JP5357895B2 - アイピースおよびそれを用いたチューナブル波長分散補償器 - Google Patents

Description

本発明は、光ネットワーク分野に関し、具体的にはアイピース（ｅｙｅ ｐｉｅｃｅ）、ならびにアイピースおよび平面光波回路（ＰＬＣ：Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）デバイスを用いたチューナブル波長分散補償器に関し、波長分散補償器においてはこのアイピースはチューニング可能性のために決定的に重要である。

波長分散補償は、光ネットワークのために必要であり、チューニング可能性は再構成可能な、すなわち機動的なネットワークのために重要である。現在のチューナブルな方法は、特定の波長範囲（たとえばＣバンド）にわたって光ファイバの波長分散スロープを補償することはできず、これは、波長分散の大きさはチューニングできるが、ＤＷＤＭシステムにとって重要な問題である。

従来の波長分散補償器は特に設計された光ファイバを用いており、これは高価であり、チューニングできない。次世代光ネットワークは、より安価で機動的なデバイスが必要であり、したがってチューニング可能性および再構成可能性は望ましい。チューナブル分散補償は、次世代光ネットワークの機動性を実現するための阻害要因の１つである。いくつかのチューナブル分散補償モジュール（ＤＣＭ：ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ）、たとえばファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）およびエタロンベースのＤＣＭが開発されているが、これらは通信のために用いられるファイバの分散スロープを補償することはできないので不十分である（非特許文献１（Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｒ．Ｄｏｅｒｒ、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔｓ」、２００６年３月５〜１０日、ＯＦＣ２００６）を参照されたい）。

図１は、光ファイバ１０１に入る前（１００）、光ファイバ１０１を出た後で分散補償器１０２に入る前（１２０）、および分散補償器１０２を出た後（１４０）の光パルスを示す。光パルスは、様々な波長成分からなる。媒体、たとえば単一モード光ファイバ（図１の１０１を参照）を通って進むときに、光の異なる成分は異なる速度を有し、それによりある距離を進んだ後にはこれらの波長成分は分散され、分散の程度は媒体の進行距離に比例する（図１の１２０を参照）。異なる波長成分の分散は光パルスの形状の「歪」を引き起こし、それによりデジタル・ネットワークの伝送特性を低下させる。波長分散の補償により「歪んだ」光パルスを復元することができ、したがってデジタル・ネットワークの伝送特性が改善される。

将来の光ネットワークは再構成可能性を必要とし、その理由は、光パルスに必要な進行距離は様々なネットワーク構成と共に変わり得るので、その結果として補償されるべき分散の大きさもまた再構成可能すなわちチューニング可能であるべきだからである。

具体的には図２は、機動的な光ネットワークにおけるチューナブル波長分散補償器（ＴＣＤＣ：Ｔｕｎａｂｌｅ Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）の使用を示す概略図である。図２に示されるように、光ルータ２０１によってネットワーク伝送構成を第１の構成ＡからＢを、第２の構成ＡからＣに変更すると、伝送距離もＡ〜ＢからＡ〜Ｃに変化し、この場合は再構成可能性を実現するためにチューナブル波長分散補償器（ＴＣＤＣ）２０２が必要となる。

図３は、チューナブル波長分散補償器（ＴＣＤＣ）２０２の概略的全体図を示す。単一チャネルＴＣＤＣ２０２は、主として分散回折格子３０１、テレスコープ構造体（３０２および３０３）、単一モード導波路３０４、および接線結合回折格子３０５からなる。分散回折格子３０１は光を小さな角度に分散し、対物レンズ３０２およびアイピース３０３からなるテレスコープ構造体は、ｆ_ｏおよびｆ_ｅをそれぞれ対物レンズおよびアイピース３０３の焦点距離としたときに、この角度をｆ_ｏ／ｆ_ｅ倍だけ拡大することができる。アイピース３０３を出た光は、円弧状接線結合回折格子３０５によって円弧状単一モード導波路３０４に結合され、それによりピグテールを出た後では異なる色は異なる遅延を受け、したがって分散が補償される。円弧の半径がｒ、分散された角度が２θである場合は、補償することができる最大分散距離は２ｒθとなる。

前述のように、「最大補償分散距離」は、

補償される分散の大きさは、図３に示されるようにテレスコープ構造体（３０２および３０３）の倍率を変えることによってチューニングすることができる。この解決策では対物レンズ３０２の焦点距離は固定であるので、可変焦点距離を有する形状可変鏡をアイピース３０３のために用いることができる。圧電アクチュエータを用いた形状可変鏡の一種は、Ｃｈｒｉｓ Ｒ．Ｄｏｅｒｒによる出版物（非特許文献２（Ｃ．Ｒ．Ｄｏｅｒｒ外、「４０−Ｇｂ／ｓ ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｗｉｔｈ １０００−ｐｓ／ｎｍ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ａ ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ａ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ」（２００５年３月６〜１０日、ＯＦＣ２００５）を参照されたい）において提案されている。

本発明は、将来の動的に再構成可能な光ネットワーク用に、「チューナブルＤＣＭ」に関する上記の問題を克服することを意図するものである。

Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｒ．Ｄｏｅｒｒ、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔｓ」（２００６年３月５〜１０日、ＯＦＣ２００６） Ｃ．Ｒ．Ｄｏｅｒｒ外、「４０−Ｇｂ／ｓ ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ ｔｕｎａｂｌｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ ｗｉｔｈ １０００−ｐｓ／ｎｍ ｔｕｎｉｎｇ ｒａｎｇｅ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ａ ｐｌａｎａｒ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ａ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ」（２００５年３月６〜１０日、ＯＦＣ２００５） Ｆ．Ｖａｎ Ｌａｅｒｅ外、「Ｃｏｍｐａｃｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗｉｒｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ６９％ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」（２００６年３月５〜１０日、ＯＦＣ２００６） Ｂｉｎ Ｗａｎｇ外、「Ｃｏｍｐａｃｔ ｓｌａｎｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ」（２００４年７月２６日、１２巻１５号、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３３１３）

本発明の目的は、将来の動的に再構成可能な光ネットワーク用に「チューナブルＤＣＭ」に関する上記の問題を克服するために、光ネットワーク用に用いられるアイピースおよびそれを用いたチューナブル波長分散補償器を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、チューナブル波長分散補償器に用いるためのアイピースが提案され、このアイピースは、第１の金属から作られた第１のストリップと、第１のストリップに取り付けられ、第２の金属から作られた第２のストリップと、第１および第２のストリップを加熱／冷却するために、第２のストリップに取り付けられた加熱器／冷却器と、チューナブル波長分散補償器内のアイピースの位置を保つために、加熱器／冷却器に取り付けられたチューナブル位置決めバーとを備え、第１の金属および第２の金属は互いに異なる膨張係数を有し、それにより温度の変化に応答して、アイピースの形状は第１の形状から第２の形状に変化される。

好ましくは第１の形状は凹面形状で、第２の形状は凸面形状であり、または第１の形状は凸面形状で、第２の形状は凹面形状である。

好ましくは第１の金属は、第２の金属よりも小さな膨張係数を有する。別法として第１の金属は、第２の金属よりも大きな膨張係数を有する。

好ましくは第１の金属は、波長分散が補償されるべき波長範囲内の光を反射するのに適する。別法としてアイピースは、第１のストリップ上に取り付けられ、波長分散が補償されるべき波長範囲内の光を反射するのに適した反射フィルムをさらに備える。

好ましくは加熱器／冷却器は、熱電冷却器である。

好ましくはチューナブル位置決めバーは圧電トランスデューサであるか、または大きな熱膨張係数を有する第３の金属から作られる。より好ましくは第３の金属は、第２の金属と同じである。

本発明の第２の態様によれば、本発明によるアイピースを備えるチューナブル波長分散補償器が提案される。

好ましくはチューナブル波長分散補償器は、対物レンズと、円弧状接線カプラと、円弧状単一モード導波路と、分散回折格子とをさらに備え、入力された光は分散回折格子にて対物レンズへ分散され、対物レンズの焦点面はアイピースと重なり、アイピースは円弧状接線カプラの円弧のほぼ中心に位置し、円弧状単一モード導波路は円弧状接線カプラと平行であり、円弧状接線カプラは光を接線方向に円弧状単一モード導波路内へ結合する。

好ましくはチューナブル波長分散補償器は、粗い回折格子をさらに備え、分散回折格子はチャネル回折格子アレイによって形成され、それにより入力された光は最初に粗い回折格子にて異なるチャネルに従って分散され、次いでチャネル回折格子アレイ上に投射される。

好ましくはチューナブル波長分散補償器は、チャネル回折格子アレイ上に取り付けられ、チャネル回折格子アレイに沿って波長分散スロープを補償するために望ましい温度分布を生じるように制御される加熱器／冷却器をさらに備える。より好ましくは温度分布は、チャネル回折格子に沿って直線的に増加／減少する温度分布である。

本発明の上記その他の目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せ読まれる本発明の非限定的な実施形態についての以下の詳細な説明から、より明らかになるであろう。

前述した、分散され復元された光パルスを示す概略図である。 前述した、機動的な光ネットワークでのＴＣＤＣの使用を示す概略図である。 前述した、チューナブル波長分散補償器（ＴＣＤＣ）の概略的全体図である。 テレスコープにおいて本発明によりもたらされるチューナブル・アイピースを示す図である。 （テレスコープの）アイピースから単一モード導波路への分散された光の接線結合を示す図である。 複数チャネルＴＣＤＣの概略的全体図である。

ここでは、図面に従って本発明について説明する。以下の説明では、いくつかの特定の実施形態が説明の目的のためのみに用いられ、これは本発明を何ら限定するものではなく、その実施例として理解されるべきである。本発明の理解を不明瞭にし得るので、従来の構造または構成は省略する。

図４は、テレスコープにおいて本発明によりもたらされるチューナブル・アイピース４０３を示す。図４に示されるようにアイピース４０３は、金属Ａから作られ、金属Ｂから作られたストリップ４０３２上に取り付けられた凹面鏡４０３１であり、金属Ａと金属Ｂは異なる熱膨張係数を有する。たとえば金属Ａはより小さな熱膨張係数を有することができ、金属Ｂはより大きな熱膨張係数を有することができる。たとえば金属Ａは鉄（Ｆｅ）で、金属Ｂは銅（Ｃｕ）であり、それによりアイピース４０３は加熱されたときには凸面鏡から凹面鏡に変化され、アイピース４０３は冷却されたときには凹面鏡から凸面鏡に変化される。別法として、金属Ａとして銅（Ｃｕ）を用い、金属Ｂに鉄（Ｆｅ）を用いるなど、金属Ａはより大きな熱膨張係数を有することができ、金属Ｂはより小さな熱膨張係数を有することができ、それによりアイピース４０３は加熱されたときには凹面鏡から凸面鏡に変化され、アイピース４０３は冷却されたときには凸面鏡から凹面鏡に変化される。さらに、金属Ａ（たとえば、金（Ａｕ））、またはその上に形成された反射フィルム（たとえば、金（Ａｕ）フィルム）（図示せず）は、波長分散が補償されるべき波長範囲内の光を反射するのに適していることに留意されたい。ＴＥＣ：ｔｈｅｒｍａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ（熱電冷却器）４０３３は、金属Ａと逆の反対側にある金属ストリップＢ上に取り付けられる。ＴＥＣ４０３３によって加熱または冷却されると、凹面鏡の焦点距離（すなわちその半径の半分）は金属ストリップＡと金属ストリップＢの異なる膨張により変化することになる。アイピース４０３が凹面鏡から凸面鏡に変化したときは、補償される分散の符号は正から負に変化することになる。チューナブル位置決めバー４０３４はアイピース上に取り付けられ、その長さは、たとえばＰＺＴ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（圧電トランスデューサ）などの電気的手段、またはたとえばＴＥＣと組み合わせた大きな熱膨張係数を有する金属などの熱的手段によって変化させることができる。チューナブル位置決めバー４０３４の目的は、図３に示されるようなテレスコープ構造体（３０２および３０３）が十分にチューニングされた状態に保つことであり、すなわち言い換えれば、アイピース３０３の焦点距離が変化される間に、対物レンズ３０２の焦点面とアイピース３０３が十分に重なるように保つことである。

図５は、アイピース５０３、および平面光波回路（ＰＬＣ）デバイス（５００１〜５００５）を示し、ここで（テレスコープの）アイピース５０３からの分散された光は、単一モード導波路５００４に接線方向に結合される。接線結合回折格子５００３は、光を接線方向に結合するように、すなわち言い換えれば入射光と垂直に光を出力するように設計され、それにより回折格子５００３を出た光は、回折格子５００３自体と平行な単一モード導波路５００４に入るようになる。この種の回折格子カプラは、６０〜７０％の結合効率を有することが報告されている（非特許文献３（Ｆ．Ｖａｎ Ｌａｅｒｅ外、「Ｃｏｍｐａｃｔ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗｉｒｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ６９％ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」（２００６年３月５〜１０日、ＯＦＣ２００６）、および非特許文献４（Ｂｉｎ Ｗａｎｇ外、「Ｃｏｍｐａｃｔ ｓｌａｎｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ」（２００４年７月２６日、第１２巻第１５号、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３３１３）を参照されたい）。さらに図５に示されるように、円弧状接線結合回折格子５００３に対するアイピース５０３の相対的な位置決めは、アイピース５０３が常に円弧のほぼ中心、すなわち円弧状接線結合回折格子５００３から半径「ｒ」だけ離れて位置することである。

図６は、複数チャネルＴＣＤＣの概略的全体図を示す。図６には、３チャネルＴＣＤＣ６００が示される。チャネル数は、より大きく４０以上などとすることができる。単一チャネルＴＣＤＣ２０２と比べた、複数チャネルＴＣＤＣ６００の相違点は、入力光からチャネルを分散するために「粗い回折格子６００１」を使用することであり、チャネルは、単一チャネルＴＣＤＣ２０２の場合のようなただ１つの回折格子３０１の代わりに、回折格子アレイ６０１上に投射されるようになる。複数チャネルＴＣＤＣ６００の残りの部分は、単一チャネルＴＣＤＣ２０２と同じ設計を共有する。回折格子アレイ６０１上のすべての回折格子は、チャネルの中心波長を平行に回折することができる。したがってすべてのチャネルは、テレスコープ構造体（３０２および３０３）の焦点面上の同じ画像領域を共有する。チャネル回折格子アレイ６０１上のＴＥＣ６００２は、回折格子アレイ６０１に沿って所望の温度分布（勾配）、たとえば直線的に増加／減少する温度分布を生じるように制御することができ、回折格子アレイ６０１は、通信システムでの必要に応じてスロープ補償を得るように回折格子の周期を変化させることができる。

したがって本発明によれば、本発明のＴＣＤＣは以下の技術的利点を得ることができる。

１．チューナブルであること：補償される分散の大きさは、アイピースに取り付けられたＴＥＣを用いてアイピースの焦点距離を調整することによってチューニングすることができる。たとえば、２θ＝π／４およびｒ＝２００ｍｍの場合は、分散長はＬ＝２ｒθ＝２×２００ｍｍ×π／４＝０．３１４ｍとなり、導波路内の光の速度をＶ＝２×１０^８ｍ／ｓ、および有効帯域幅をＢ＝０．５ｎｍと仮定すると、補償される分散の大きさは、ＣＤ＝Ｌ／（Ｂ×Ｖ）＝０．３１４／（０．５×２×１０^８）＝３１４０ｐｓ／ｎｍとなり、補償される分散の符号はアイピースによって決まり、アイピースが凹面鏡のときは符号は正となり、アイピースが凸面鏡のときは符号は負となる。

２．複数チャネル動作：ＤＷＤＭシステム用の分散補償に適しており、たとえば８０チャネルＤＷＤＭシステム用に、８０回折格子アレイを設計することができる。

３．スロープ補償：分散スロープは、チャネル回折格子アレイに沿って特定の温度分布（勾配）を導入することによって補償することができ、参考文献１（Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｒ．Ｄｏｅｒｒ、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐａｉｒｍｅｎｔｓ」２００６年３月５〜１０日、ＯＦＣ２００６）によれば、他のいずれのチューナブル分散補償方法も分散スロープを補償することはできないので、この特徴は本発明をより魅力的かつ実用的にする。

広帯域であり、従属接続が可能であること：他の補償の解決策とは異なり、本発明は非常に広い通過帯域を有し、それにより長い光リンクにおいて従属接続することができる。

上記の実施形態は例示のためのみに示され、本発明を限定するものではない。本発明の範囲および趣旨から逸脱せずに、実施形態への様々な変更および置き換えが可能であり、それらは添付の特許請求の範囲によって定義される範囲に属すべきであることが当業者により理解されるべきである。

Claims (14)

1. チューナブル波長分散補償器に用いるためのアイピースであって、
   第１の金属から作られた第１のストリップと、
   前記第１のストリップに取り付けられ、第２の金属から作られた第２のストリップと、
   前記第１および第２のストリップを加熱／冷却する、前記第２のストリップに取り付けられた加熱器／冷却器と、
   前記チューナブル波長分散補償器内の前記アイピースの位置を保つ、前記加熱器／冷却器に取り付けられたチューナブル位置決めバーとを備え、
   前記第１の金属および前記第２の金属は互いに異なる膨張係数を有し、それにより温度の変化に応答して、前記アイピースの形状は第１の形状から第２の形状に変化する、アイピース。
2. 前記第１の形状が凹面形状であり前記第２の形状が凸面形状である、または、前記第１の形状が凸面形状であり前記第２の形状が凹面形状である、請求項１に記載のアイピース。
3. 前記第１の金属が前記第２の金属よりも小さな膨張係数を有する、請求項１に記載のアイピース。
4. 前記第１の金属が前記第２の金属よりも大きな膨張係数を有する、請求項１に記載のアイピース。
5. 前記第１の金属は、波長分散が補償されるべき波長範囲内の光を反射するのに適する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアイピース。
6. 前記第１のストリップ上に取り付けられた、波長分散を補償すべき波長範囲内の光を反射するのに適した反射フィルムをさらに備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアイピース。
7. 前記加熱器／冷却器が熱電冷却器である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアイピース。
8. 前記チューナブル位置決めバーが圧電トランスデューサであるか、または大きな熱膨張係数を有する第３の金属から作られる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアイピース。
9. 前記第３の金属が前記第２の金属と同じである、請求項８に記載のアイピース。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアイピースを備える、チューナブル波長分散補償器。
11. 対物レンズと、
    円弧状接線カプラと、
    円弧状単一モード導波路と、
    分散回折格子とをさらに備え、入力された光は前記分散回折格子にて前記対物レンズへ分散され、前記対物レンズの焦点面は前記アイピースと重なり、前記アイピースは前記円弧状接線カプラの円弧のほぼ中心に位置し、前記円弧状単一モード導波路は前記円弧状接線カプラと平行であり、そして、
    前記円弧状接線カプラは前記光を接線方向に前記円弧状単一モード導波路内に結合する、請求項１０に記載のチューナブル波長分散補償器。
12. 粗い回折格子をさらに備え、前記分散回折格子はチャネル回折格子アレイによって形成され、それにより前記入力された光は最初に前記粗い回折格子にて異なるチャネルに従って分散され、次いで前記チャネル回折格子アレイ上に投射される、請求項１１に記載のチューナブル波長分散補償器。
13. 前記チャネル回折格子アレイ上に取り付けられ、前記チャネル回折格子アレイに沿って波長分散スロープを補償するために望ましい温度分布を生じるように制御される加熱器／冷却器をさらに備える、請求項１２に記載のチューナブル波長分散補償器。
14. 前記温度分布が、前記チャネル回折格子に沿って直線的に増加／減少する温度分布である、請求項１３に記載のチューナブル波長分散補償器。