JP5406140B2 - Dispersion compensator using spatial light modulator and design method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、空間光変調器を用いた分散補償器及びその設計方法に関する。   The present invention relates to a dispersion compensator using a spatial light modulator and a design method thereof.

近年、光通信ネットワークの高度化に伴って、従来の2点地間を結んだポイント・ツー・ポイントの光通信ネットワークから、リング或いはメッシュ形の光通信ネットワークの検討がなされている。リング・メッシュ構成の光通信ネットワークでは、光信号を一旦電気信号に変換することなく光のままでパス変更を行うことができる波長選択形の光スイッチが用いられ、通信需要の変化に対応して光パスの切替えを柔軟に行えるようにしている。このような光通信ネットワークでは、光パスの切替えに伴ってパスの長さ、すなわち光信号が伝搬する光ファイバの長さが変化し、その結果、波長分散値が大きく変化することになる。信号光パルスは光ファイバ伝搬中に波長分散値の影響でパルス幅(時間的広がり)が広がって隣り合うパルスが重なる結果、通信品質が劣化することになる。そのため、光通信システムにおいて波長分散を補償する必要があるが、システム運用中に波長分散値が変化する場合には可変波長分散補償器が必要となる。   In recent years, with the advancement of optical communication networks, a ring or mesh type optical communication network has been studied from the conventional point-to-point optical communication network connecting two points. A ring-mesh optical communication network uses wavelength-selective optical switches that can change the path of the optical signal without converting it once into an electrical signal. The optical path can be switched flexibly. In such an optical communication network, the length of the path, that is, the length of the optical fiber through which the optical signal propagates changes with the switching of the optical path, and as a result, the chromatic dispersion value changes greatly. The signal light pulse has a pulse width (temporal spread) that is spread by the influence of the chromatic dispersion value during propagation through the optical fiber, and as a result, adjacent pulses overlap each other, resulting in a deterioration in communication quality. Therefore, although it is necessary to compensate for chromatic dispersion in an optical communication system, a variable chromatic dispersion compensator is required when the chromatic dispersion value changes during system operation.

可変波長分散補償器にはいくつかの種類があるが、その中でも回折格子と空間位相変調器を用いたタイプは、多波長に対して波長毎に異なる分散補償値を与えることができるため有望なものとなっている(特許文献1参照)。可変波長分散補償器は、回折格子で分波された複数波長の信号光を、レンズを介して空間位相変調器上へ集光させる構成となっている。空間位相変調器は、位相付与素子がピクセル化しており、複数の位相付与素子で所望の位相シフト関数を再現し、信号光へ位相シフトを与えることで、信号光の波長分散を補償する。このとき、位相シフトによる波長分散Dは、次式で与えられる。   There are several types of tunable dispersion compensators. Among them, the type using a diffraction grating and a spatial phase modulator is promising because it can provide different dispersion compensation values for each wavelength for multiple wavelengths. (See Patent Document 1). The variable wavelength dispersion compensator is configured to condense signal light having a plurality of wavelengths demultiplexed by a diffraction grating onto a spatial phase modulator via a lens. In the spatial phase modulator, the phase applying element is formed into a pixel, and a desired phase shift function is reproduced by a plurality of phase applying elements, and phase shift is given to the signal light to compensate the wavelength dispersion of the signal light. At this time, the chromatic dispersion D due to the phase shift is given by the following equation.

Figure 0005406140
Figure 0005406140

ここで、λ0は信号光波長、cは真空中の光速度、dx/dλは回折格子が空間位相変調器上に与える線分散、φ(x)は位相シフト関数(xは空間位相変調器上の軸)である。このとき、位相シフト関数を Where λ 0 is the signal light wavelength, c is the speed of light in vacuum, dx / dλ is the linear dispersion that the diffraction grating gives to the spatial phase modulator, φ (x) is the phase shift function (x is the spatial phase modulator) (Upper axis). At this time, the phase shift function is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

のように2次関数にすることで、分散補償値が得られる。ここで、aは所望する波長分散補償値に依存する定数である。 A dispersion compensation value can be obtained by using a quadratic function as shown in FIG. Here, a is a constant depending on the desired chromatic dispersion compensation value.

特開2009−157259号公報JP 2009-157259 A

しかしながら、位相付与素子がピクセル化した空間位相変調器は、位相付与素子が有限の大きさを持つため、適切な大きさで空間位相変調器上に位相シフト関数を再現する必要がある。また、空間位相変調器上に集光された信号光のスポットサイズについては、その大きさが小さすぎるとオーバーラップする位相付与素子の数が少なくなり、位相シフト関数を感じることができなくなる。反対に、空間位相変調器上に集光された信号光のスポットサイズが大きすぎても、位相シフト関数がぼやけてしまい、適切な位相シフトを信号光に与えることができなくなる。   However, in the spatial phase modulator in which the phase applying element is converted into a pixel, the phase providing element has a finite size. Therefore, it is necessary to reproduce the phase shift function on the spatial phase modulator with an appropriate size. In addition, regarding the spot size of the signal light collected on the spatial phase modulator, if the size is too small, the number of overlapping phase imparting elements decreases, and the phase shift function cannot be felt. On the other hand, if the spot size of the signal light collected on the spatial phase modulator is too large, the phase shift function is blurred and an appropriate phase shift cannot be given to the signal light.

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、その目的は、空間光変調器を用いた分散補償器であって、所望の位相シフト関数を再現することのできるものを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a dispersion compensator using a spatial light modulator, which can reproduce a desired phase shift function.

このような目的を達成するために、本発明の第の態様は、複数波長の信号光が波長多重された波長多重信号光を、波長毎に分波する分光素子と、光に対して位相シフトを与える位相付与素子を複数有する空間位相変調器と、前記分光素子により分波された波長毎の信号光を、前記空間位相変調器に集光させる集光レンズとを備える分散補償器の設計方法であって、前記空間位相変調器に集光された前記波長毎の信号光の空間的広がりを一定範囲内に制限し、前記空間的広がりを、前記空間位相変調器に集光された前記波長毎の信号光が、それぞれ前記空間位相変調器上で占有する幅に含まれる位相付与素子数Nにより規定し、前記位相付与素子数Nを、次式で与えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a spectroscopic element that demultiplexes wavelength-division multiplexed signal light, which is obtained by wavelength-multiplexing signal light having a plurality of wavelengths, for each wavelength, and a phase with respect to the light Design of a dispersion compensator comprising a spatial phase modulator having a plurality of phase providing elements for giving a shift, and a condensing lens for condensing the spatial phase modulator with signal light for each wavelength demultiplexed by the spectroscopic element In the method, the spatial spread of the signal light for each wavelength collected on the spatial phase modulator is limited within a certain range, and the spatial spread is collected on the spatial phase modulator. The signal light for each wavelength is defined by the number N of phase imparting elements included in the width occupied on the spatial phase modulator, and the number N of phase imparting elements is given by the following equation.

Figure 0005406140
Figure 0005406140

ただし、rは1未満の値である。 However, r is a value less than 1.

また、本発明の第の態様は、第の態様において、前記位相付与素子数Nを24以上とすることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the number N of phase imparting elements is 24 or more.

また、本発明の第の態様は、第の態様において、前空間的広がりを、ガウス分布ビームのスポットサイズwによりさらに規定し、前記スポットサイズwの範囲を、次式で制限することを特徴とする。 Further, the third aspect of the present invention is that, in the first aspect, the pre-spatial spread is further defined by the spot size w of the Gaussian beam, and the range of the spot size w is limited by the following equation. Features.

Figure 0005406140
Figure 0005406140

であり、Xは前記空間位相変調器が有する位相付与素子の幅、Nは前記空間位相変調器に集光された前記波長毎の信号光が、それぞれ前記空間位相変調器上で占有する幅に含まれる位相付与素子数を表し、q、p及びTは0より大きく1未満の値をとる。 Where X is the width of the phase imparting element of the spatial phase modulator, and N is the width occupied by the signal light for each wavelength collected on the spatial phase modulator on the spatial phase modulator. This represents the number of phase imparting elements included, and q, p, and T take values greater than 0 and less than 1.

また、本発明の第の態様は、第の態様において、前記q、p及びTを、q≦0.1、p≧0.5、T≧0.5を満たすようにすることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the q, p, and T satisfy q ≦ 0.1, p ≧ 0.5, and T ≧ 0.5. And

本発明によれば、波長多重信号光を分波して空間位相変調器に集光する分散補償器において、空間位相変調器に集光された波長毎の信号光の空間的広がりを一定範囲内に制限することにより、空間光変調器を用いた分散補償器であって、所望の位相シフト関数を再現することのできるものを提供することができる。   According to the present invention, in the dispersion compensator for demultiplexing the wavelength multiplexed signal light and condensing it on the spatial phase modulator, the spatial spread of the signal light for each wavelength collected on the spatial phase modulator falls within a certain range. By limiting to the above, it is possible to provide a dispersion compensator using a spatial light modulator that can reproduce a desired phase shift function.

位相シフト関数の空間周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spatial frequency spectrum of a phase shift function. 位相シフト関数の空間周波数スペクトルを表す包絡線関数のパラメータΔξと1つの信号光が占有する空間位相変調器上の範囲のパラメータx0との関係を示す図である。Is a diagram showing a relationship between parameters x 0 in the range on the spatial phase modulator parameters Δξ and one signal light of the envelope function occupies representing the spatial frequency spectrum of the phase shift function. 有限幅の位相付与素子で位相関数を表現することを説明する図である。It is a figure explaining expressing a phase function with a phase grant element of finite width. 位相シフト関数、ゼロ次ホールダ、ガウス分布の光ビームの空間周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spatial frequency spectrum of the light beam of a phase shift function, a zero order holder, and a Gaussian distribution. 本発明の実施例に係る分散補償器を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the dispersion compensator which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る分散補償器の分散補償特性を示した図である。It is the figure which showed the dispersion compensation characteristic of the dispersion compensator which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る分散補償器の比較として、本発明の技術範囲外の分散補償器の分散補償特性を示した第1の図である。FIG. 3 is a first diagram showing dispersion compensation characteristics of a dispersion compensator outside the technical scope of the present invention as a comparison of dispersion compensators according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例に係る分散補償器の比較として、本発明の技術範囲外の分散補償器の分散補償特性を示した第2の図である。FIG. 7 is a second diagram showing dispersion compensation characteristics of a dispersion compensator outside the technical scope of the present invention as a comparison of the dispersion compensator according to the embodiment of the present invention. 本発明の実施例に係る分散補償器の比較として、本発明の技術範囲外の分散補償器の分散補償特性を示した第3の図である。FIG. 6 is a third diagram showing dispersion compensation characteristics of a dispersion compensator outside the technical scope of the present invention as a comparison of the dispersion compensator according to the embodiment of the present invention. 信号波長数が200で、一波長が占有する位相付与素子数N=10の場合の分散補償値を示す図である。It is a figure which shows the dispersion compensation value in case the number of signal wavelengths is 200 and the number of phase providing elements N = 10 occupied by one wavelength.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。まず、本発明に係る分散補償器の原理について説明し、その次に、実施例を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of the dispersion compensator according to the present invention will be described, and then an embodiment will be described.

(本発明に係る分散補償器の原理)
本発明に係る分散補償器は、ピクセル化した位相付与素子を備え、空間位相変調器上に集光する1つの波長の信号光が占有する幅に含まれる位相付与素子数と、集光された信号光のスポットサイズを制限していることを最も主要な特徴とする。空間位相変調器に集光された波長毎の信号光の空間的広がりが一定範囲内に制限されていると言うことができる。
(Principle of dispersion compensator according to the present invention)
A dispersion compensator according to the present invention includes a pixelated phase imparting element, and the number of phase imparting elements included in the width occupied by the signal light of one wavelength condensed on the spatial phase modulator is collected. The most important feature is that the spot size of the signal light is limited. It can be said that the spatial spread of the signal light for each wavelength collected by the spatial phase modulator is limited within a certain range.

空間位相変調器上の複数のピクセル化した位相付与素子で位相シフト関数を作ることで、その位相シフト関数は離散化関数となる。そのため、空間位相変調器上へ位相シフト関数を作り出す際には、離散化の影響を考慮する必要がある。   By creating a phase shift function with a plurality of pixelated phase imparting elements on the spatial phase modulator, the phase shift function becomes a discretization function. Therefore, it is necessary to consider the influence of discretization when creating a phase shift function on the spatial phase modulator.

一波長の信号光が占有する空間位相変調器上の幅を−x0≦x≦x0とすると、位相シフト関数φ(x)は、 When the width on the spatial phase modulator occupied by the signal light of one wavelength is −x 0 ≦ x ≦ x 0 , the phase shift function φ (x) is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

と書ける。φ(x)を一定間隔でサンプリングした場合は、ディジタル信号処理分野の離散時間非周期信号と同様な考え方で、位相シフト関数は離散空間非周期信号と考えることができる。この場合、位相シフト関数のスペクトルを求めるには離散時間フーリエ変換(DTFT: Discrete-Time Fourier Transform。なお、ここでは、変数軸として空間を扱うので離散空間フーリエ変換と呼ぶこともできる。)を用いることになる。ξを空間角周波数として、φ(x)の離散時間(空間)フーリエ変換Φ(ξ)は Can be written. When φ (x) is sampled at regular intervals, the phase shift function can be considered as a discrete space aperiodic signal in the same way as a discrete time aperiodic signal in the digital signal processing field. In this case, to obtain the spectrum of the phase shift function, a discrete-time Fourier transform (DTFT: Discrete-Time Fourier Transform. Here, since space is treated as a variable axis, it can also be called a discrete space Fourier transform). It will be. With ξ as the spatial angular frequency, the discrete time (spatial) Fourier transform Φ (ξ) of φ (x) is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となる。ここで、N=2M、s=e-jξとおくと It becomes. Where N = 2M and s = e −jξ

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となる。また、Φ(0)については、s=0となるので、自然数の級数の和から It becomes. For Φ (0), since s = 0, the sum of the series of natural numbers

Figure 0005406140
Figure 0005406140

と表すことができる。ここで、Φ(ξ)=aΨ(ξ)とおくと、Ψ(ξ)は以下のように表現される。 It can be expressed as. Here, assuming that Φ (ξ) = aΨ (ξ), Ψ (ξ) is expressed as follows.

Figure 0005406140
Figure 0005406140

図1の実線は、N=100のときのΨ(ξ)を示す。Ψ(ξ)は振動しながら漸減するスペクトルとなっている。ここで注目すべきは、Ψ(ξ)の包絡線が比較的ローレンツ関数に近いグラフ形をしていることで、ローレンツ関数の0.5乗でフィッティングすると図1の点線のようにΦ(ξ)の包絡線を比較的よくフィッティングできる。そこで、包絡線関数Ψe(ξ)を The solid line in FIG. 1 shows Ψ (ξ) when N = 100. Ψ (ξ) has a spectrum that gradually decreases while vibrating. It should be noted here that the envelope of Ψ (ξ) has a graph shape that is relatively close to the Lorentz function. When fitting with the 0.5th power of the Lorentz function, Φ (ξ ) Can be fitted relatively well. Therefore, the envelope function Ψ e (ξ) is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

とおくことにする。様々なNの値に対して、Ψ(ξ)の極大値をΨe(ξ)でフィッティングしてパラメータΔξを求めると、図2のようにΔξ=8.2674/N1.0385となる。また、位相付与素子の幅をX(すなわち、Xはサンプリング周期と等価)としてこれを考慮すると、空間角周波数ξはξ→Xξと変換される。したがって、Φ(ξ)の包絡線関数Ψe(ξ)については、次式のようにすればよいことが分かる。 I will decide. When the maximum value of Ψ (ξ) is fitted to Ψ e (ξ) for various values of N to obtain the parameter Δξ, Δξ = 8.2674 / N 1.0385 as shown in FIG. Further, when considering the width of the phase applying element as X (that is, X is equivalent to the sampling period), the spatial angular frequency ξ is converted from ξ → Xξ. Therefore, it can be seen that the envelope function Ψ e (ξ) of Φ (ξ) may be expressed as follows.

Figure 0005406140
Figure 0005406140

さらに、位相シフト付与素子は有限幅をもっているため、サンプリングされた位相シフト関数φ(x)の様子は、図3の実線で示すような関数形となる(同図では点線でφ(x)を示している)。これはすなわち、φ(x)をゼロ次ホールダでサンプリングしたことと等価である。位相付与素子の幅がXなので、サンプリング周期Xのゼロ次ホールダのフーリエ変換H0(ξ)は、 Further, since the phase shift imparting element has a finite width, the state of the sampled phase shift function φ (x) has a function form as shown by a solid line in FIG. 3 (in the figure, φ (x) is represented by a dotted line). Shown). This is equivalent to sampling φ (x) with a zero-order holder. Since the width of the phase applying element is X, the Fourier transform H 0 (ξ) of the zero-order holder of the sampling period X is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となり、その振幅は And its amplitude is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となる(ここではsinc(x)=sin(x)/xの定義を使用。)。このため、位相シフト関数のスペクトルには|H0(ξ)|の効果も影響することになる。 (Here, the definition of sinc (x) = sin (x) / x is used). For this reason, the effect of | H 0 (ξ) | also affects the spectrum of the phase shift function.

一方、空間位相変調器上に集光されたビームスポットのスペクトルも位相シフト関数のスペクトルに影響を与える。空間位相変調器上にスポットサイズwで集光されたガウス分布のビームは   On the other hand, the spectrum of the beam spot collected on the spatial phase modulator also affects the spectrum of the phase shift function. The Gaussian beam focused on the spatial phase modulator with the spot size w is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

と表すことができる。g(x)のフーリエ変換G(ξ)は、 It can be expressed as. The Fourier transform G (ξ) of g (x) is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となる。 It becomes.

上記を総合すると、空間周波数スペクトルは図4に示すように、位相シフト関数のスペクトルが、ゼロ次ホールダ及びガウス分布ビームのスペクトルによるフィルタリング効果(低減透過フィルタ(LPF)効果)によって一部の周波数成分で減衰することになる。その結果、フィルタリングされた位相シフト関数スペクトルを逆フーリエ変換して求められる、実際に空間位相変調器上に再現される位相シフト関数に歪みが生じ(所望の関数からずれが生じ)_、波長分散補償量(或いは群遅延の波長依存性) にリプル等の原因となる。すなわち、位相シフト関数に歪みを生じさせない条件が空間位相変調器上に集光する信号光の範囲や集光された信号光のスポットサイズを決めることになる。その条件は、
(1)隣り合うスペクトルのオーバーラップを防止、
(2)高周波スペクトルの混入の防止、
(3)LPF効果による高周波成分の減衰の抑制
である。以下で、(1)〜(3)に対応する条件について説明する。
In summary, as shown in FIG. 4, the spatial frequency spectrum is obtained by filtering the phase shift function spectrum with some frequency components due to the filtering effect (reduced transmission filter (LPF) effect) by the spectrum of the zero-order holder and the Gaussian beam. Will be attenuated. As a result, the phase shift function obtained by inverse Fourier transform of the filtered phase shift function spectrum is actually distorted (deviation from the desired function) _, chromatic dispersion The compensation amount (or wavelength dependence of group delay) causes ripples. That is, the condition that does not cause distortion in the phase shift function determines the range of the signal light collected on the spatial phase modulator and the spot size of the collected signal light. The condition is
(1) Preventing overlapping of adjacent spectra,
(2) Prevention of high frequency spectrum contamination,
(3) Suppression of attenuation of high frequency components due to the LPF effect. Hereinafter, conditions corresponding to (1) to (3) will be described.

(1)隣り合うスペクトルのオーバーラップを防止
隣り合うスペクトルの重なりを防ぐ条件は、位相シフト関数のスペクトルがξ=π/Xで十分小さいことであるので、Φ(π/X)/Φ(0)が十分小さくなることに等しい。すなわち、rを1未満の値として、
(1) Prevention of overlapping of adjacent spectra The condition for preventing the overlapping of adjacent spectra is that the spectrum of the phase shift function is sufficiently small at ξ = π / X, so Φ (π / X) / Φ (0 ) Is sufficiently small. That is, r is a value less than 1, and

Figure 0005406140
Figure 0005406140

が条件である。この式から、 Is a condition. From this formula:

Figure 0005406140
Figure 0005406140

が得られる。 Is obtained.

(2)高周波スペクトルの混入の防止
ゼロ次ホールダによるLPF効果でカットしきれないエイリアシング成分をガウス分布ビームのLPF効果でカットすることで、高周波スペクトルの混入による歪みを除去できる。ゼロ次ホールダによるLPF効果でカットされたエイリアシング成分をΦ1 F(ξ)とすると、
(2) Prevention of mixing of high-frequency spectrum By cutting the aliasing component that cannot be cut by the LPF effect by the zero-order holder by the LPF effect of the Gaussian distribution beam, distortion due to mixing of the high-frequency spectrum can be removed. When the aliasing component cut by the LPF effect by the zero-order holder is Φ 1 F (ξ),

Figure 0005406140
Figure 0005406140

Φ1 F(ξ)/Φ(0)を最大にするξをξmとすると、ξ=ξmにおいてガウシアンビームのスペクトルが十分に小さくなればよい。すなわち、qを1未満の値を持つ量として、 Assuming that ξ m that maximizes Φ 1 F (ξ) / Φ (0) is ξ m , the spectrum of the Gaussian beam only needs to be sufficiently small at ξ = ξ m . That is, let q be an amount having a value less than 1,

Figure 0005406140
Figure 0005406140

から、 From

Figure 0005406140
Figure 0005406140

が得られる。ただし、ξmIs obtained. Where ξ m is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

を最大にするξである。 Ξ that maximizes.

(3)LPF効果による高周波成分の減衰の抑制
LPF効果による高周波成分の減衰を抑制するには、Φ(ξ)≧p(p≦1)となる最大のξをξmax(<π/X)とすると、0≦ξ≦ξmaxでゼロ次ホールダとガウス分布ビームのLPF効果が位相シフト関数スペクトルの高周波成分をカットしないことが条件となる。ゼロ次ホールダとガウス分布ビームのLPF効果をF(ξ)とすると、
(3) Suppression of attenuation of high-frequency component by LPF effect In order to suppress attenuation of high-frequency component by LPF effect, the maximum ξ satisfying Φ (ξ) ≧ p (p ≦ 1) is set to ξ max (<π / X) Then, it is a condition that the zero-order holder and the LPF effect of the Gaussian beam do not cut the high frequency component of the phase shift function spectrum when 0 ≦ ξ ≦ ξ max . If the LPF effect of the zero-order holder and the Gaussian beam is F (ξ),

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となり、F(ξ)は0≦ξ≦ξmaxで単調に減少するので、F(ξmax)の値が問題となる。ここで、Φe(ξmax)/Φ(0)=pから、 Since F (ξ) decreases monotonously at 0 ≦ ξ ≦ ξ max , the value of F (ξ max ) becomes a problem. Here, from Φ emax ) / Φ (0) = p,

Figure 0005406140
Figure 0005406140

したがって、ξmaxにおけるF(ξ)の所要透過率をT(T≦1)とすると、 Therefore, if the required transmittance of F (ξ) at ξ max is T (T ≦ 1),

Figure 0005406140
Figure 0005406140

から From

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となるので、 So,

Figure 0005406140
Figure 0005406140

となる。 It becomes.

以上をまとめると、0<r<1、0<q<1、0<p≦1、0<T≦1に対して次の条件を満足する場合、空間位相変調器上へ、所望の位相シフト関数を、歪みを抑制して再現できる。
(a)一波長の信号光が占有する幅の位相付与素子数N
In summary, if the following conditions are satisfied for 0 <r <1, 0 <q <1, 0 <p ≦ 1, 0 <T ≦ 1, the desired phase shift is performed on the spatial phase modulator. Functions can be reproduced with reduced distortion.
(A) Number N of phase imparting elements having a width occupied by signal light of one wavelength

Figure 0005406140
Figure 0005406140

(b)ガウス分布ビームのスポットサイズが (B) The spot size of the Gaussian beam is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

ただし、ξmWhere ξ m is

Figure 0005406140
Figure 0005406140

を最大にするξであり、 Ξ to maximize

Figure 0005406140
Figure 0005406140

である。 It is.

ところで一般的に、時間離散信号のスペクトル解析は離散フーリエ変換(DFT: Discrete Fourier Transform)や、その高速演算であるFFT (Fast Fourier Transform) 用いた数値計算で行うことができるので、空間的に離散した位相シフト関数のスペクトル解析も同様にDFTやFFTで行うことができる。しかし、空間的に離散化位相シフト関数を、歪みを抑制して再現する条件を数値計算によって求めるには膨大な計算量が必要となる。一方、本発明では、複雑な位相シフト関数のスペクトルを、Φ(ξ)の包絡線関数Ψe(ξ)を表した式(1)ように単純な表式で置き換えることができることを見いだし、それによって、空間的に離散化位相シフト関数を、歪みを抑制して再現する条件を簡易な表式で表し、その条件を簡便に求めることができる点が利点である。 By the way, spectrum analysis of time-discrete signals can generally be performed by discrete Fourier transform (DFT) or numerical computation using FFT (Fast Fourier Transform), which is a high-speed operation, so it is spatially discrete. Similarly, the spectrum analysis of the phase shift function can be performed by DFT or FFT. However, a huge amount of calculation is required to obtain a condition for reproducing the discretized phase shift function spatially by suppressing distortion. On the other hand, in the present invention, it has been found that the spectrum of a complicated phase shift function can be replaced with a simple expression such as expression (1) representing the envelope function Ψ e (ξ) of Φ (ξ). Therefore, it is advantageous that a condition for reproducing the discretized phase shift function spatially with a distortion suppressed can be expressed by a simple expression and the condition can be easily obtained.

(実施例)
図5は、本発明の実施形態を示すブロック図である。複数波長の信号光が多重された波長多重信号光は、光ファイバを通じて、光サーキュレータ1の第1のポートから入力されて2のポートから出力され、スラブ導波路を1つだけ有するアレイ導波路回折格子2へ入力される。アレイ導波路回折格子2において、波長多重信号光はそれぞれの波長毎に空間分離され、アレイ導波路回折格子2の集光レンズ3の側に取り付けられたレンズ(図示せず)によりコリメートされた後、集光レンズ3で空間位相変調器4上に集光される。異なる波長の信号光は、それぞれ空間位相変調器4上の異なる領域にスポットサイズwで集光される。
(Example)
FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. Wavelength multiplexed signal light in which signal lights of a plurality of wavelengths are multiplexed is input from the first port of the optical circulator 1 through the optical fiber, output from the second port, and arrayed waveguide diffraction having only one slab waveguide. Input to grid 2. In the arrayed waveguide diffraction grating 2, the wavelength multiplexed signal light is spatially separated for each wavelength and collimated by a lens (not shown) attached to the condenser lens 3 side of the arrayed waveguide diffraction grating 2. The light is condensed on the spatial phase modulator 4 by the condenser lens 3. The signal lights having different wavelengths are collected with different spot sizes w in different regions on the spatial phase modulator 4.

図6に、空間位相変調器4上に信号光ビームが集光される様子が示している。ここで、スポットサイズwは、信号光振幅の空間プロファイルが、中心の最も振幅の大きいところから1/eになる点と中心との距離である。また、一波長が占有する幅X0は、一つの信号光の波長幅(信号波長間隔と等価)がアレイ導波路回折格子による回折と集光レンズの集光により空間位相変調器上に再現される幅である。空間位相変調器4は、信号光の位相をシフトさせ、且つ反射させる。反射された信号光は、光サーキュレータ1まで元の経路を辿り、光サーキュレータ1の第3のポートから波長多重された状態で出力される。本実施例では、空間位相変調器4として1つの位相付与素子の幅が10μmで、全素子数が2000個のLCOS(Liquid Crystal On Silicon)を使用している。 FIG. 6 shows how the signal light beam is focused on the spatial phase modulator 4. Here, the spot size w is the distance between the point where the spatial profile of the signal light amplitude is 1 / e from the center where the amplitude is the largest and the center. Also, the width X 0 occupied by one wavelength is reproduced on the spatial phase modulator by the wavelength width of one signal light (equivalent to the signal wavelength interval) being diffracted by the arrayed waveguide diffraction grating and condensed by the condenser lens. Width. The spatial phase modulator 4 shifts the phase of the signal light and reflects it. The reflected signal light follows the original path to the optical circulator 1 and is output in a wavelength-multiplexed state from the third port of the optical circulator 1. In this embodiment, as the spatial phase modulator 4, LCOS (Liquid Crystal On Silicon) having a width of 10 μm and a total of 2000 elements is used.

ここで、式(2)及び(3)のr、q、p及びTついては以下のように考えることができる。   Here, r, q, p and T in the equations (2) and (3) can be considered as follows.

図1の位相シフト関数のスペクトル形状から分かるように、振幅は低周波側で大きく、高周波側では急速に小さくなる。隣り合うスペクトルのオーバーラップや高周波スペクトルの混入を防止することを考えると、ガウス分布ビームのスポットサイズの制限によって、規格化空間角周波数π以上の高周波成分は高周波ほどカットされるので、規格化角周波数0〜πに折り返される雑音は規格化角周波数0〜πの高周波ほど(すなわちπに近い程)大きくなる。したがって、rやqについてはできるだけ小さい値を取る必要があり、r=0.1、q=0.1程度は必要となる。一方、p及びTは1以下でできるだけ大きい値をとる必要があるが、位相シフト関数の振幅スペクトルは比較的低周波側で急速に低下するので、p及びT が比較的大きい値である程度高周波側がカットされても影響は大きくないと考えられるため、p=0.5、T=0.5程度でも十分である。実際に、以下で示す実施例では、r=0.1、q=0.1、p=0.5、T=0.5としているが、r≦0.1、q≦0.1、p≧0.5、T≧0.5であれば以下の実施例と同様の結果が得られている。   As can be seen from the spectrum shape of the phase shift function in FIG. 1, the amplitude is large on the low frequency side and rapidly decreases on the high frequency side. Considering the prevention of overlapping of adjacent spectra and mixing of high-frequency spectra, the high-frequency component above the normalized spatial angular frequency π is cut as the frequency increases due to the spot size limitation of the Gaussian distribution beam. The noise folded back to the frequency 0 to π becomes larger as the normalized angular frequency is 0 to π (that is, closer to π). Therefore, r and q must be as small as possible, and r = 0.1 and q = 0.1 are necessary. On the other hand, p and T need to be as large as possible at 1 or less. However, since the amplitude spectrum of the phase shift function decreases rapidly on a relatively low frequency side, p and T have relatively large values and a certain high frequency side. Even if it is cut, it is considered that the influence is not large, and therefore p = 0.5 and T = 0.5 are sufficient. Actually, in the embodiment shown below, r = 0.1, q = 0.1, p = 0.5, and T = 0.5, but r ≦ 0.1, q ≦ 0.1, p If ≧ 0.5 and T ≧ 0.5, the same results as in the following examples are obtained.

したがってr=0.1、q=0.1、p=0.5、T=0.5とすることができるので、一つの波長が占有する位相付与素子数N、位相変調器上のガウス分布ビームのスポットサイズwの範囲は、N≧24、9.7μm≦w≦67.4μmとなる。そこで、本実施例の分散補償器では、1つの波長が占有する位相付与素子数が50となるように信号光波長数を40と設定し、空間位相変調器上のガウス分布ビームのスポットサイズが20μmとなるように集光レンズを選択した。   Therefore, r = 0.1, q = 0.1, p = 0.5, and T = 0.5. Therefore, the number N of phase imparting elements occupied by one wavelength, and the Gaussian distribution on the phase modulator. The range of the beam spot size w is N ≧ 24, 9.7 μm ≦ w ≦ 67.4 μm. Therefore, in the dispersion compensator of this embodiment, the number of signal light wavelengths is set to 40 so that the number of phase imparting elements occupied by one wavelength is 50, and the spot size of the Gaussian distribution beam on the spatial phase modulator is The condenser lens was selected to be 20 μm.

図7に、本実施例の分散補償器の分散補償量を100ps/nmに設定したときの波長1550.12nmの信号光が占有する帯域の分散値を示す。位相シフト関数の離散化によってゼロ次ホールドとガウス分布ビームのスペクトルのフィルタリング効果によって帯域の境界近傍では分散値が設定値よりずれるが、69GHzの帯域で設定値の100ps/nmが実現できており、広帯域を必要とする40Gbit/s超の高速の信号光に十分適用できる性能を有している。対照として、空間位相変調器上のガウス分布ビームのスポットサイズwが9.7μm≦w≦67.4μmの範囲外にあるビームスポットサイズ5μm、100μmとなるような集光レンズを用いた分散補償器の分散値(設定値100ps/nm)をそれぞれ図8、図9に示す。スポットサイズが5μmや100μmの場合、分散補償器の分散値は設定した100ps/nmから大きくずれてしまい、分散補償器として機能していない。また、図10には、信号波長数が200で1つの波長が占有する位相付与素子数N=10の場合の分散補償値を示す。この場合は、式(2)を満足しないため、分散補償器の分散値は設定した100ps/nmから大きくずれてしまい、分散補償器として機能していない。   FIG. 7 shows a dispersion value of a band occupied by signal light having a wavelength of 1550.12 nm when the dispersion compensation amount of the dispersion compensator of this embodiment is set to 100 ps / nm. With the discretization of the phase shift function, the dispersion value deviates from the set value in the vicinity of the band boundary due to the filtering effect of the zero-order hold and the spectrum of the Gaussian beam. It has a performance that can be sufficiently applied to high-speed signal light exceeding 40 Gbit / s that requires a wide band. As a contrast, a dispersion compensator using a condensing lens such that the spot size w of the Gaussian beam on the spatial phase modulator is outside the range of 9.7 μm ≦ w ≦ 67.4 μm and the beam spot size is 5 μm and 100 μm. The dispersion values (set value 100 ps / nm) are shown in FIGS. 8 and 9, respectively. When the spot size is 5 μm or 100 μm, the dispersion value of the dispersion compensator greatly deviates from the set 100 ps / nm and does not function as a dispersion compensator. FIG. 10 shows dispersion compensation values when the number of signal wavelengths is 200 and the number of phase applying elements N = 10 occupied by one wavelength. In this case, since the expression (2) is not satisfied, the dispersion value of the dispersion compensator greatly deviates from the set 100 ps / nm and does not function as a dispersion compensator.

以上説明したように、本発明の設計法により設計した、空間位相変調器を用いた分散補償器は、空間位相変調器上に所望の波長分散補償値を得る位相シフト関数を再現する際に、位相シフト関数の離散化の影響による関数の歪みを抑制し、広い帯域で所望の波長分散補償値を得られる。   As described above, the dispersion compensator using the spatial phase modulator designed by the design method of the present invention reproduces the phase shift function for obtaining a desired chromatic dispersion compensation value on the spatial phase modulator. Function distortion due to the effect of discretization of the phase shift function is suppressed, and a desired chromatic dispersion compensation value can be obtained in a wide band.

1 光サーキュレータ
2 アレイ導波路回折格子(「分光素子」に相当)
3 集光レンズ
4 空間位相変調器
1 Optical circulator 2 Array waveguide diffraction grating (equivalent to “spectral element”)
3 Condensing lens 4 Spatial phase modulator

Claims (4)

複数波長の信号光が波長多重された波長多重信号光を、波長毎に分波する分光素子と、
光に対して位相シフトを与える位相付与素子を複数有する空間位相変調器と、
前記分光素子により分波された波長毎の信号光を、前記空間位相変調器に集光させる集光レンズと
を備える分散補償器の設計方法であって、
前記空間位相変調器に集光された前記波長毎の信号光の空間的広がりを一定範囲内に制限し、
前記空間的広がりを、前記空間位相変調器に集光された前記波長毎の信号光が、それぞれ前記空間位相変調器上で占有する幅に含まれる位相付与素子数Nにより規定し、
前記位相付与素子数Nを、次式で与えることを特徴とする設計方法。
Figure 0005406140
ただし、rは1未満の値である。
A spectroscopic element that demultiplexes wavelength-multiplexed signal light in which signal light of a plurality of wavelengths is wavelength-multiplexed for each wavelength;
A spatial phase modulator having a plurality of phase applying elements that give a phase shift to the light;
A dispersion compensator design method comprising: a condensing lens for condensing the signal light for each wavelength demultiplexed by the spectroscopic element onto the spatial phase modulator;
Limiting the spatial spread of the signal light for each wavelength collected by the spatial phase modulator within a certain range;
The spatial spread is defined by the number N of phase imparting elements included in the width occupied by the signal light for each wavelength collected on the spatial phase modulator on the spatial phase modulator,
A design method characterized in that the number N of phase imparting elements is given by the following equation.
Figure 0005406140
However, r is a value less than 1.
前記位相付与素子数Nを、24以上とすることを特徴とする請求項に記載の設計方法。 The design method according to claim 1 , wherein the number N of phase imparting elements is 24 or more. 前空間的広がりを、ガウス分布ビームのスポットサイズwによりさらに規定し、
前記スポットサイズwの範囲を、次式で制限することを特徴とする請求項に記載の設計方法。
Figure 0005406140
であり、Xは前記空間位相変調器が有する位相付与素子の幅、Nは前記空間位相変調器に集光された前記波長毎の信号光が、それぞれ前記空間位相変調器上で占有する幅に含まれる位相付与素子数を表し、q、p及びTは0より大きく1未満の値をとる。
The pre-spatial spread is further defined by the spot size w of the Gaussian beam,
The design method according to claim 1 , wherein the range of the spot size w is limited by the following expression.
Figure 0005406140
Where X is the width of the phase imparting element of the spatial phase modulator, and N is the width occupied by the signal light for each wavelength collected on the spatial phase modulator on the spatial phase modulator. This represents the number of phase imparting elements included, and q, p, and T take values greater than 0 and less than 1.
前記q、p及びTを、q≦0.1、p≧0.5、T≧0.5を満たすようにすることを特徴とする請求項に記載の設計方法The design method according to claim 3 , wherein q, p, and T satisfy q ≦ 0.1, p ≧ 0.5, and T ≧ 0.5.
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