路で構成される第２の可変分散補償器とが、光学的に線対称に配置された系を形成している点に留意されたい。この構成に依らなくとも、ミラー６において光路を折り返さずに、線対称な復路の光路を延長線上に展開して、第１の分散補償器と第２の分散補償器を別々に用意して接続した構成としても、図１と等価な機能の可変分散補償器を構成できることも明らかである。このような透過型の構成によっても、ミラーの有無を除けば、図１の反射型の構成と光学的には等価であることから、図１に示した分散補償器と同様に動作する。

本発明の分散補償器は、従来のＡＷＧを構成する技術をそのまま利用することで構成が可能であり、導波路型の構成要素のみでも実現できる。空間光学系の構成要素を必ずしも必要としないので、１つのチップ上に形成することもできる。従来のＡＷＧ構成技術を利用したままで、従来技術の可変分散補償器とくらべて格段に広帯域な特性を実現できる点で優れた特徴を持つ。

本発明の分散補償器では、２つのアレイ導波路の間に配置するスラブ導波路の光路長を変えることで分散値を可変できる。したがって、分波軸方向で光路長が異なるスラブ導波路を利用し、光信号の伝搬経路を変えることによって、設定する分散補償値を切り替えることができる。

図３は、簡易な構成で光路長を切り替え可能な可変分散補償器の構成を示す図である。可変分散補償器２０は、図１に示した構成の分散補償器と比較すると、第２のスラブ導波路４の形状が光軸（ｚ軸）の直交方向（ｘ軸）に対して異なる光路長を持つ台形となっている点で相違する。さらに、第１のスラブ導波路へ異なる角度で接続される複数の入出力導波路１ａ、１ｂ、１ｃを備えている点でも相違する。

入出力導波路１ａは、第１のスラブ導波路２へ垂直に接続されている。入出力導波路１ａへ入射した光信号Ｉは、第１のスラブ導波路２および第１のアレイ導波路３内の光路１３ａを伝搬する。この時、光信号は第２のスラブ導波路をｘ軸方向のほぼ中央部を通り、位相差を付与するスラブ長さはＧ２である。

一方、入出力導波路１ｂは、第１のスラブ導波路２へ垂線に対してある角度を持って接続されている。入出力導波路１ｂへ入射した光信号ＩＩは、第１のスラブ導波路２および第１のアレイ導波路３内において、外周側の光路１３ｂを伝搬する。この時、光信号ＩＩは第２のスラブ導波路をｘ軸方向で中央部より下を通り、位相差を付与するスラブ長さはＧ３である。第２のスラブ導波路４の形状は、台形なのでＧ２＞Ｇ３となる。同様に、入出力導波路１ｃへ入射した光信号ＩＩＩは、スラブ長Ｇ１を伝搬する。この時、Ｇ１＞Ｇ２となる。

図３に示したように、スラブ導波路を台形形状に構成した場合、スラブ導波路と隣接する２つのアレイ導波路３、５との境界面（Ａ面、Ｂ面）は、ｚ軸に対して垂直面でなく斜面となる。図２を参照すれば、通常、中心波長λ₀における光信号はアレイ導波路からｚ軸方向に出射角度θ＝０°で出射する。しかしながら、図３のように境界面が傾斜している場合、中心波長λ₀における光信号の光軸が折れ曲がる。これを補正してｚ軸方向に平面波が伝搬するように、アレイ導波路の各導波路長を調整することができる。

傾斜面および光軸（ｚ軸）に垂直なｘ軸の成す角度をαとすると、アレイ導波路の隣接する導波路の長さの差ΔＬを次式を満たすように設定する。
ｎ_C・ΔL＝ｍ・λo＋ｎ_S・ｄ２・ｔａｎ（α）式（２）
式（２）において、ｎ_Cはアレイ導波路の実効屈折率、ｎ_Sはスラブ導波路４の実効屈折率、ｍはアレイ導波路の回折次数、λ₀は中心波長、ｄ２はアレイ導波路の隣接各導波路間のピッチをそれぞれ表す。式（２）の第１項は分光手段として必要な光路長差を表す。第２項は、アレイ導波路−スラブ導波路境界の傾き（α）によって生じる光路長差の補正を表す。図３において、Ａ面とＢ面の傾斜角度αが同一であれば、アレイ導波路３、５に対して、同一のΔＬを、式（２）に基づいて決定すればよい。また、Ａ面、Ｂ面の傾斜角度αが異なれば、それぞれのαに基づいて、ΔＬを決定する。

上述のように、第２のスラブ導波路のＸ軸上の異なる位置を光信号が伝搬するように、複数の入出力導波路を備えることで、光信号を入力する入出力導波路を選択して、分散補償値を切り替えることができる。図３のような構成によれば、従来技術のＡＷＧ設計・製造を作成する技術をそのまま利用するだけで、簡易な分散補償値の切り替えが可能となる。入出力導波路の数を増やすことで、さらに切り替え可能な分散補償値の種類を増やすこともできる。また、本構成によれば、空間光学系の構成部品を必要としないため、補償器およびその製造コストを低く抑えることができる。あらかじめ定めた固定値の分散補償値を複数備えて、これを切り替えることで、簡易な可変分散補償器を構成できる点ですぐれた特徴を持つ。以下に、上述した基本構成のより具体的な実施例を示す。

実施例１：
図４は、実施例１に係る分散補償器の構成を示す図である。本実施例の分散補償器３０は、図１に示した基本構成を持つが、第２のアレイ導波路の一端のミラー６を、導波路チップの端面において形成した点で、図１に示した構成と相違する。第２のアレイ導波路５は、第１のアレイ導波路３と先に述べた本願発明特有の条件を満たすとともに、一端がＰＬＣ基板の端面となるように設計されている。すなわち、アレイ導波路３、５はいずれもスラブ導波路４へ平行光（平面波）を出射し、角度分散値は等しく、お互いに点対称の関係の形状を持つ。ただし、既に述べたように２つのアレイ導波路が同一形状である必要はない。本実施例では、アレイ導波路５の他端が導波路チップ端面で平面と成るように構成されている。

ミラー１６は、導波路チップ端面をアレイ導波路５に対して垂直方向に研磨して、研磨面に金を蒸着して作製した。各アレイ導波路のパラメータは表１の通りである。

２つのアレイ導波路３、５の間に配置されるスラブ導波路４は、境界面が平面となっている。

図５の（Ａ）は、スラブ導波路の長さＧと波長分散値との関係のグラフを示す。図４の構成で長さの異なるスラブ導波路を持つサンプルを作製して分散補償値をプロットしたものである。Ｇを変えることによって、異なる値の分散補償値を設定できることが分かる。

透過帯域の平坦さについて、従来技術の構成による分散補償器と比較を行なった。図１１の構成において第３のスラブ導波路２４の長さＧを９ｍｍとして、スラブ導波路の中央部Ｂ面で集光するように、焦点距離４．５ｍｍのアレイ導波路２３、２５を用いた。Ｂ面上に配置された位相変調器２８は動作させていない。この時、従来型の分散補償器により与えられる分散補償値は−１２００ｐｓ／ｎｍであった。本願発明の分散補償器は、図４のスラブ導波路４の長さＧを同じく９ｍｍとして比較した。

図５の（Ｂ）は、従来技術の構成の分散補償器と実施例１の分散補償器の透過特性を比較したグラフを示す図である。実線は実施例１の分散補償器の透過特性を示し、破線は従来技術型の分散補償器の透過特性を示す。従来技術型の透過特性はガウス形状の透過帯域となり高速伝送に適さない特性であった。これに対して、本実施例の構成による透過特性は、ＦＳＲ（１００ＧＨｚ）の７０％以上の帯域で平坦となった。１００ＧＨｚチャンネル間隔の４０Ｇｂｐｓ伝送などの高速大容量通信へ適用可能であることが分かった。

実施例２：
図６は、本発明の実施例２に係る可変分散補償器の構成を示す図である。本実施例は、２つのアレイ導波路を分離して、それぞれ別の導波路チップ上に形成して、両チップ間の距離を可変することにより分散補償値を可変とする構成されている。第１のＰＬＣチップ４２ａは、入出力導波路１、スラブ導波路２および第１のアレイ導波路３を備えている。第１のＰＬＣチップ４２ａに対向して配置される第２のＰＬＣチップ４２ｂは、第１のアレイ導波路５およびその終端にミラー６を備えている。第１のＰＬＣチップ４２ａと第２のＰＬＣチップ４２ｂ間には、空間光路が形成される。各チップ上のアレイ導波路３、４の出射端面の近傍に、チップの厚さ方向にレンズ作用を持つシリンドリカル形状のコリメートレンズ４１ａ、４１ｂを配置する。

アレイ導波路３からは、ｚ軸方向へ分光軸（ｘ軸）についてコリメート光が出射されアレイ導波路５へ入射する。チップ厚さ方向（ｙ軸）について、シリンドリカルレンズ４１ａ、４１ｂよりコリメート化されて結合される。２つのアレイ導波は、同一の角度分散値を持ち、点対称の関係に構成されているので、２つのＰＬＣチップの間の距離Ｇを変えられる構成とすることで、図１に示した構成と同様の動作により可変分散補償動作を実現できる。距離Ｇを変えるためには、どのような機構を利用しても良い。例えば、第２のチップ４２ｂ全体をスライド機構を持つ台に載せて、移動させることができる。図５に示したのと同様の平坦な透過特性を得ることができた。また、距離Ｇを１ｍｍから１２ｍｍまで可変することで、分散補償値を３００から３０００ｐｓ／ｎｍまで可変させることができた。

実施例３：
図７は、本発明の実施例３に係る可変分散補償器の構成を示す図である。本実施例は、図３で説明した動作原理に基づき、光路切り替えスイッチおよび複数の入出力導波路を利用して、離散的に分散補償値を設定し切り替えることができる点に特徴がある。光信号は、入出力導波路５１を経由して、１×８光路切り替えスイッチ５２によって、８本の切り替え側導波路１ａ〜１ｈに接続される。切り替え側導波路１ａ〜１ｈは、それぞれ異なる角度で第１のスラブ導波路２に接続されている。図３に示したのと同様に第１のスラブ導波路２は、第１のアレイ導波路３に接続され、さらに台形形状の第２のスラブ導波路４、第２のアレイ導波路５へ接続される。本実施例では、第２のアレイ導波路の終端を導波路チップの端面において形成したミラー５６とした点で、図３に示した構成と相違する。

第２のアレイ導波路５は、第１のアレイ導波路３と先に述べた本願発明特有の条件を満たすとともに、一端がＰＬＣ基板の端面となるように設計されている。すなわち、アレイ導波路３、５はいずれもスラブ導波路４へ平行光（平面波）を出射し、角度分散値は等しく、お互いに点対称の関係の形状を持つ。ただし、既に述べたように２つのアレイ導波路が同一形状である必要はない。本実施例では、アレイ導波路５の他端が導波路チップ端面で平面と成るように構成されている。２つのアレイ導波路と第２のスラブ導波路４との境界面は、それぞれ主光路軸（ｚ軸）に垂直なｘ軸に対して３０度傾けた。次に、切り替え側導波路１ａ〜１ｈについて、図７のＤ部の詳細な構成をさらに説明する。

図８は、実施例３の可変分散補償器の入出力導波路とスラブ導波路との接合部Ｄの拡大図である。図８では、簡単のため５本の導波路１ａ〜１ｅのみを記載している。切り替え側導波路は、それぞれ異なる角度を持って、第１のスラブ導波路２と接続されている。導波路１ａを伝搬する光信号は、光路５４ａを伝搬して内周側のアレイ導波路を通り、第２のスラブ導波路４をより長い距離Ｇを伝搬する。導波路１ｅを伝搬する光信号は、光路５４ｅを伝搬して外周側のアレイ導波路を通り、第２のスラブ導波路４をより短い距離Ｇを伝搬する。

複数ある切り替え側導波路同士が一点で重なると、相互に干渉して、スラブ導波路内でのビーム方向と形状が乱れる。これに起因した分散補償値の誤差や光損失を生じる可能性を避けるため、第１のスラブ導波路２の長さを、第１のアレイ導波路３の設計条件で決まる焦点距離よりも長くしている。各切り替え側導波路の光路が、スラブ導波路内の焦点面上で重なるように配置することで、並進軸ずれを防ぐことができる。

図９は、実施例３の可変分散補償器の入力導波路等の構成パラメータおよび設定分散補償値の表を示す図である。図９の表には、１×８光路切り替えスイッチの選択スイッチ状態、各スイッチ状態に対応する切り替え側導波路の入射角度φ、各スイッチ状態に対応する主光路における第２のスラブ導波路のスラブ長Ｇおよび各スラブ長Ｇにより設定される分散補償値を示した。スイッチ状態８が、図８における切り替え導波路１ａに対応している。入射角度φは、第１のスラブ導波路２への垂線を基準にして、時計回り方向を正とした。表に示したように、概ね１３０ｐｓ／ｎｍステップで波長分散値を設定することができた。１×８光路切り替えスイッチを制御することで、簡単に波長分散値を切り替えることができる。

図１０は、本発明の実施例４に係る可変分散補償器の構成を示す図である。本実施例は、２つのアレイ導波路間に配置されたスラブ導波路内の主光路の長さＧを可変するために、入力側のスラブ導波路内部に導波路偏向器６１を設けた構成を持つ。図１０において、導波路偏向器の駆動電極および配線は省略してある。また、入出力導波路は１本である。他の構成は、図７に示した実施例３の分散補償器と同じである。

スラブ導波路偏向器６１は、入力スラブ導波路２の一部分に、プリズム形状の屈折率変調部分を設けたもので、屈折率変調部分の屈折率を制御することによって光軸を偏向する機能がある。屈折率変調方法としては、電気光学効果や熱光学効果を用いた光スイッチ素子が知られている。

実施例３と同じ設計のアレイ導波路３、５、第２のスラブ導波路４を用いて可変波長分散補償器を作製した。導波路偏向器６１を動作させて、入力スラブ導波路２上で光路を０度〜１２．６度の範囲で偏向制御することによって、６５０〜１５００ｐｓ/ｎｍの波長分散値を設定することができた。

以上、詳細に述べたように、本発明の可変分散補償器によれば、透過帯域を平坦とした広帯域な特性を持ち、従来のＡＷＧ構成を利用した簡易な構成の可変分散補償器を提供することができる。従来のＡＷＧ回路構成技術をそのまま利用して、簡易で低コストの可変分散補償器が実現できる。従来技術のＡＷＧ設計・製造を作成する技術をそのまま利用するだけで、分散補償値の簡単な切り替えが可能となる。また、本発明の構成によれば、空間光学系の構成部品を必要としないため、分散補償器およびその製造コストを低く抑えることができる。あらかじめ定めた固定値の分散補償値を複数備えて、これを切り替えることによって、簡易な可変分散補償器を構成できる点で優れた特徴を持つ。

本発明は、光通信に適用できる。特に、波長選択スイッチを用いるようなリング・メッシュ型構成のネットワークでの利用に好適である。

本発明の分散補償器を説明する構成図である。本発明の分散補償器の動作を説明する図である。簡易な構成でスラブ長を切り替え可能な可変分散補償器の構成を示す図である。実施例１に係る分散補償器の構成を示す図である。（Ａ）は実施例１の分散補償器のスラブ導波路の長さＧと波長分散値との関係のグラフを、（Ｂ）は、従来技術と比較した透過特性を示す図である。本発明の実施例２に係る可変分散補償器の構成を示す図である。本発明の実施例３に係る可変分散補償器の構成を示す図である。実施例３の可変分散補償器の入出力導波路とスラブ導波路との接合部の拡大図である。実施例３の可変分散補償器の入力導波路構成パラメータおよび設定分散補償値の表を示す図である。本発明の実施例４に係る可変分散補償器の構成を示す図である。従来技術におけるＰＬＣを利用した可変分散補償器の一例を示す構成図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、２１、５１入出力導波路
２、２２、２４、２６スラブ導波路
３、５、２３、２５アレイ導波路
４矩形スラブ導波路
６、１６、５６ミラー
１１、３１短波長側の光路
１２、３２長波長側の光路
１０、２０、３０、４０、５０、６０分散補償器
１７チップ端面
２０ａ、２０ｂ、４２ａ、４２ｂＡＷＧ
２１入力導波路
２７出力導波路
２８位相変調素子
３３、４３中心波長の光路
４１ａ、４１ｂシリンドリカルレンズ
５２１×８光路切り替えスイッチ

Claims

異なる波長を持つ複数の光信号が入力される少なくとも１つの入力導波路と、
前記入力導波路に接続された第１のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路に接続され、第１の分波面内において前記複数の光信号を波長に応じた出射角度に分波し、かつ平行光を出射する第１のアレイ導波路と、
前記第１のアレイ導波路に対して点対称な位置関係に配置され、かつ平行光を受光する第２のアレイ導波路であって、前記第２のアレイ導波路は前記第１のアレイ導波路と等しい角度分散値を持ち、波長に依存しない等位相面を持って光信号を出射する第２のアレイ導波路と、
前記等位相面において前記第２のアレイ導波路に連接され、第２の分波面内において前記複数の光信号を波長に応じた出射角度に分波し、かつ平行光を出射する第３のアレイ導波路と、
前記第３のアレイ導波路と等しい角度分散値を持ち、前記第３のアレイ導波路に対して点対称な位置関係に配置され、かつ平行光を受光する第４のアレイ導波路と、
前記第４のアレイ導波路に接続された第２のスラブ導波路と、
前記第２のスラブ導波路に接続された少なくとも１本の出力導波路と、
前記第１のアレイ導波路および前記第２のアレイ導波路を平行光により光学的に結合する第１の光伝搬部と、
前記第３のアレイ導波路および前記第４のアレイ導波路を平行光により光学的に結合する第２の光伝搬部と
を備えたことを特徴とする分散補償器。
異なる波長を持つ複数の光信号が入力される少なくとも１つの入出力導波路と、
前記入出力導波路に接続された第１のスラブ導波路と、
前記第１のスラブ導波路に接続され、分波面内において前記複数の光信号を波長に応じた出射角度に分波し、かつ平行光を出射する第１のアレイ導波路と、
前記第１のアレイ導波路と等しい角度分散値を持ち、前記第１のアレイ導波路に対して点対称な位置関係に配置され、かつ平行光を受光する第２のアレイ導波路であって、波長に依存しない等位相面を持って光信号を出射する第２のアレイ導波路と、
前記等位相面において光信号の光路を折り返すミラーと、
前記第１のアレイ導波路および前記第２のアレイ導波路を平行光により光学的に結合する光伝搬部と
を備えたことを特徴とする分散補償器。
前記少なくとも１つの入力導波路は、前記第１のスラブ導波路との接合点における接合角度が異なる複数の導波路であり、
前記第１の光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面もしくは前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、または、前記第２の光伝搬部において、前記第３のアレイ導波路との第３の境界面もしくは前記第４のアレイ導波路との第４の境界面の少なくとも一方が、各分波面内にあって主光路軸に対する垂直軸に対してそれぞれ傾斜しており、
前記複数の導波路に対応して、前記第１の光伝搬部または前記第２の光伝搬部の前記垂直軸上の異なる位置を通る複数の光路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の分散補償器。
前記少なくとも１つの入出力導波路は、前記第１のスラブ導波路との接合点における接合角度が異なる複数の導波路であり、
前記光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面または前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、各分波面内にあって主光路軸に対する垂直軸に対してそれぞれ傾斜しており、
前記複数の導波路に対応して、前記光伝搬部の前記垂直軸上の異なる位置を通る複数の光路が形成されることを特徴とする請求項２に記載の分散補償器。
前記第１のスラブ導波路は、入力光信号を偏向する導波路偏向器を有し、
前記第１の光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面もしくは前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、前記第２の光伝搬部において、前記第３のアレイ導波路との第３の境界面もしくは前記第４のアレイ導波路との第４の境界面の少なくとも一方が、または前記光伝搬部において、前記第１のアレイ導波路との第１の境界面もしくは前記第２のアレイ導波路との第２の境界面の少なくとも一方が、各分波面内にあって主光路軸に対する垂直軸に対してそれぞれ傾斜しており、
前記導波路偏向器による複数の偏向角度に対応して、前記第１の光伝搬部、前記第２の光伝搬部または前記光伝搬部の前記垂直軸上の異なる位置を通る複数の光路が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の分散補償器。
前記第１の光伝搬部もしくは前記第２の光伝搬部の少なくとも１つまたは前記光伝搬部は、両端が前記各アレイ導波路に接続されたスラブ導波路であることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の分散補償器。
前記第１の光伝搬部もしくは前記第２の光伝搬部の少なくとも１つまたは前記光伝搬部は、両端に接続された前記各アレイ導波路間の光路長を可変できるように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の分散補償器。
前記各光伝搬部は、隣接するアレイ導波路の端面近傍にそれぞれ配置された２つのシリンドリカルレンズと、前記２つのシリンドリカルレンズによって規定された距離Ｇの空間とによって構成され、前記光路長を可変させることは、前記光伝搬部の空間の前記距離Ｇを可変すること、または前記伝搬部の空間に挿入された屈折率の異なる少なくとも１つ以上の屈折率可変手段を移動させることのいずれかによりなされることを特徴とする請求項７に記載の分散補償器。
前記第１の光伝搬部もしくは前記第２の光伝搬部の少なくとも１つまたは前記光伝搬部は、両端が前記各アレイ導波路に接続され、等価屈折率可変手段を有するスラブ導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の分散補償器。