JP4975276B2 - 可変分散補償器およびその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、超高速光通信システムにおいて光信号の分散補償に用いられる可変分散補償器およびその製造方法に関する。可変分散補償器は、光信号を伝送する光ファイバの一部に形成されたファイバグレーティング又は光導波路の長手方向に屈折率周期を変化させたチャープグレーティングの温度分布を制御することでグレーティングの群遅延時間特性を制御するものである。
伝送速度１０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光通信システムでは、伝送路である光ファイバの波長分散によって光信号波形が歪むため、光ファイバの波長分散を補償する分散補償器が必要となる。特に伝送速度４０Ｇｂ／ｓ以上の超高速光通信システムでは、光信号のスペクトルが１０Ｇｂ／ｓの場合に比較して４倍に広がり、１ビットあたりの時間が１／４となるため１０Ｇｂ／ｓに比較して１６倍分散の影響を受けるようになり、高精度な分散補償が必要となる。このため伝送速度４０Ｇｂ／ｓの光通信システムでは分散を可変で制御して光ファイバの分散を動的に補償できる可変分散補償器は必要不可欠なデバイスである。
このような光ファイバの分散を動的に補償するデバイスとして、例えば、特許文献１に記載されたファイバグレーティングに沿って複数のヒータエレメントを設け、個々のヒータエレメントの電力を制御することによりファイバグレーティングの温度分布を制御して、ファイバグレーティングの分散を変化させる可変分散補償器があった。この種の可変分散補償器では、石英基板の表面にはファイバグレーティングの軸線に沿って直線上に複数のヒータエレメントが形成されている。ヒータエレメントに要求される条件は、それぞれエレメントの面積が小さい、エレメントの数が多い、エレメント間隔が小さい等であり、特にエレメント間隔はファイバグレーティングの温度分布を線形とするために重要である。
また非特許文献１には、このようなヒータエレメントについて開示されており、ヒータエレメントの数は長さ４０ｍｍのグレーティングに対して３２個、個々のヒータエレメントの大きさは、幅６０μｍ、長さ１２４５μｍ、ヒータエレメントの間隔は５μｍであることが記載されている。
また近年、伝送速度４０Ｇｂ／ｓの光通信システムをメトロネットワークに導入しようとする研究が盛んに行われている。メトロネットワークはＭＡＮ(Metropolitan Area Network)とも呼ばれ、都市レベルのエリアを対象としたネットワークのことである。このようなネットワークでは、ある経路がネットワーク障害により不通となった場合、光スイッチなどで別の経路に切り替えて通信を確保することが求められる。このとき問題となるのが経路切り替えによって生じる光ファイバ伝送路の距離である。すなわち通常用いられる１.３μｍ零分散シングルモード光ファイバでは、波長１５５０ｎｍで約１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの波長分散を有する。伝送速度４０Ｇｂ／ｓの分散許容量は、約±１００ｐｓ／ｎｍであるから、経路切り替えによる距離の差が５.９ｋｍ以上になると、光ファイバの波長分散のため光信号波形が歪み、十分な伝送品質が確保できなくなる。
この問題を解消するために、経路切り替えによって生じる波長分散を補償するために可変分散補償器を用いることが検討されている。ネットワーク障害からの復旧はできるだけ短時間に完了することが望ましく、このため可変分散補償器には分散変化時間ができるだけ短いものが要求されている。
このような要求に対して可変分散補償器の分散変化時間を短くするために、例えば特許文献２に示された可変分散補償器では、厚さ０.１ｍｍの石英基板上に、窒化タンタル殻名る複数の薄膜ヒータを形成し、石英基板に形成した薄膜ヒータ上にチャープファイバグレーティングを配置し、石英基板裏面にはヒートスプレッダとペルチェ素子を配置し、個々の薄膜ヒータの電力を制御することでチャープファイバグレーティングに所定の温度勾配を印加し、分散を制御している。さらに石英基板の厚みを０.０２ｍｍ、０.１ｍｍ、０.５ｍｍ、１ｍｍと変化させてチャープファイバグレーティングに印加する温度勾配を＋５０℃から−５０℃、または−５０℃から＋５０℃に変えた場合の分散変化の応答時間と消費電力を測定し、その結果、石英基板の厚さが薄いほど分散変化の応答時間は短くなるが、これに伴い消費電力が増大することが示されている。
このような従来の可変分散補償器においては、ヒータエレメントの数が多いことが要求されるが、ヒータエレメントの数を多くすると、各ヒータエレメントへの接続配線の数が増大し実装が困難になるといった問題点があった。また、各ヒータエレメントの間隔は５μｍと小さいため、高度な製造技術が要求され、ヒータエレメントを形成した基板(ヒータ基板)の低コスト化が困難であるといった問題点があった。
また、石英基板の厚さを薄くすれば分散変化の応答時間が短くなるが、薄膜ヒータに印加した熱がヒートスプレッダ側に多く流出するため消費電力が大きくなるといった問題点があった。また極限まで石英基板の厚さを薄くして応答時間を短くしようとすると、薄膜ヒータに印加した熱がすぐにヒートスプレッダに拡散するため、グレーティングに５０℃といった所定の温度勾配を印加することができないといった問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ヒータ部を形成が容易な構成として低コスト化が可能な可変分散補償器を得ることを目的としている。またヒータへの接続配線の数を増大することなく、ヒータエレメントの個数を仮想的に増大させ、ヒータエレメント数を増大したのと同様の群遅延時間特性が得られる可変分散補償器を得ることを目的としている。また、消費電力を大きくすることなくグレーティングに温度勾配を印加することができ、分散変化の応答時間が短い可変分散補償器を得ることを目的としている。さらにこの発明はこれらの可変分散補償器に関する製造方法を提供することを目的としている。
この発明は、グレーティング部を有する光ファイバと、上記グレーティング部に所望の温度分布を与えるために加熱する加熱手段と、上記加熱手段の与える温度分布を制御するための制御手段と、を備え、上記グレーティング部の群遅延時間特性を制御する可変分散補償器であって、上記加熱手段が、上記グレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡って延びる電気的抵抗を有するひと繋がりの導電体からなるヒータと、上記ヒータに上記長手方向に沿ったそれぞれの位置で電気的に接続された複数の配線とを有し、上記制御手段が上記各配線に電圧を個別に制御して印加して給電を行い、上記電圧は予め定めた周期で繰り返し印加され、さらにこの周期が等分された第１および第２のサブ周期から構成され、第１のサブ周期では奇数番目又は偶数番目の配線は基準電位に接続され、偶数番目又は奇数番目の配線には電圧が印加され、第２のサブ周期では偶数番目又は奇数番目の配線は基準電位に接続され、奇数番目又は偶数番目の配線には電圧が印加され、上記ヒータが、上記グレーティング部の周囲側面の一部又は全部に形成され、上記各配線が、上記ヒータが周囲側面に形成されたグレーティング部を基板上に固定しかつ上記ヒータとの電気的接続をとる金属線である、ことを特徴とする可変分散補償器等にある。
この発明では、ヒータ部を簡単な構造で構成することで低コスト化が可能な可変分散補償器を提供できる。
以下、本発明による可変分散補償器を各実施の形態に従って説明する。なお各実施の形態では、ファイバグレーティングおよびチャープグレーティングのいずれかで説明されているが、各実施の形態はファイバグレーティングおよびチャープグレーティングのいずれを備えた可変分散補償器にも適用可能である。なお、ファイバグレーティングユニットとチャープグレーティングユニットの総称はグレーティングユニット、ファイバグレーティングおよびチャープグレーティングの総称はグレーティング部である。
実施の形態１．
図１は本発明の可変分散補償器の構成の一例を示す構成図である。可変分散補償器は基本的には、ファイバグレーティングユニット１、サーキュレータ２、制御回路３、コントローラ４を備える。ファイバグレーティングユニット１は、光ファイバ５の一部に形成されたファイバグレーティング６(グレーティング部)の加熱手段である薄膜ヒータ７がファイバグレーティング６と共にこれに沿って延びるように、基板などに固定されて構成される。光ファイバ５の入出力側にはサーキュレータ２が設けられる。ファイバグレーティング６に沿って形成された加熱手段である薄膜ヒータ７は制御回路３に電気的に接続され、制御回路３はコントローラ４に接続される。本発明は特にファイバグレーティングユニット１に関わるものであるので、サーキュレータ２の代わりに方向性結合器などを用いてもよく、また薄膜ヒータ７が発生する温度部分を制御する制御手段を構成する制御回路３とコントローラ４が一体となったものでもよい。
図１は本発明の可変分散補償器の構成の一例を示す構成図である。可変分散補償器は基本的には、ファイバグレーティングユニット１、サーキュレータ２、制御回路３、コントローラ４を備える。ファイバグレーティングユニット１は、光ファイバ５の一部に形成されたファイバグレーティング６(グレーティング部)の加熱手段である薄膜ヒータ７がファイバグレーティング６と共にこれに沿って延びるように、基板などに固定されて構成される。光ファイバ５の入出力側にはサーキュレータ２が設けられる。ファイバグレーティング６に沿って形成された加熱手段である薄膜ヒータ７は制御回路３に電気的に接続され、制御回路３はコントローラ４に接続される。本発明は特にファイバグレーティングユニット１に関わるものであるので、サーキュレータ２の代わりに方向性結合器などを用いてもよく、また薄膜ヒータ７が発生する温度部分を制御する制御手段を構成する制御回路３とコントローラ４が一体となったものでもよい。
図２は本発明の実施の形態１による可変分散補償器のファイバグレーティングユニット１を示す分解斜視図である。構造を分かりやすくするためにファイバグレーティング６を薄膜ヒータ７上に配置していないが、実際には薄膜ヒータ７上に配置しており、ファイバグレーティング６は薄膜ヒータ７により加熱される。ファイバグレーティングユニット１は以下のように構成されている。光ファイバ５の一部の被覆が除去された中心のコアとその周囲側面を覆うクラッドからなる部分に、長さ４０ｍｍに渡ってファイバグレーティング６が形成されている。ファイバグレーティング６は、予め被覆を除去した光ファイバ上に２つの紫外光を干渉させて干渉縞を形成することで、コアの部分に干渉縞の周期に対応した屈折率変化を生じさせた部分である。石英などからなる基板９上には、窒化タンタルからなる薄膜ヒータ７が形成されており、薄膜ヒータ７からは電気的に接続された３５本(図では本数を省略して示してある)の配線パターン８が設けられており、配線パターン８は電極パッド１０と電気的に接続されている。電極パッド１０は、ワイヤボンディングなどの手段により金線のワイヤ１１によってケーブル１２に接続され、ケーブル１２は制御回路３に接続されている。ケーブル１２は例えば柔軟性を有する絶縁性のシート上に電極パッドと配線パターンが形成されてなる。そして制御回路３はさらにコントローラ４に接続され可変分散補償器となる。
コンピュータ機能を備えたコントローラ４はＲＯＭ(図示省略)などの記憶手段を有しており、ユーザーが入力した分散値に対応して制御回路３を駆動するためのデータを有している。そしてＲＯＭのデータに従って制御回路３へ、後述する制御回路３のトランジスやスイッチや可変電源等の駆動制御のための信号を供給する。コントローラ４が有するＲＯＭのデータは可変分散補償器を製造した後に個別にデータを書き換え可能なＲＯＭに書き込むことができるため、例えば、ファイバグレーティング６を加熱する薄膜ヒータ７の膜厚が不均一な場合や、配線パターン８の間隔にばらつきが生じた場合であっても、ＲＯＭに入力するデータを調整することで、分散値に応じた特性を得るための温度分布をファイバグレーティング６に印加することができる。
なお、ここでファイバグレーティング６の長さは４０ｍｍとしたがこれに限るものではなく、任意の長さであってよい。また配線パターン８の数も３５本に限るものでなく任意の数であってよい。ただし、配線パターン８の数が多い程、ファイバグレーティング６に印加する温度分布を、より精密なものにできるため、多い方が好ましい。薄膜ヒータ７の両端に設けた２本の配線パターン８を除いて、ファイバグレーティング６が形成された部分に接するヒータの位置に、少なくとも１本の配線パターン８が必要である。配線パターン８の間隔も任意であってよいが、０.５ｍｍ〜２ｍｍ、望ましくは１ｍｍ前後の間隔でファイバグレーティング６の全長以上の範囲に渡って設ける方が望ましい。しかしながら必ずしも配線パターン８のそれぞれの間隔は等間隔である必要はなく、ファイバグレーティング６の中央付近ではほぼ等間隔、両端部付近では中央付近より広い間隔といったように不等間隔であってもよい。基板９は石英としたがガラス、ガラスエポキシ、ポリイミドなど他の材料であってもよく、温度分布を実現し易くするために熱伝導率が低い基板を用いることが望ましい。
図３は薄膜ヒータ７、配線パターン８、電極パッド１０の構造を拡大して示したもので、図３の(ａ)が正面図、(ｂ)が破線Ａに沿った断面図である。図３の(ａ)には薄膜ヒータ７および配線パターン８のサイズも示したが、特にこの寸法に限るものではない。薄膜ヒータ７、配線パターン８、電極パッド１０は薄膜形成プロセスにより幾つかの層で形成する。石英基板９上にクロム膜を形成し、その上にニッケル膜を形成した後、窒化タンタル膜を形成し、最後に配線パターン８および電極パッド１０には金膜を形成したが、薄膜ヒータ７には金膜は形成していない。これらの膜を作製する際にはパターンニングされたマスクを各膜の作製プロセスで用いるため、マスクを精度よく位置合わせすることが必要である。従来の可変分散補償器で用いていた複数のヒータエレメントを形成した場合、各ヒータエレメントの間隔が５μｍと極めて小さいために、高度な位置合わせが必要となり、製造コストが高くなり、歩留まりも良くなかった。しかし本発明の可変分散補償器では、薄膜ヒータ７がファイバグレーティング６に沿って一本形成されるだけであり、薄膜ヒータ７の幅が６０μｍ、配線パターンの幅が３０μｍというように、従来の可変分散補償器のような５μｍといった極めて細かく寸法制限がないため、多少の位置ずれが生じても不良品になることはないため、製造コストを低減でき、歩留まりも向上させることができるようになった。
次に本発明の可変分散補償器の動作について説明する。図４は薄膜ヒータ７のモデル図と等価回路図および制御回路３の一例を示す図である。等価回路では薄膜ヒータ７を抵抗の記号で示した。また後述の説明のために、薄膜ヒータ７の配線パターン８で区切られた領域にＳ１〜Ｓ１４の番号を付した。配線８０は配線パターン８，電極パッド１０、ワイヤ１１，ケーブル１２を含む薄膜ヒータ７から制御回路３までの配線を示す。ここでは配線パターン８で区切られた領域の個数を１４個として示したが、上述したように配線パターン８は３５本設けたので３４個である。配線パターン８の間隔は図３の(ａ)に示したように１２５０μｍであるから、薄膜ヒータ７の全長は４２.５ｍｍである。薄膜ヒータ７の全長はファイバグレーティング６の長さより長くすることが望ましい。これはファイバグレーティング６の両端で温度が低下するのを防止するためと、ファイバグレーティング６を薄膜ヒータ７上に配置する際の位置ずれを考慮して余裕を持たせているためである。制御回路３には各配線パターン８毎に設けられた、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタなどからなるプッシュプル型のトランジスタペア(プッシュプル回路)１３が設けられ、ワイヤ１１と電極パッド１０を介して各配線パターン８に接続されている。各トランジスタペア１３には電圧Ｖが印加されており、トランジスタペア１３のうちいずれか一方をＯＮし、他方をＯＦＦすることで、電圧ＶまたはＧＮＤ電位(基準電位)が配線パターン８に印加される。トランジスタペア１３のＯＮ、ＯＦＦ制御はコントローラ４により行われる。
図５および図６は図４の回路において、各配線パターン８に印加する電圧を一つ置きに電圧ＶとするかＧＮＤ電位にするかを制御した場合のトランジスタペア１３の動作および電流の様子を示したものである。なお、トランジスタペア１３はＯＮ−ＯＦＦの様子を分かり易くするためにスイッチの記号で示した。図５、図６のように電流は電圧Ｖを印加した配線パターン８から薄膜ヒータ７に流入し、ＧＮＤ電位の配線パターン８から流出する。従って、ファイバグレーティング６に沿った細長いひと繋がりのヒータとして形成された薄膜ヒータ７を、ＧＮＤ電位の配線パターン８で区切られた各領域で仮想分割ヒータエレメントとして動作させることができる。この仮想分割ヒータエレメントの様子を図５に仮想分割ヒータエレメントＡ〜Ｇ、図６に仮想分割ヒータエレメントａ〜ｈとして示した。なお図６の仮想分割ヒータエレメントｈは隣り合う配線パターン８の両端にＧＮＤ電位が印加されているため電流が流れないが、これも一つの仮想分割ヒータエレメントと考えることができる。可変分散補償器ではファイバグレーティング６の温度分布を制御して、ファイバグレーティング６の群遅延時間を制御して、分散または分散スロープを変化させるため、常に薄膜ヒータ７に電流が流れているわけではなく、例えば、仮想分割ヒータエレメントＤであっても時間領域で見れば、図５で電圧Ｖを印加しているトランジスタペアを切り替えてＧＮＤ電位を印加し、仮想分割ヒータエレメントＤの領域に電流を流さない時間も存在する。
図７は、ファイバグレーティング６に直線の温度勾配を有する温度分布を印加する場合の電力印加方法について示す図であり、各領域Ｓ１〜Ｓ１４に印加される電圧波形のタイムチャートを示したものである。ここでは電圧は電圧値一定のパルス電圧であり、パルス電圧のデューティ比を制御して印加される。各領域Ｓ１〜Ｓ１４に印加される電圧は、左側あるいは右側のどちらか一方を基準電位として見れば、実際には１／２周期毎に極性が反転するが、図では電圧Ｖが印加されるか、されないかのみで示した。すなわち各領域の端子間電圧の絶対値表記である。図７のタイムチャートの１周期は、薄膜ヒータ７に電流を流したときのファイバグレーティング６の温度変化時定数よりも十分短い時間で、１〜５０ミリ秒程度である。また１周期は１／２周期毎に時間領域Ａと時間領域Ｂ(サブ周期)からなる。トランジスタペア１３のＯＮ、ＯＦＦを制御することで図７の電圧波形が各領域に印加される。図７で１周期内に各領域Ｓ１〜Ｓ１４に電圧を印加している時間の割合、すなわちデューティ比は、領域Ｓ１からＳ１４に一定の割合で減少するように制御している。図７で時間ｔ１のトランジスタペア１３のＯＮ、ＯＦＦの様子を示したのが図５、時間ｔ２のトランジスタペア１３のＯＮ、ＯＦＦの様子を示したのが図６である。
図８は図７のタイムチャートのように電圧を印加した場合のファイバグレーティング６に印加される温度分布を示したものである。図７の時間領域Ａの部分の電力では図８の(ａ)のように温度分布が印加され、時間領域Ｂの部分の電力では図８の(ｂ)のように温度分布が印加される。従って、実際には図８の(ｃ)のような温度分布がファイバグレーティング６に印加される。なお、図８の(ａ)、(ｂ)の温度分布は説明のために用いただけで、電圧印加の１周期が温度変化の時定数より十分短いので、図７の時間領域Ａ及びＢの時間であっても、図８の(ｃ)のような温度分布がファイバグレーティング６には印加されている。なお、ここではファイバグレーティング６に右下がりの直線的温度分布を印加する場合について示したが、同様に右上がりの直線的温度分布を印加することもでき、また、温度勾配の大きさも任意に変化させることができる。
図９は４０ｍｍのファイバグレーティング６を用いた本発明の可変分散補償器の温度勾配を変化させたときの群遅延時間特性と損失特性の変化を示したものである。図中に記載した−６０℃，０℃、＋６０℃は、薄膜ヒータ７に線形の温度分布を印加した場合の４０ｍｍ離れたファイバグレーティング６の両端の位置のヒータ上の温度差を示したもので、４０ｍｍあたりの温度勾配である。−６０℃の温度勾配とは右下がりの直線的温度勾配で、＋６０℃の温度勾配は右上がりの温度勾配である。なお、ファイバグレーティング６の入出力端は右側である。また、０℃の温度勾配とはファイバグレーティングの両端の温度差が０℃の直線温度分布、すなわちファイバグレーティングの全長に渡り一定の温度分布が印加されていることを意味し、−６０℃、＋６０℃、０℃でファイバグレーティング６の中央の温度はほぼ一定になるように制御しており、このため各群遅延時間特性が中心波長で交差している。各群遅延時間特性の分散値はそれぞれ、−６０℃：−３８３ｐｓ／ｎｍ、０℃：−２３９ｐｓ／ｎｍ、＋６０℃：−１８０ｐｓ／ｎｍであり、約２００ｐｓ／ｎｍの範囲で分散を制御することができた。このように本発明の可変分散補償器のような構造であっても、従来の可変分散補償器と同様に、温度勾配制御により群遅延時間特性を制御することができた。
ここで、本発明の可変分散補償器と従来の可変分散補償器でのヒータに接続される配線パターンの本数を比較する。本発明では先に述べたように３５本の配線パターンがヒータに接続されている。一方、従来の可変分散補償器では１個のヒータエレメントの両端に２本の配線パターンが必要となることから、本実施の形態の仮想分割ヒータエレメント数と同数のヒータエレメントを用いると、２×３４＝６８本必要になる。従って本発明での可変分散補償器ではヒータの製造を容易にするだけでなく、ヒータから取り出す配線パターン数を少なくすることができる。
なお、本実施の形態では直線温度勾配の印加によりファイバグレーティングの分散を制御する場合について述べたが、印加する温度分布は直線的温度分布に限らず、二次関数型の温度分布を印加して、ファイバグレーティングの分散スロープを変化させてもよい。また、温度分布は任意の温度分布としてよく、ファイバグレーティングが個別に有する群遅延リップルを解消させるような温度分布を印加することもできる。すなわち、ファイバグレーティングの周囲側面に複数のヒータを設けて温度分布を制御する従来の可変分散補償器と全く同様の温度分布を印加することができる。
また本発明の可変分散補償器では、従来の可変分散補償器のヒータのような物理的に分割された複数のヒータエレメントではないため、ヒータエレメント間に隙間を設ける必要がなく、ヒータエレメントの間隔が無限に小さいものと同様に考えることができる。すなわち従来の可変分散補償器ではヒータエレメントの間隔が大きいと、そこでの温度が低下し、ファイバグレーティングの群遅延特性に群遅延リップルを発生させる原因となっていたが、本発明のように仮想分割ヒータエレメント間に間隔がない場合、ここで温度が低下することはなく、これが原因となる群遅延リップルを発生させない効果もある。さらに、各仮想分割ヒータエレメントは電気的にも熱的にも繋がっているため、本実施の形態で示したような階段状の電力を印加しても、その境界では熱が流入および流出し、ヒータ上の温度分布が階段状よりも滑らかな温度分布になる。ヒータの温度分布が階段状であると、群遅延リップル発生の原因になるが、温度分布が階段状より滑らかになると、これが原因で発生する群遅延リップルを小さくできるといった効果も得られる。さらに、温度分布が滑らかになることで、ヒータの分割数、すなわちヒータに接続される配線パターンの本数を低減させることができるといった効果も得られる。
なお、本実施の形態では１／２周期毎に印加する電圧を変化させたが、変化させる周期は１／２周期に限るものではなく、１／３周期、１／４周期といった任意の周期であってもよく、１周期内を時間的に任意の比率および数の複数のサブ周期に分割してもよい。ただしこの場合はそれぞれのサブ周期の電力調整が複雑となるので、本実施の形態で述べたように１／２周期とするのが簡便である。
実施の形態２．
上記実施の形態１では半周期毎に配線パターンに印加する電圧パターンを変化させて、薄膜ヒータの温度を制御したが、半周期毎に電圧パターンを変化させずに、１周期全体を固定の電圧パターンで行うこともできる。この場合、従来の可変分散補償器とほぼ同一の配線パターン数で、同一の温度分布を形成することができる。配線パターンの本数でのメリットはないが、薄膜ヒータの製造に高度な技術を必要としないことや、制御回路を簡略化できるメリットがある。
上記実施の形態１では半周期毎に配線パターンに印加する電圧パターンを変化させて、薄膜ヒータの温度を制御したが、半周期毎に電圧パターンを変化させずに、１周期全体を固定の電圧パターンで行うこともできる。この場合、従来の可変分散補償器とほぼ同一の配線パターン数で、同一の温度分布を形成することができる。配線パターンの本数でのメリットはないが、薄膜ヒータの製造に高度な技術を必要としないことや、制御回路を簡略化できるメリットがある。
図１０は本発明の実施の形態２による可変分散補償器のファイバグレーティングユニット１を示す分解斜視図である。上記実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。基板９上に薄膜ヒータ７を形成し、配線パターン８ａ、８ｂを薄膜ヒータ７に電気的に接続して形成している。配線パターン８ａと８ｂは交互に配置され、配線パターン８ａは個別の電極パッド１０を介してケーブル１２により制御回路３に接続される。配線パターン８ｂは共通配線１４によって一括して電極パッド１０に接続され、ケーブル１２を介して制御回路３のＧＮＤ電位に接続される。薄膜ヒータ７の両端はＧＮＤに接続された配線パターン８ｂとしている。
図１１は本実施の形態の可変分散補償器の薄膜ヒータ７の等価回路および制御回路３の一例を示す図である。薄膜ヒータ７は抵抗の記号で示し、配線パターン８ａ、８ｂで区切られた領域に実施の形態１と同様にＳ１〜Ｓ１４の番号を付した。配線８０ａは配線パターン８ａ，電極パッド１０、ワイヤ１１，ケーブル１２を含む薄膜ヒータ７から制御回路３までの配線、配線８０ｂは配線パターン８ｂ，電極パッド１０、ワイヤ１１，ケーブル１２を含む薄膜ヒータ７から制御回路３までの配線を示す。配線パターン８ａは制御回路３のトランジスタペア１３に接続されており、このトランジスタペア１３は実施の形態１と同様の動作をし、電圧Ｖをスイッチングする。なお、本実施の形態では実施の形態１と異なり薄膜ヒータ７に流れる電流の向きは一定であるので、トランジスタペアを用いず、単体のトランジスタを用いて電圧ＶをＯＮ−ＯＦＦ(接続−切離し)するだけでもよい。等価回路の動作は実施の形態１に記した半周期分の動作、すなわち図７における時間領域Ａの動作と同一である。すなわちＧＮＤに接続された配線パターン８ｂで区切られた領域が仮想分割ヒータエレメンとなる。
図１２の(ａ)は本実施の形態の薄膜ヒータ７付近の構造を詳細に示した拡大図で、(ｂ)は従来のヒータ付近の拡大図を示したものである。図１２の(ａ)と(ｂ)を比較して分かるように、従来のヒータとほぼ同一の配線パターン数で、従来のヒータエレメント数と同数の仮想分割ヒータエレメント数を得ることができることが分かる。正確には従来のヒータエレメント数と同数の仮想分割ヒータエレメント数を得るには、配線パターン８ａの数は同数、配線パターン８ｂの数は１本多ければよい。すなわち、従来の可変分散補償器でヒータエレメント数が３４個の場合、配線パターン数は６８本必要であるが、本実施の形態の可変分散補償器では３４個の仮想分割ヒータエレメントを得るためには６９本の配線パターン数が必要となる。
このように仮想分割ヒータエレメントの数が多ければ、僅か１本の配線パターン数の違いは製造コストの増加とはならないが、本実施の形態のようにヒータをひと繋がりのもので構成することで、従来のような５μｍといった極めて小さい間隔で各ヒータエレメントを作製する必要がなく、高度な製造方法を用いなくてよいため、製造コストを低減できる。また従来の可変分散補償器と同一の制御回路で、同一の動作をさせることができるため、制御回路を新たに開発するコストも必要なく、薄膜ヒータを形成した基板を低コスト化することができ、可変分散補償器の低コスト化が図れる。
実施の形態３．
上記実施の形態１、２ではヒータの電力は電圧パルスのデューティ比によって制御する場合について示したが、これに限らず、ヒータの電力は電圧値や電流値の大きさによっても制御することができる。本実施の形態ではアナログの電圧値によってヒータの電力を制御する場合について説明する。
上記実施の形態１、２ではヒータの電力は電圧パルスのデューティ比によって制御する場合について示したが、これに限らず、ヒータの電力は電圧値や電流値の大きさによっても制御することができる。本実施の形態ではアナログの電圧値によってヒータの電力を制御する場合について説明する。
図１３は本実施の形態のファイバグレーティングユニット１の薄膜ヒータ７の等価回路および制御回路３の一例を示す図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。本実施の形態では実施の形態１と同様に１／２周期毎に異なる電圧値を印加する場合について説明する。図１３の(ａ)は時間領域Ａの状態、(ｂ)は時間領域Ｂの状態を示し、これら２つの状態はスイッチ１７によって、電圧を印加する配線回路３ａとＧＮＤ電位に接続する配線回路３ｂへの接続切り換えによって切り換えられ、薄膜ヒータ７の各仮想分割ヒータエレメントに流れる電流の向きと大きさが異なる。制御回路３は内部に電圧源１５と、抵抗１６、スイッチ１７を有している。電圧源１５は入力された電圧に比例した電圧を出力する。可変電源ＶＳからの出力電圧Ｖは抵抗１６によって分圧され、分圧比で定まる電圧値が電圧源１５に入力される。すべての抵抗１６を同じ抵抗値としたとき、各電圧源１５の入力電圧は比例配分され、各電圧源１５から出力される電圧値は端から順に線形な関係となる(各電圧源１５の電圧値が並び順に同じ割合で異なる)。各抵抗１６を可変抵抗とすればファイバグレーティングが有する群遅延リップルや薄膜ヒータ７のばらつきを補正した電圧値を出力するなど、任意の温度分布となるような電圧を出力することができる。ここでは説明を分かり易くするために、全ての抵抗１６が同じ抵抗値を有している場合について述べる。全ての抵抗１６の抵抗値が同じであるため各電圧源１５からは位置に対して線形に変化する電圧が出力される。可変電源ＶＳの電圧値Ｖを変化させることで各電圧源１５から出力される電圧の勾配を変化させることができ、これによって薄膜ヒータ７の温度勾配を変化させて分散を制御することができる。スイッチ１７の切り換え制御および可変電源ＶＳの電圧可変制御はコントローラ４により行われる。
図１４は薄膜ヒータ７の配線パターン８で区切られた領域Ｓ１〜Ｓ１４に印加される電圧波形のタイムチャートを示したものである。ここでは電圧は電圧値を制御して印加される。電圧波形は１／２周期毎に変化し、時間領域Ａの電圧は図１３の(ａ)の回路によって得られ、時間領域Ｂの電圧は図１３の(ｂ)の回路によって得られる。１周期の時間は実施の形態１と同様１〜５０ミリ秒程度である。時間領域Ａと時間領域Ｂの電圧切り替えはスイッチ１７を切り替えることによって行われる。図１４から分かるように電圧は時間領域Ａおよび時間領域Ｂの全時間にわたって印加されているが、印加される電圧の大きさが、領域Ｓ１からＳ１４へと移動するにつれ減少している。
図１５は図１４の電圧波形を印加した場合の薄膜ヒータ７の温度分布を示す図である。なお、厳密には薄膜ヒータ７の発熱量は電圧の２乗に比例するため、図１５のように直線状にはならないが、説明を簡単にするために直線的に示してある。実際には抵抗１６を可変抵抗として、薄膜ヒータ７の温度分布を測定しながら、またはファイバグレーティング６の群遅延時間特性を測定しながら抵抗１６の個々の抵抗値を調整することで、薄膜ヒータ７の温度分布を簡単に直線状にすることができる。図１５の(ａ)は図１４の時間領域Ａの電圧によって形成される温度分布、図１５の(ｂ)は時間領域Ｂの電圧によって形成される温度分布である。電圧の周期が１〜５０ミリ秒程度と薄膜ヒータ７の時定数に比べ十分小さいので、実際の薄膜ヒータ７の温度分布は図１５の(ａ)と(ｂ)を繰り返すことなく、それらが合成された図１５の(ｃ)のような温度分布となり、印加する電圧のデューティ比でなく電圧値を制御しても実施の形態１と同様な温度分布が得られ、ファイバグレーティング６へ印加する温度分布を制御して群遅延時間特性を制御することができる。
なお、本実施の形態では１／２周期毎に印加する電圧を変化させたが、変化させる周期は１／２周期に限るものではなく、１／３周期、１／４周期といった任意の周期であってもよく、１周期内を時間的に任意の比率および数の複数のサブ周期に分割してもよい。ただしこの場合はそれぞれのサブ周期の電力調整が複雑となるので、本実施の形態で述べたように１／２周期とするのが簡便である。また実施の形態２で示したように配線パターン８を交互にＧＮＤ電位に接続して電圧を印加した場合においても、実施の形態２と同様に温度分布を制御することができ群遅延時間特性を制御することができることは言うまでもない。なおこの場合は電圧を印加する周期といったものは存在せず、連続して電圧が印加され、群遅延時間特性を変化させるときのみ電圧値を変化させればよい。
実施の形態４．
上記各実施の形態では、加熱手段として基板上にファイバグレーティングに沿って形成されたひと繋がりの薄膜ヒータを設けたものについて説明したが、以下に別の構成の加熱手段を設けた実施の形態をチャープグレーティングを備えたものを例に挙げて説明する。なお、可変分散補償器の全体の基本的構成は図１に示すものと同じであり、ファイバグレーティングユニット１の代わりにチャープグレーティングユニット１ａが設けられる。
上記各実施の形態では、加熱手段として基板上にファイバグレーティングに沿って形成されたひと繋がりの薄膜ヒータを設けたものについて説明したが、以下に別の構成の加熱手段を設けた実施の形態をチャープグレーティングを備えたものを例に挙げて説明する。なお、可変分散補償器の全体の基本的構成は図１に示すものと同じであり、ファイバグレーティングユニット１の代わりにチャープグレーティングユニット１ａが設けられる。
図１６は本発明の実施の形態４による可変分散補償器のチャープグレーティングユニット１ａを示す斜視図である。また図１７はチャープグレーティングユニット１ａの一部を拡大した斜視図、図１８は上面図、図１９は図１８の破線Ｂに沿った断面図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。チャープグレーティングユニット１ａは以下のように構成されている。光ファイバ５の一部の被覆が除去された部分に、長さ４０ｍｍに渡って長手方向に屈折率周期を変化させたチャープグレーティング６ａ(グレーティング部)が形成されており、チャープグレーティング６ａの全体を覆うように、無電解ニッケルメッキによってほぼ一様の厚みで形成された金属膜２０が形成されている。上記各実施の形態と同様にチャープグレーティング６ａはチャープグレーティングが施されたコア(図１９の６１等参照)とその周囲側面を覆うクラッド(図１９の６２等参照)とからなるものとする。例えばガラスエポキシからなる基板９上には、ほぼ平行に複数のスズメッキされた銅線からなる金属線２１が設けられており、各金属線２１と対応する電極パッド１０とは図１９に示すように、貫通穴９１およびスルーホール９２を介して基板９の裏面側で配線パターン１８によって電気的に接続されている。複数の金属線２１上に配置されたチャープグレーティング６ａは、貫通穴９１を介して基板９の裏面側から延びる複数の固定用金属線２２によって上から押さえ付けられるように固定され、金属線２１とチャープグレーティング６ａに形成した金属膜２０が密着されるとともに位置が固定される。金属線２１および固定用金属線２２は基板９の裏面側で例えばハンダ９３により固定される。
なお、ここでチャープグレーティング６ａの長さは４０ｍｍとしたがこれに限るものではなく、任意の長さであってよい。また金属膜２０はチャープグレーティング６ａの全体を覆っていればよく、例えばチャープグレーティング６ａの長さを超えて過剰に長い領域にまで設けてもよく、光ファイバ５の被覆部にまで及んでいてもよい。また金属膜２０は無電解メッキにより形成したニッケル膜としたが、スパッタリングや蒸着などの真空メッキなど他の方法によって形成した金属膜でもよい。さらに全ての金属は固有抵抗を有しているので、金属の種類も限定するものではない。また炭素膜など金属以外の他の導電性膜であってもよい。また金属膜２０は無電解メッキで形成したニッケル膜の上にさらに金メッキをしたように複数の層からなっていてもよい。
複数の金属線２１の個数も任意であってよいが、０.１ｍｍ〜１ｍｍ、望ましくは０.５ｍｍ程度の間隔でチャープグレーティング６ａの全長を越える範囲に設けるのが望ましい。しかし、必ずしも金属線２１それぞれの間隔は等間隔である必要はなく、チャープグレーティング６ａの中央付近ではほぼ等間隔、両端部付近では中央付近より広い間隔といったように不等間隔であってもよい。基板９はガラスエポキシ、ガラス、石英、プラスチックなど絶縁物であれば他の材料であってもよく、さらに金属線２１間の絶縁が確保できるように表面を絶縁膜で覆うなどすれば金属であってもよい。また固定用金属線２２は金属線に限らず、１００℃程度の耐熱性があれば樹脂などからなる糸であってもよい。
次に本発明の可変分散補償器の動作について説明する。図２０はチャープグレーティング６ａのモデル図と等価回路図および制御回路３の一例を示す図である。等価回路ではチャープグレーティング６ａの周囲側面に形成した金属膜２０を抵抗の記号で示した。また、金属膜２０の金属線２１で区切られた領域にＳ１〜Ｓ１４の番号を付した。ここでは金属線２１で区切られた領域の個数を１４個としたが、実際には長さ４０ｍｍのチャープグレーティング６ａに１ｍｍ間隔で金属線２１を配置すれば領域の数は４０個以上となる。「以上」という理由は、少なくともチャープグレーティング６ａ全長に渡って、１ｍｍ間隔の金属線２１で区切られた領域を最小個数で設ける場合が４０個であり、チャープグレーティング６ａの全長を越える範囲まで金属線２１を設けて、４１個以上とすることができることを意味する。配線８０は金属線２１，配線パターン１８，スルーホール９２，電極パッド１０、ワイヤ１１，ケーブル１２を含む金属線２１から制御回路３までの配線を示す。
制御回路３はバイポーラトランジスタや電界効果トランジスタなどからなるプッシュプル型のトランジスタペア１３が各金属線２１に接続されているものであり、構成および動作は基本的に図４に示したものと同じである。各トランジスタペア１３には電圧Ｖが印加されており、トランジスタペア１３のうちいずれか一方をＯＮし、他方をＯＦＦすることで、電圧ＶまたはＧＮＤ電位が金属線２１に印加される。図２１および図２２は金属線２１に印加する電圧を一つ置きに電圧ＶとするかＧＮＤ電位にするかを制御した場合のトランジスタペア１３の動作および電流の様子を示したものであり、図５および図６に相当する。図２１、図２２のように電流は電圧Ｖを印加した金属線２１から金属膜２０に流入し、ＧＮＤ電位の金属線２１から流出する。従って、チャープグレーティング６ａの周囲側面に、ひと繋がりで形成した金属膜２０が、ＧＮＤ電位の金属線２１で区切られた領域で仮想分割ヒータエレメントとして動作させることができる。この仮想分割ヒータエレメントの様子は図２１に仮想分割ヒータエレメントＡ〜Ｇ、図２２に仮想分割ヒータエレメントａ〜ｈとして示されている。図８の仮想分割ヒータエレメントａは一端のみＧＮＤ電位で区切られており、他端は電圧Ｖが印加されているが、仮想分割ヒータエレメントａの外側の金属膜には金属線２１が接続されていないため電流が流れず、図に示した領域が仮想分割ヒータエレメントとなる。チャープグレーティング６ａに直線の温度勾配を有する温度分布を印加する場合の電力印加方法については、実施の形態１で図７、図８を使用して説明したのと同様であり説明は省略する。
図２３は４０ｍｍのチャープグレーティング６ａを用いた本発明の可変分散補償器の温度勾配を変化させたときの群遅延時間特性と損失特性の変化を示したものである。図中に記載した−５０℃，０℃、＋５０℃は実際にチャープグレーティングに印加されていると考えられる温度勾配の大きさを示したもので、理論的にこれらの温度勾配を印加した場合に生じる群遅延時間特性になるように印加する電力を調整した。図９と同様に、−５０℃の温度勾配とは右下がりの直線的温度勾配で、チャープグレーティング６ａの両端の温度差が５０℃であることを意味する。また＋５０℃の温度勾配は右上がりの温度勾配である。なお、チャープグレーティングの入出力端は右側である。また、０℃の温度勾配とはチャープグレーティング６ａの両端の温度差が０℃の直線温度分布、すなわちチャープグレーティングの全長に渡り一定の温度分布が印加されていることを意味し、−５０℃、＋５０℃、０℃でチャープグレーティングの中央の温度はほぼ一定になるように制御しており、このため各群遅延時間特性が中心波長で交差している。このように本発明の可変分散補償器のような構造であっても、従来の可変分散補償器と同様に、温度勾配制御により群遅延時間特性を制御することができる。
また本実施の形態では、直線温度勾配の印加によりチャープグレーティングの分散を制御する場合について述べるが、実施の形態１と同様に、印加する温度分布は直線的温度分布に限らず、二次関数型の温度分布を印加して、チャープグレーティングの分散スロープを変化させてもよい。また、温度分布は任意の温度分布としてよく、チャープグレーティングが個別に有する群遅延リップルを解消させるような温度分布を印加することもできる。すなわち、チャープグレーティングの周囲側面に複数のヒータを設けて温度分布を制御する従来の可変分散補償器と全く同様の温度分布を印加することができる。
図２４は本発明の可変分散補償器と従来の可変分散補償器の分散可変時の応答特性を示したもので、−１９３ｐｓ／ｎｍから−３６４ｐｓ／ｎｍに分散を変化させた場合と、−３６４ｐｓ／ｎｍから−１９３ｐｓ／ｎｍに分散を変化させた場合の分散値の時間変化を測定したものである。従来の可変分散補償器は石英基板の厚みを０.１ｍｍとした。−１９３ｐｓ／ｎｍが＋６０℃の温度勾配、−３６４ｐｓ／ｎｍが−６０℃の温度勾配で、これらの温度勾配を瞬間的に切り替えて測定した。このような高速の分散特性の変化を測定する測定器は現時点では販売されていないので、我々は以下のような方法で測定した。可変分散補償器の帯域内の１０点以上の波長で温度勾配を切り替えた場合の群遅延時間の時間変化を測定した。これは通常販売されている分散測定装置であっても測定することができる。これら測定した１０点以上の波長の群遅延時間を、温度勾配を切り替えてから、同じ時刻の群遅延時間データを用いて、横軸に波長、縦軸に群遅延時間としてグラフにプロットし、このグラフの傾きからその時間の分散を求めた。これを測定した全ての時間について行うことで分散特性の時間変化を求めた。なお、高速な分散特性の時間変化を測定する方法としては、他にも分散モニタ技術を用いる方法などが知られている(例．OECC/CONI2004 Technical Digest, 14C2-2, 458頁〜459頁)。
図２４から分かるように、分散変化の応答時間は、従来の可変分散補償器では約０.５秒程度であったのに対し、本発明の可変分散補償器では０.２秒以下であった。また消費電力は約１.２Ｗであり、従来の構造の可変分散補償器と比較して同等以下であった。従来の可変分散補償器では課題であった消費電力を増加させることなく、分散変化の応答時間をさらに短くすることができた。
次に本発明の可変分散補償器の製造方法について簡単に説明する。光ファイバにチャープグレーティングを形成する技術、光ファイバに金属膜を形成する技術は特に新しい技術ではなく、従来の技術を使用することができるため、ここでは簡単にこれらの技術について説明する。
まず、光ファイバケーブルを１２０気圧程度の水素または重水素中に２週間程度放置し、光ファイバ内部に水素または重水素を充填する。これは一般的に高圧水素処理と呼ばれ、グレーティングを作製する際の紫外線照射による感光性を向上させるためである。光ファイバケーブルは、直径１２５μｍのシングルモード光ファイバに樹脂の被覆をした直径２５０μｍの光ファイバケーブルが使いやすい。
高圧水素処理を行い、光ファイバ内部に水素または重水素が充填されると、取り出し、光ファイバケーブルの被覆を一部、すなわちチャープグレーティングを形成する範囲以上に除去する。
その後、被覆を除去した部分に一種の回折格子であるチャープ位相マスクを接近させて配置し、チャープ位相マスクを介して紫外レーザー光を照射する。紫外レーザー光は位相マスクによって±１次の回折光に分かれ、±１次の回折光によって光ファイバのコア内に干渉縞が生じ、干渉縞に応じた屈折率変化が生じる。この屈折率変化がグレーティングである。チャープ位相マスクによって光ファイバのコア内に発生する干渉縞のピッチは、光ファイバの長手方向で変化しているため、グレーティングのピッチも変化する。これがチャープグレーティングである。
高圧水素処理を行い、光ファイバ内部に水素または重水素が充填されると、取り出し、光ファイバケーブルの被覆を一部、すなわちチャープグレーティングを形成する範囲以上に除去する。
その後、被覆を除去した部分に一種の回折格子であるチャープ位相マスクを接近させて配置し、チャープ位相マスクを介して紫外レーザー光を照射する。紫外レーザー光は位相マスクによって±１次の回折光に分かれ、±１次の回折光によって光ファイバのコア内に干渉縞が生じ、干渉縞に応じた屈折率変化が生じる。この屈折率変化がグレーティングである。チャープ位相マスクによって光ファイバのコア内に発生する干渉縞のピッチは、光ファイバの長手方向で変化しているため、グレーティングのピッチも変化する。これがチャープグレーティングである。
光ファイバケーブルの一部にチャープグレーティングを形成した後、チャープグレーティングの周囲側面に金属膜を形成する。ここでは無電解ニッケルメッキによる形成方法を示すが、スパッタや蒸着などの真空メッキを利用して形成することも可能である。まず、チャープグレーティングを形成した部分の光ファイバを、界面活性剤を１５ｇ／リットル含有する５０℃の浴中に５分間浸して脱脂処理を行う。ここで、浴中に浸す範囲としては被覆を除去した部分のみではなく、被覆が除去されていない光ファイバケーブル部分まで浸しても構わない。
次に２−ブチン１，４−ジオール５.０ｇ／リットルからなる不飽和アルコール液を２５℃に保った浴に５分間浸した後、無電解ニッケルメッキの核となるパラジウムをメッキする部分に吸着させるパラジウム処理を行う。パラジウム処理には、塩化パラジウム０.１ｇ／リットルと３６％塩酸３.０ｇ／リットルからなる触媒液を用いた２５℃の浴中に５分間浸して行った。
その後、硫酸ニッケル・６水和物２７ｇ／リットル、次亜リン酸１３ｇ／リットル、リンゴ酸１５ｇ／リットル、コハク酸３.０ｇ／リットル、硝酸鉛０.８ｇ／リットルからなる無電解メッキ浴(８０℃、ｐH４.５)に５分間浸して無電解ニッケルメッキを行う。
そして、無電解ニッケルメッキを行った光ファイバケーブルを１５０℃で３０分加熱する。チャープグレーティングの周囲側面に形成されたニッケル膜の厚みは約０.３μｍであった。このような無電解ニッケルメッキによるチャープグレーティング周囲側面への金属膜形成は非常に簡単にできるため、量産性に優れ低コスト化が図れる。
その後、硫酸ニッケル・６水和物２７ｇ／リットル、次亜リン酸１３ｇ／リットル、リンゴ酸１５ｇ／リットル、コハク酸３.０ｇ／リットル、硝酸鉛０.８ｇ／リットルからなる無電解メッキ浴(８０℃、ｐH４.５)に５分間浸して無電解ニッケルメッキを行う。
そして、無電解ニッケルメッキを行った光ファイバケーブルを１５０℃で３０分加熱する。チャープグレーティングの周囲側面に形成されたニッケル膜の厚みは約０.３μｍであった。このような無電解ニッケルメッキによるチャープグレーティング周囲側面への金属膜形成は非常に簡単にできるため、量産性に優れ低コスト化が図れる。
以上のように製造した金属膜を形成したチャープグレーティングを基板に搭載してチャープグレーティングユニットを製造する。図２５および図２６はチャープグレーティングユニットの製造方法について示す図である。まず図２５に示すように、基板９に複数の金属線２１を取り付け、チャープグレーティング６ａを金属線２１上に配置する。基板９には図１９に示したように金属線２１や固定用金属線２２を通す貫通穴９１および電極パッド１０のためのスルーホール９２が予め形成されており、表面には電極パッド１０が、裏面には配線パターン１８や穴の周囲に必要に応じて金属パッド(スルーホール)などが形成されている。これらは通常のプリント基板を作製する工程などを用いて製造される。
金属線２１を基板９に形成した貫通穴９１に貫通させた後、金属線２１は裏面でハンダ付け(図１９の９３参照)などにより固定され、電極パッド１０と電気的に接続される。
金属線２１を基板９に形成した貫通穴９１に貫通させた後、金属線２１は裏面でハンダ付け(図１９の９３参照)などにより固定され、電極パッド１０と電気的に接続される。
次に金属膜２０を形成したチャープグレーティング６ａを金属線２１上に配置する。そして図２６に示すように固定用金属線２２でチャープグレーティング６ａを金属線２１上に固定する。固定用金属線２２は基板９の裏面でハンダ付け(図１９の９３参照)などにより固定される。チャープグレーティング６ａ、金属線２１、固定用金属線２２は図１８に示すように互いに交差するように配置してもよいが、図２７に示すように金属線２１と固定用金属線２２が交差しないように配置してもよい。なお、ここで示した手順は一例であり、例えば、基板９に金属線２１を配置した後、全ての固定用金属線２２をたるませた状態で輪を作って基板９の貫通穴に設け、チャープグレーティング６ａを固定用金属線２２の輪を全て通るように一端から挿入し、その後、全ての固定用金属線２２を基板９の裏面から引っ張って、図１７のように固定することもできる。また金属線２１は基板９の貫通穴に挿入して配置したが、基板９と一体的に整形してもよい。
またチャープグレーティング６ａの周囲側面に形成した金属膜２０をさらに金メッキして、スズメッキされた金属線２１上に固定し、これを加熱することで、金メッキとスズメッキの界面で金スズ合金が形成され電気的接続を確実にすることもできる。加熱する方法としては、加熱炉などに入れることでも良いが、金属膜２０に電流を流して加熱することが簡単である。さらにこのように製造したチャープグレーティングユニット１のチャープグレーティング６ａの周囲側面に樹脂スプレーや樹脂溶液中に浸すなどの方法で樹脂保護膜などを形成してもよい。
以上のように作製したチャープグレーティングユニット１はケーブル１２によって制御回路３に接続される。制御回路３はさらにコントローラ４に接続され可変分散補償器となる。コントローラ４は上述のようにＲＯＭなどの記憶手段を有しておりユーザーが入力した分散値に対応して制御回路３を駆動するためのデータを有している。コントローラ４が有するＲＯＭのデータは可変分散補償器を製造した後に個別にデータをＲＯＭに書き込むことができるため、例えば、チャープグレーティング６ａの周囲側面の金属膜２０の膜厚が不均一な場合や、金属線２１の間隔にばらつきが生じた場合であっても、ＲＯＭに入力するデータを調整することで、分散値に応じた特性を得るための温度分布をチャープグレーティングに印加することができる。
このように本発明の可変分散補償器によれば、消費電力を大きくすることなく、分散を変化させるときの応答時間を短くすることができる。また非常に簡単な方法で可変分散補償器を製造することができるため低コスト化が図れる。
実施の形態５．
上記実施の形態４ではチャープグレーティングの全周に加熱手段である金属膜を形成した場合について述べたが、金属膜はチャープグレーティングの全周に設ける必要はなく、一部に設けてもよい。本実施の形態では、金属膜をチャープグレーティングの一部に設けた場合の可変分散補償器について述べる。
上記実施の形態４ではチャープグレーティングの全周に加熱手段である金属膜を形成した場合について述べたが、金属膜はチャープグレーティングの全周に設ける必要はなく、一部に設けてもよい。本実施の形態では、金属膜をチャープグレーティングの一部に設けた場合の可変分散補償器について述べる。
図２８はチャープグレーティング６ａの全周ではなく一部に金属膜２０を設けた本発明の実施の形態５による可変分散補償器のチャープグレーティングユニット１ａの一部を拡大した斜視図であり、実施の形態４の図１７に相当する。図２９は図２８のチャープグレーティングユニット１ａの破線Ｃに沿った断面図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。可変分散補償器の図示していない部分の構成は実施の形態４と同一であり、同一の動作をする。
本実施の形態の可変分散補償器では図２８に示すようにチャープグレーティング６ａの全長に渡って金属膜２０が設けられているが、図２８、図２９に示すように金属膜２０は周囲側面全体ではなく、周囲側面の一部にのみ設けられている。このようなチャープグレーティング６ａの周囲側面の一部にのみに金属膜２０を形成するには、蒸着やスパッタなどの真空メッキ法を用いることで容易に作製することができる。すなわちチャープグレーティング６ａを形成した光ファイバを真空チャンバに入れ、スパッタや蒸着などで金属膜を形成する場合、通常一方向(例えば光ファイバを横にした場合の上方)のみに金属膜２０が形成される。このようにチャープグレーティング６ａの周囲側面の一部に形成した金属膜２０が金属線２１と接するようにチャープグレーティング６ａを金属線２１上に固定することによりチャープグレーティングユニット１ａを作製することができる。
実施の形態６．
上記実施の形態５では、チャープグレーティングの周囲側面の一部に金属膜を形成した後、金属線２１上に固定してチャープグレーティングユニットを作製する場合について述べたが、本実施の形態ではチャープグレーティングを固定した後、金属膜を形成してチャープグレーティングユニットを作製した可変分散補償器について述べる。
上記実施の形態５では、チャープグレーティングの周囲側面の一部に金属膜を形成した後、金属線２１上に固定してチャープグレーティングユニットを作製する場合について述べたが、本実施の形態ではチャープグレーティングを固定した後、金属膜を形成してチャープグレーティングユニットを作製した可変分散補償器について述べる。
図３０は本発明の実施の形態６による可変分散補償器のチャープグレーティングユニット１ａの一部を拡大した斜視図であり、図３１は図３０のチャープグレーティング６ａの長手方向に沿った断面図である。また図３２の(ａ)は図３１の破線Ｄに沿った断面図、図３２の(ｂ)は図３１の破線Ｅに沿った断面図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。このような可変分散補償器のチャープグレーティングユニット１ａは以下のように作製される。
チャープグレーティング６ａを形成した光ファイバ５に金属膜２０を形成せずに、金属線２１上に配置し、固定用金属線２２で固定する。その後、これを真空チャンバ内に設置し、スパッタや蒸着などの真空メッキによってチャープグレーティング６ａの上に金属膜２０を形成する。このとき、基板９や金属線２１など金属膜２０を形成したくない部分にはマスクをすることで、選択的に必要な部分に金属膜２０を形成することができる。このようにチャープグレーティング６ａの上に金属膜２０を形成した場合、固定用金属線２２が上にある部分のチャープグレーティング６ａ上には金属膜２０が形成されず、図３１および図３２に示すように金属膜２０が形成される。金属膜２０は固定用金属線２２と電気的に接続されるため、図３２の(ａ)に示すように配線パターン１８は金属線２１および固定用金属線２２と電極パッド１０とが電気的に接続されるようにパターンニングされている。
なおこの場合、金属線２１はチャープグレーティング６ａを支持する役目をしているが、図３３に示すように金属線２１を無くして、固定用金属線２２でチャープグレーティング６ａを固定すると共に給電を行うことも可能である(通電・固定用金属線となる)。これは実施の形態４のようなチャープグレーティング６ａの全周に金属膜２０を形成した場合でも可能であるが、チャープグレーティング６ａの全周に金属膜を形成した場合は、基板９に拡散する熱のため、消費電力が大きくなり、分散変化の時間が長くなるといった問題も生じることから、基板９とチャープグレーティング６ａの間に適当な距離を設けるためにも金属線２１がある方が望ましい。しかしながら、本実施の形態の図３３に示すようにチャープグレーティング６ａの上面、すなわち基板９と反対側にのみ金属膜２０を形成した場合は、金属線２１を無くして固定用金属線２２のみで固定することで、チャープグレーティング６ａと基板９との間に距離を設けなくても、金属線２１を設けてチャープグレーティング６ａと基板９との間に距離を設けた場合と同等の消費電力、分散変化の時間を得ることができた。従って、実施の形態５のようにチャープグレーティング６ａの周囲側面の一部に金属膜２０を設けた場合にも、基板９と反対側にのみ金属膜２０がくるようにして金属膜２０と固定用金属線２２が電気的に接続されるようにすれば、金属線２１を無くした場合には、本実施の形態の図３３と同様の効果が得られる。
実施の形態７．
上記実施の形態４以降では、金属膜２０を形成したチャープグレーティング６ａを金属線２１や固定用金属線２２など糸状のもので固定したが、本実施の形態では、金属線２１と基板９など糸状のもの以外を併用して固定した可変分散補償器について述べる。
上記実施の形態４以降では、金属膜２０を形成したチャープグレーティング６ａを金属線２１や固定用金属線２２など糸状のもので固定したが、本実施の形態では、金属線２１と基板９など糸状のもの以外を併用して固定した可変分散補償器について述べる。
図３４は本発明の実施の形態７による可変分散補償器のチャープグレーティングユニット１ａの図１９や図２９と同様な部分に沿った断面図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。図３４はチャープグレーティング６ａが挿入されるＶ字状の溝９ａを基板９に形成し、その溝９ａに金属膜２０を形成したチャープグレーティング６ａを挿入し、通電・固定用金属線２３によって上部から固定したものである。溝９ａの大きさは、チャープグレーティング６ａを挿入したとき、チャープグレーティング６ａの上部が基板９表面から突出する大きさである必要がある。基板９の溝９ａに挿入し、通電・固定用金属線２３をチャープグレーティング６ａをまたぐようにして、互いに電気的に接触しかつチャープグレーティング６ａを上から押さえるように配置する。チャープグレーティング６ａに形成した金属膜２０と通電・固定用金属線２３が電気的に接続されているので、通電・固定用金属線２３から金属膜２０に給電される。
このように基板９にＶ字状の溝９ａを形成し、溝内にチャープグレーティング６ａを配置する方法は、溝９ａによりチャープグレーティング６ａの位置決めが容易であるため、バラツキなく量産することが簡単である。なお、本実施の形態では基板９にＶ字状溝を形成したが、Ｕ字状溝であってもよい。しかし、Ｖ字状溝の方が基板９とチャープグレーティング６ａとの接触面積を小さくすることができ、基板への熱の拡散を抑えることができるため、低消費電力化と分散変化の時間を短くする上で好ましい。
実施の形態８．
上記実施の形態４以降では、金属膜２０を形成したチャープグレーティング６ａを金属線２１、固定用金属線２２、通電・固定用金属線２３など糸状のものを用いて固定および金属膜２０に給電したが、本実施の形態では糸状の金属線を用いずに基板に固定し給電する可変分散補償器について述べる。
上記実施の形態４以降では、金属膜２０を形成したチャープグレーティング６ａを金属線２１、固定用金属線２２、通電・固定用金属線２３など糸状のものを用いて固定および金属膜２０に給電したが、本実施の形態では糸状の金属線を用いずに基板に固定し給電する可変分散補償器について述べる。
図３５は本発明の実施の形態８による可変分散補償器のチャープグレーティングユニットの一部を拡大した分解斜視図、図３６は図３５の破線Ｆに沿った断面図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。図３５の分解斜視図に示したものは実際には、図３６の断面図のように一体となっている。本実施の形態のチャープグレーティングユニットでは、上記実施の形態の金属線２１に相当する金属パターン３１が基板９上に形成されている。また基板９上のチャープグレーティング６ａを配置する位置の金属パターン３１以外の部分には、基板９とチャープグレーティング６ａとの間に空気層を形成するための溝９ｂが設けられている。金属パターン３１は電極パッド１０と電気的に接続されており、電極パッド１０を通じて制御回路３から金属パターン３１に給電される。基板９の金属パターン３１上にチャープグレーティング６ａを設置した後、チャープグレーティング６ａの上にＶ字状の溝４１が形成された溝付カバー基板４０を配置し、チャープグレーティング６ａは金属パターン３１に密着されて固定される。溝付カバー基板４０は接着剤で基板９に固定される。溝付カバー基板４０には石英、ガラス、アルミナなどのセラミックスを用いた方が高精度に作製することができるので好ましい。
溝９ａと金属パターン３１を有する基板９は以下のように製造される。まず石英、ガラスエポキシ、プラスチックなどの絶縁性基板にエッチングなどの方法で長方形状の溝９ｂを形成する。溝９ｂはチャープグレーティング６ａに形成した金属膜２０からの熱の拡散を防ぐためのものであり、０.１ｍｍ〜２ｍｍ程度が望ましい。溝９ｂは図３５のように配置するチャープグレーティング６ａの長手方向に沿って複数配置されるが、溝と溝の間隔は金属パターン３１を形成する部分となるので、金属パターン３１を形成する幅があればよく、２０μｍ〜１００μｍが望ましい。このように基板９に所定の数の溝９ｂを形成した後、金属パターン３１と電極パッド１０を一体に形成する。金属パターン３１と電極パッド１０は、蒸着、スパッタ、スクリーン印刷などの方法を用いて形成する。初めからマスクなどを用いて必要な部分にパターンニングして形成してもよいが、基板一面に金属膜を形成し、その後不要な部分をエッチングするなどして所定のパターンを形成してもよい。
本実施の形態では基板９に溝９ｂを設け、金属パターン３１以外の部分はチャープグレーティング６ａに接しない構造としたが、溝９ｂを設けない平面の基板９上に同様の金属パターン３１と電極パッド１０を形成して、同様に溝付カバー基板４０を用いてチャープグレーティングユニットを作製することも可能である。この場合、チャープグレーティング６ａに形成した金属膜２０と基板９が接触して、熱が基板に拡散するため消費電力が大きくなり、また分散可変の時間も長くなる。しかし、あまり高速な応答性を必要としない場合はこのような方法でもよい、また、金属パターン３１を厚膜プロセスで形成し、０.１ｍｍ程度の膜圧とすれば、基板９に拡散する熱も抑制されるため、低消費電力と分散可変の応答性を犠牲にすることはなく、溝１７を設けた場合と同様の効果が得られる。
実施の形態９．
図３７はさらに別の構造を有する本発明の実施の形態９による可変分散補償器のファイバグレーティングユニットの斜視図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。ファイバグレーティングユニット１のファイバグレーティング６の全周囲側面に直接、金属膜を設けなくても、ファイバグレーティング６の直径より大きい内径(内直径)を有する円筒５０の外周または内周に薄膜ヒータ７又は金属膜２０を形成し(図３７では内周に形成したものを示す)、この薄膜ヒータ７又は金属膜２０を上述したように複数の領域に分割するように配線８１を設け制御回路３に接続し、この円筒５０内にファイバグレーティング６を挿入してファイバグレーティングユニット１とすることもできる。
図３７はさらに別の構造を有する本発明の実施の形態９による可変分散補償器のファイバグレーティングユニットの斜視図である。上記各実施の形態と同一もしくは相当部分は同一符号で示す。ファイバグレーティングユニット１のファイバグレーティング６の全周囲側面に直接、金属膜を設けなくても、ファイバグレーティング６の直径より大きい内径(内直径)を有する円筒５０の外周または内周に薄膜ヒータ７又は金属膜２０を形成し(図３７では内周に形成したものを示す)、この薄膜ヒータ７又は金属膜２０を上述したように複数の領域に分割するように配線８１を設け制御回路３に接続し、この円筒５０内にファイバグレーティング６を挿入してファイバグレーティングユニット１とすることもできる。
このような構成を従来の可変分散補償器と同様に個々に分離されている複数のヒータエレメントで実現しようとすると、円筒の外周あるいは内周に高精度でヒータエレメントを形成することは、基板上に形成する場合と比較して、極めて困難なものとなる。しかし、本発明の可変分散補償器のようにひと繋がりの薄膜ヒータ７又は金属膜２０に電気的に接続された複数の配線８１を設けるだけで従来の可変分散補償器と同様に温度分布を制御し、ファイバグレーティングの群遅延時間特性を制御できることは、可変分散補償器の低コスト化が得られるだけでなく、薄膜ヒータ７又は金属膜２０の配置方法や製造方法により高い自由度が得られる効果もある。
なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、上記各実施の形態の可能な組合せも含むことは言うまでもない。従って上記各実施の形態は、ファイバグレーティングユニットおよびチャープグレーティングユニットのいずれを備えた可変分散補償器にも適用可能である。
１ ファイバグレーティングユニット、１ａ チャープグレーティングユニット、２ サーキュレータ、３ 制御回路、３ａ，３ｂ 配線回路、４ コントローラ、５ 光ファイバ、６ ファイバグレーティング、６ａ チャープグレーティング、７ 薄膜ヒータ、８，８ａ，８ｂ，１８ 配線パターン、９ 基板、９ａ，９ｂ，４１ 溝、１０ 電極パッド、１１ ワイヤ、１２ ケーブル、１３ トランジスタペア、１４ 共通配線、１５ 電圧源、１６ 抵抗、１７ スイッチ、２０ 金属膜、２１ 金属線、２２ 固定用金属線、２３ 通電・固定用金属線、３１ 金属パターン、４０ 溝付カバー基板、５０ 円筒、６１ コア、６２ クラッド、８０，８０ａ，８０ｂ，８１ 配線、９１ 貫通穴、９２ スルーホール、９３ ハンダ。
Claims (9)
- グレーティング部を有する光ファイバと、上記グレーティング部に所望の温度分布を与えるために加熱する加熱手段と、上記加熱手段の与える温度分布を制御するための制御手段と、を備え、上記グレーティング部の群遅延時間特性を制御する可変分散補償器であって、上記加熱手段が、上記グレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡って延びる電気的抵抗を有するひと繋がりの導電体からなるヒータと、上記ヒータに上記長手方向に沿ったそれぞれの位置で電気的に接続された複数の配線とを有し、上記制御手段が上記各配線に電圧を個別に制御して印加して給電を行い、
上記電圧は予め定めた周期で繰り返し印加され、さらにこの周期が等分された第１および第２のサブ周期から構成され、第１のサブ周期では奇数番目又は偶数番目の配線は基準電位に接続され、偶数番目又は奇数番目の配線には電圧が印加され、第２のサブ周期では偶数番目又は奇数番目の配線は基準電位に接続され、奇数番目又は偶数番目の配線には電圧が印加され、
上記ヒータが、上記グレーティング部の周囲側面の一部又は全部に形成され、上記各配線が、上記ヒータが周囲側面に形成されたグレーティング部を基板上に固定しかつ上記ヒータとの電気的接続をとる金属線である、
ことを特徴とする可変分散補償器。 - グレーティング部を有する光ファイバと、上記グレーティング部に所望の温度分布を与えるために加熱する加熱手段と、上記加熱手段の与える温度分布を制御するための制御手段と、を備え、上記グレーティング部の群遅延時間特性を制御する可変分散補償器であって、上記加熱手段が、上記グレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡って延びる電気的抵抗を有するひと繋がりの導電体からなるヒータと、上記ヒータに上記長手方向に沿ったそれぞれの位置で電気的に接続された複数の配線とを有し、上記制御手段が上記各配線に電圧を個別に制御して印加して給電を行い、
上記電圧は予め定めた周期で繰り返し印加され、さらにこの周期が等分された第１および第２のサブ周期から構成され、第１のサブ周期では奇数番目又は偶数番目の配線は基準電位に接続され、偶数番目又は奇数番目の配線には電圧が印加され、第２のサブ周期では偶数番目又は奇数番目の配線は基準電位に接続され、奇数番目又は偶数番目の配線には電圧が印加され、
上記光ファイバのグレーティング部が、上記複数の配線である複数の金属線がグレーティング部を上からまたぐようにして押さえつけることにより基板上に固定され、上記ヒータが、上記グレーティング部および金属線の上記基板側と反対の上面に形成されている、
ことを特徴とする可変分散補償器。 - グレーティング部を有する光ファイバと、上記グレーティング部に所望の温度分布を与えるために加熱する加熱手段と、上記加熱手段の与える温度分布を制御するための制御手段と、を備え、上記グレーティング部の群遅延時間特性を制御する可変分散補償器であって、上記加熱手段が、上記グレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡って延びる電気的抵抗を有するひと繋がりの導電体からなるヒータと、上記ヒータに上記長手方向に沿ったそれぞれの位置で電気的に接続された複数の配線とを有し、上記制御手段が上記各配線に電圧を個別に制御して印加して給電を行い、
上記電圧は予め定めた周期で繰り返し印加され、さらにこの周期が等分された第１および第２のサブ周期から構成され、第１のサブ周期では奇数番目又は偶数番目の配線は基準電位に接続され、偶数番目又は奇数番目の配線には電圧が印加され、第２のサブ周期では偶数番目又は奇数番目の配線は基準電位に接続され、奇数番目又は偶数番目の配線には電圧が印加され、
周囲側面全部に上記ヒータが形成された上記グレーティング部が、一部が基板表面から突出するようにして基板上に形成された溝に勘合し、上記複数の配線である複数の金属線により上からまたぐようにして押さえつけられて基板上に固定されている、
ことを特徴とする可変分散補償器。 - グレーティング部を有する光ファイバと、上記グレーティング部に所望の温度分布を与えるために加熱する加熱手段と、上記加熱手段の与える温度分布を制御するための制御手段と、を備え、上記グレーティング部の群遅延時間特性を制御する可変分散補償器であって、上記加熱手段が、上記グレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡って延びる電気的抵抗を有するひと繋がりの導電体からなるヒータと、上記ヒータに上記長手方向に沿ったそれぞれの位置で電気的に接続された複数の配線とを有し、上記制御手段が上記各配線に電圧を個別に制御して印加して給電を行い、
上記電圧は予め定めた周期で繰り返し印加され、さらにこの周期が等分された第１および第２のサブ周期から構成され、第１のサブ周期では奇数番目又は偶数番目の配線は基準電位に接続され、偶数番目又は奇数番目の配線には電圧が印加され、第２のサブ周期では偶数番目又は奇数番目の配線は基準電位に接続され、奇数番目又は偶数番目の配線には電圧が印加され、
上記各配線が基板上に形成された金属パターンからなり、周囲側面全部に上記ヒータが形成された上記グレーティング部が上記基板上の上記金属パターン上に設けられ、上記基板の上記グレーティング部が置かれた領域の上記金属パターンが形成されていない部分を、空気層を得るための溝部とした、
ことを特徴とする可変分散補償器。 - グレーティング部を有する光ファイバと、上記グレーティング部に所望の温度分布を与えるために加熱する加熱手段と、上記加熱手段の与える温度分布を制御するための制御手段と、を備え、上記グレーティング部の群遅延時間特性を制御する可変分散補償器であって、上記加熱手段が、上記グレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡って延びる電気的抵抗を有するひと繋がりの導電体からなるヒータと、上記ヒータに上記長手方向に沿ったそれぞれの位置で電気的に接続された複数の配線とを有し、上記制御手段が上記各配線に電圧を個別に制御して印加して給電を行い、
上記電圧は予め定めた周期で繰り返し印加され、さらにこの周期が等分された第１および第２のサブ周期から構成され、第１のサブ周期では奇数番目又は偶数番目の配線は基準電位に接続され、偶数番目又は奇数番目の配線には電圧が印加され、第２のサブ周期では偶数番目又は奇数番目の配線は基準電位に接続され、奇数番目又は偶数番目の配線には電圧が印加され、
上記ヒータが、上記グレーティング部の直径より大きい内径を有する円筒の外周又は内周に形成され、上記円筒内に上記グレーティング部が挿入されてなる、
ことを特徴とする可変分散補償器。 - 光ファイバのグレーティング部の長手方向の少なくとも全長に渡ってひと繋がりの導電体からなるヒータを形成する工程と、
基板側に上記ヒータに個々に給電するための複数の金属線を形成する工程と、
上記ヒータが上記複数の金属線上で支持されかつ各金属線に電気的に接触するように上記光ファイバを基板上に載置する工程と、
上記グレーティング部を複数の固定用金属線で上記複数の金属線上に固定する工程と、
を備えたことを特徴とする可変分散補償器の製造方法。 - 上記ヒータに金メッキあるいはスズメッキ、上記複数の金属線にスズメッキあるいは金メッキをそれぞれ予め施す工程と、上記グレーティング部を金属線上に固定する工程後に金メッキとスズメッキの界面で金スズ合金が形成されるように少なくとも上記ヒータと金属線との接触部分を加熱する工程と、をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の可変分散補償器の製造方法。
- 上記加熱する工程において、上記ヒータに電流を流すことを特徴とする請求項７に記載の可変分散補償器の製造方法。
- 光ファイバをグレーティング部の長手方向に沿って電気的接続および固定のための複数の金属線で基板上に固定する工程と、
上記グレーティング部および金属線の基板と反対の上面側にひと繋がりの導電体からなるヒータを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする可変分散補償器の製造方法。
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