JP5777164B2 - 分散補償器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信において利用される分散補償器に関する。

インターネットの爆発的な普及を背景に、波長分割多重(ＷＤＭ: Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ)通信技術の開発が盛んに行われている。例えば、波長選択スイッチにより、波長多重された光信号から特定の波長の光信号を分離して光の状態のままでルーティング等の処理をすることで、ノード間の通信需要の変化に柔軟に対応することが可能になっている。このような中、動的に変化するパスの分散値を適応的に補償することが求められている。

従来、分散補償器については、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）、グレーティングおよび３次元ミラーを備えた分散補償器（たとえば、特許文献１参照）が知られている。また、ＡＷＧ(Arrayed Waveguide Grating)およびＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)を備えた分散補償器（たとえば、特許文献２参照）が知られている。

特許文献１の分散補償器は、ＶＩＰＡにより角度分散された各波長の光は、グレーティングによって光路ずれが生じ、その後に３次元ミラーにより波長毎に分散量が調整される構成である。

特許文献２の分散補償器は、ＡＷＧにより波長分離され波長毎に異なる角度で出射された光の各々に対してＬＣＯＳで所望の位相シフト量を付与することで、波長毎に分散量が調整される構成である。

図１は、特許文献２の分散補償器の概略構成を示す図である。特許文献２の分散補償器は、アレイ格子導波路、シリンドリカルレンズ、レンズおよびＬＣＯＳを備える。波長多重光信号は、アレイ格子導波路へ入力され、異なる波長の光信号に分波されそれぞれ異なる角度で出力される。各波長の光信号はシリンドリカルレンズを透過してレンズによってＬＣＯＳ上の異なる位置（異なるｘ座標）に集光され（結合し）、ＬＣＯＳを構成する位相補償素子（液晶素子）により位相調整され、ＬＣＯＳの底面で反射されて元の経路を伝播して再びアレイ格子導波路で合波される。

特開２００２−２５８２０７号公報 国際公開第２００９／００１８４７号パンフレット

しかしながら、特許文献１の分散補償器では、ＶＩＰＡにおける角度分散が約０．４〜０．８度／ｎｍに留まるため、所定の大きさを備える３次元ミラーの反射面に入力するためには、光の進行方向に比較的大きな光学系を構築する必要があり、装置の小型化および経済化に限界がある。

また、特許文献２の分散補償器では、ＡＷＧにおけるＦＳＲの制限によって、一つのＦＳＲ内に含まない異なる波長の光信号は、ＬＣＯＳの２次元面上での結合位置をＦＳＲの整数倍の位置にシフトさせ、Free Spectral Range（ＦＳＲ）の整数倍離れた波長同士の集光位置が重ならないように光学系を構築する必要があり、ここでも精密かつ複雑な光学系を必要としていた。

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、角度分散が大きく、かつ同時にＦＳＲが広い分散補償器を提供することにある。さらに、伝送後の光強度の低下を補償する光増幅の機能を備えていた分散補償器を提供することにある。

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、分散補償器であって、入力された波長多重光信号を増幅し、かつ波長毎に異なる角度分散を与えて出力する光増幅角度分散素子と、複数の位相調整素子を配列した位相調整器と、前記光増幅角度分散素子から出力された波長多重光信号を波長毎に前記位相調整器の異なる位相調整素子群に集光する少なくとも１つのレンズとを備え、前記光増幅角度分散素子は、基板上に順次積層された、第１の分布ブラッグ反射鏡層と、第１の光閉じ込め層と、活性領域と、第２の光閉じ込め層と、光信号入力ポートおよび角度分散出力ポートを有する第２の分布ブラッグ反射鏡層と、前記基板および第２の分布ブラッグ反射鏡層に設けられた電極とを備え、前記位相調整器の前記位相調整素子群の各々は、集光した光信号に任意の位相を付加して波長分散を補償し、光路を反転するように構成され、前記光増幅角度分散素子は、さらに位相調整後の全ての波長の光信号を合波して出力するように構成されたことを特徴とする。これによって、大きな角度分散と広いＦＳＲの特性を同時に備えた分散補償器を提供することが可能になる。本願発明によれば、レンズを光増幅角度分散素子の近傍に配置することが可能になり、分散補償器のサイズを小さくすることが可能になる。上記に加え光強度の低下を補償することが可能な分散補償器を提供することが可能になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の分散補償器であって、前記第１の分布ブラッグ反射鏡層と前記第２の分布ブラック反射鏡層との間の距離が前記波長多重光信号の波長と同等程度であり、前記第２の分布ブラック反射鏡層の反射率は、前記第１の分布ブラッグ反射鏡層の反射率よりも低く、前記光増幅角度分散素子は、前記波長多重光信号が前記第１の分布ブラック反射鏡層または前記第２の分布ブラック反射鏡層の一方に入射角θｉで入射し、反射角θｉで反射し、対向する前記第１の分布ブラック反射鏡層または前記第２の分布ブラック反射鏡層の他方へと向かい、前記第１の分布ブラック反射鏡層と前記第２の分布ブラック反射鏡層との間を多重反射によって光伝播を行い、前記第２の分布ブラック反射鏡層に入射する一部の前記波長多重光信号が屈折角θで外部へと出力され、このとき、各屈折点間の距離ｄと波長多重光信号の波長λの関係が、ｄ＜＜λとなるようにθｉが調整されたことを特徴とする。これにより、より大きな角度分散と広いＦＳＲの特性を同時に備えた分散補償器を提供することが可能になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の分散補償器であって、前記位相調整素子群に集光したビーム径Ｄが前記位相調整素子間隔Ｐに対して、Ｄ≧Ｐであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の分散補償器であって、前記光増幅角度分散素子に当接された温度調整器をさらに備え、前記光増幅角度分散素子が与える前記角度分散を前記温度調整器による加熱または冷却により制御するように構成されたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の分散補償器であって、前記第２の分布ブラッグ反射鏡層において、前記光信号入力ポートの反射率は前記角度分散出力ポートの反射率よりも小さいことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、角度分散が大きく、かつ同時にＦＳＲが広い分散補償器を提供することが可能となる。また、本発明によれば、光強度の低下を補償する光増幅の機能を備えた分散補償器を提供することが可能となる。

特許文献２に記載された分散補償器の概略構成図である。 本発明の一実施形態にかかる分散補償器の概略構成図である。 本発明の一実施形態にかかる増幅分散補償素子の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる増幅分散補償素子から出力される光の遠視野像を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる増幅分散補償素子の角度分散特性を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる増幅分散補償素子における屈折角と光強度スペクトルとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる増幅分散補償素子の構成を説明する図である。 本発明の一実施形態にかかる増幅分散補償素子における温度と屈折角の関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似する参照符号は同一または類似する要素を示し、繰り返しの説明は省略する。

本発明の実施形態の分散補償器の構成は、図１に示す分散補償器におけるアレイ格子導波路に替え、光増幅角度分散素子（本明細書中、増幅分散補償素子ともいう。）を用いた構成である。本発明の実施形態の分散補償器は、光増幅角度分散素子、レンズおよび位相調整器を備える。光増幅角度分散素子は、基板上に順次積層された、分布ブラッグ反射鏡層（下部）、光閉じ込め層（下部）、活性領域、光閉じ込め層（上部）および分布ブラッグ反射鏡層（上部）を備える。また、光増幅角度分散素子は、基板の底面および分布ブラッグ反射鏡層（上部）の上面に光増幅用の電極を備えることができる。さらに、光増幅角度分散素子は、屈折角を制御するための温度調整素子を備えることができる。

なお、以下の説明において、分散補償器を構成する増幅分散素子の基板材料をＧａＡｓ、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）をＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体多層膜反射鏡、そして活性領域をＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸として図示しているが、決してこれに限ることはない。たとえば、基板材料をＩｎＰ、ＤＢＲをＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ半導体多層膜反射鏡、活性領域をＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸としても、本発明を実施することができることはいうまでもない。また、波長多重数を１６としているが、本発明においては、決してこれに限るこがないことは言うまでもない。さらに、波長数を１６、位相調整素子群を構成する位相調整素子をそれぞれ１６波、３個としているが、決してこれに限ることは無いことはいうまでも無い。

（第１の実施形態）
図２は、本実施形態の分散補償器の構成図である。本実施形態の増幅分散補償器は、光サーキュレータ（０５−００）、増幅分散補償素子（０１−００）、レンズ（０３）、およびＬＣＯＳ（０４−００）を備える。

光サーキュレータの光入力ポート（０５−０１）に入力される波長多重光信号は光ファイバ等の光導波路を伝播し光サーキュレータに到達する、その後、光サーキュレータの共通ポートへと伝播し、光ファイバ等の光導波路（０５−０４）によって、増幅分散補償素子（０１−００）の光信号入出力ポート（０１−０１）へと入力される。入力後は増幅分散補償素子において光増幅され、波長毎に異なる角度で角度分散出力ポート（０１−０２）から分波出力される（０２−０１、０２−０２、・・・０２−１５、０２−１６）。本実施形態では、１６波の事例で説明しており、分波出力された増幅後の光信号は焦点距離ｆ（０６）を備えるレンズ（０３）によって、ＬＣＯＳからなる位相補償器（０４−００）面上に集光する（０４−０１）。集光した位置には、位相補償器を構成する複数の位相補償素子（０４−０２）が配置されており、波長毎に位相補償素子群（０５−０１、０５−０２、・・・０５−１５、０５−１６）で所望の位相調整Φ１、Φ２、・・・Φ１５、Φ１６が施され、ＬＣＯＳ底面での反射によって元の経路に戻される。例えば、０３−０１で示した波長の光信号は、位相補償素子群（０５−０１）に集光し、ここで位相調整Φ１が施される。同様に０３−０２で示した波長の光信号は、位相補償素子群（０５−０２）に集光し、ここで位相調整Φ２が施される。各波長の反射光はそれぞれ元の経路を伝播し、光サーキュレータの共通光ポート（０５−０２）から出力される。

図３は、本実施形態の増幅分散補償素子（０１−００）の断面構造と、ｉ番目の波長の伝播の様子を示した図である。ｉ番目の波長は、間隔ｄの反射点の各々から出力される。増幅分散補償素子の光入力ポート（０１−０３）には、光ファイバ等の光導波路（０５−０４）が光学的に接続される。増幅分散補償素子は、光信号を増幅するための活性媒体（０１−０８）が備えられており、その上下に光閉じ込め層（０１−０６、０１−０７）、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）（０１−０４、０１−０５）を対向位置させ、基板（０１−０９）上に形成されている。ただし、紙面上で上部に配置されたＤＢＲは、角度分散出力ポートも兼ねているため、その反射率は対向配置されたＤＢＲの反射率よりも低く設計される。また、光信号入力ポート（０１−０３）に位置するＤＢＲの反射率も、これらＤＢＲの反射率よりもさらに低く設計される。増幅分散補償素子への光の入射を容易にするためである。よって、本実施例では、光入力ポートに位置するＤＢＲ、増幅分散補償光出力ポートに位置するＤＢＲ、そして基板側に位置するＤＢＲは、多層膜の積層ペア数が７ペア、２０ペア、４０ペアでそれぞれ形成されている。ただし、この多層膜のペア数は決してこの値で制限されることは無く、互いの大小関係が重要であることは、言うまでも無い。

光信号入力ポートから入力した波長λｉの光信号は、対向配置されたＤＢＲ（０１−０４、０１−０９）間で反射を繰り返しながら伝播（０１−１１）し、スローライト伝播が行われる。このとき、電極（０１−１０）から電流注入された活性媒質（０１−０８）によって光増幅されるため、伝播中のロス補償、さらには光増幅も可能であり、多数の反射点を角度分散出力ポートに位置したＤＢＲ（０１−０４）に設けることが可能となる。なお、反射点の間隔ｄを光信号波長よりも十分狭い設計を施すことにより、フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）の拡大を実現させている。これにより、波長多重光信号に含まれる比較的広い波長範囲に対して一括で角度分散を付与することを可能にしている。したがって、増幅分散補償素子内部から角度分散光出力ポートに位置するＤＢＲへの入射角をθ_ｉ、空気への屈折角をθ、分散補償器を構成する導波路の等価屈折率をｎ_ｗｇ、空気の屈折率をｎ_ａｉｒ（＝１）としたとき、スネルの法則によりｎ_ａｉｒ×ｓｉｎθ＝ｎ_ｗｇ×ｓｉｎθ_ｉが得られ、さらに導波路のカットオフ波長をλ_ｃ、使用波長をλとしたとき、屈折角は以下の関係式によって表される。ｓｉｎθ_ｉは図３中に示した式で与えられ、ここで、ｋは使用波長の波数ベクトルであり、ｃを光速とすると、ｋ＝ｃ／λである。同様にｋ_ｃはカットオフ波長の波数ベクトルある。

なお、反射点の間隔ｄは小さい程に分解能が高く、位相補償器上に集光する光のスポットの縁が明瞭となり好ましい。本実施形態の増幅分散補償素子における多重反射における縦方向の間隔は、使用波長程度の間隔に設計されたラムダ・キャビティーであり、反射点の間隔ｄを光信号波長よりも狭くなるように設計し、位相補償器上に集光する光のスポットが明瞭になるようにしている。

本実施形態において、位相補償器の位相調整素子群に集光したビーム径Ｄは位相調整素子間隔Ｐに対してＤ≧Ｐである。

図４は、増幅分散補償素子から出力された遠視野像、図５は角度分散特性グラフである。ただし、９６０．５ｎｍから９７７．５ｎｍまで、ステップ０．５ｎｍで波長を変化させている。

図４では、波長を変化させた際に異なる角度分散で観察される遠視野像を一枚の写真に合成している。このときトータル３０度の角度分散幅が得られており、図５の計算結果と比較しても遜色ない実験結果が得られている。

図６は、波長毎、すなわち屈折角毎の光強度スペクトルの測定値である。比較的良好な単峰性のスペクトルがすべての屈折角、すなわち波長で得られており、良好な分解能が得られていることがわかる。この特性は、位相調整を行うＬＣＯＳ上に集光させる際に特に重要となり、ＬＣＯＳを構成している位相調整素子群の位相調整素子サイズの小型化に対して十分適合可能な特性である。

なお、本実施形態では、前記光増幅角度分散素子から出力された波長多重光信号を波長毎に前記位相調整器の異なる位相調整素子群に集光するレンズを１つのレンズで構成する例を示したが、複数のレンズを用いてもよい。

（第２の実施形態）
図7は本実施形態の増幅分散補償器を構成する増幅分散補償素子の構造図である。図３の増幅分散補償素子の代替として、図２を参照して説明した増幅分散補償器の構成において用いることができる。本実施形態では、増幅分散補償素子は、電極（０１−１０）の他に、温度調整素子（０７）を備える点で、図３に示した増幅分散補償素子と異なる。図７の増幅分散補償素子においては、温度調整素子による加熱または冷却により、導波路の等価屈折率ｎ_ｗｇをより多く変化させることを可能にしている。ここでは、温度調整素子をヒータとして説明するが、これに限ることなくたとえばペルチェ素子で代用可能であることはいうまでも無い。さらに、温度調整素子の配置が基板底面に当接しているが、導波路実効屈折率を変化可能な箇所に搭載すれば十分であり、その位置は自由であることも言うまでも無い。

図８はヒータにより増幅分散補償器を加熱した際における、波長毎の屈折角測定値、ならびに計算値である。室温動作時から６０度加熱させて動作させた場合、屈折角が約１０度増加する結果が得られており、増幅分散補償器の性能向上が実現可能となる。

０１−００ 光増幅角度分散素子（増幅分散補償素子）
０１−０４，０１−０５ 分布ブラッグ反射鏡層
０１−０６，０１−０７ 光閉じ込め層
０１−０８ 活性領域
０１−０９ 基板
０１−１０ 電極
０３ レンズ
０４−００ 位相補償器（ＬＣＯＳ）
０４−０２ 位相補償素子
０５−００ サーキュレータ
０７ 温度調整素子

Claims (5)

1. 入力された波長多重光信号を増幅し、かつ波長毎に異なる角度分散を与えて出力する光増幅角度分散素子と、
   複数の位相調整素子を配列した位相調整器と、
   前記光増幅角度分散素子から出力された波長多重光信号を波長毎に前記位相調整器の異なる位相調整素子群に集光する少なくとも１つのレンズと
   を備えた分散補償器であって、
   前記光増幅角度分散素子は、基板上に順次積層された、第１の分布ブラッグ反射鏡層と、第１の光閉じ込め層と、活性領域と、第２の光閉じ込め層と、光信号入力ポートおよび角度分散出力ポートを有する第２の分布ブラッグ反射鏡層と、前記基板および第２の分布ブラッグ反射鏡層に設けられた電極とを備え、
   前記位相調整器の前記位相調整素子群の各々は、集光した光信号に任意の位相を付加して波長分散を補償し、光路を反転するように構成され、
   前記光増幅角度分散素子は、さらに位相調整後の全ての波長の光信号を合波して出力するように構成された
   ことを特徴とする分散補償器。
2. 前記第１の分布ブラッグ反射鏡層と前記第２の分布ブラック反射鏡層との間の距離が前記波長多重光信号の波長と同等程度であり、
   前記第２の分布ブラック反射鏡層の反射率は、前記第１の分布ブラッグ反射鏡層の反射率よりも低く、
   前記光増幅角度分散素子は、前記波長多重光信号が前記第１の分布ブラック反射鏡層または前記第２の分布ブラック反射鏡層の一方に入射角θｉで入射し、反射角θｉで反射し、対向する前記第１の分布ブラック反射鏡層または前記第２の分布ブラック反射鏡層の他方へと向かい、前記第１の分布ブラック反射鏡層と前記第２の分布ブラック反射鏡層との間を多重反射によって光伝播を行い、前記第２の分布ブラック反射鏡層に入射する一部の前記波長多重光信号が屈折角θで外部へと出力され、このとき、各屈折点間の距離ｄと波長多重光信号の波長λの関係が、ｄ＜＜λとなるようにθｉが調整されたことを特徴とする、請求項１に記載の分散補償器。
3. 前記位相調整素子群に集光したビーム径Ｄが前記位相調整素子間隔Ｐに対して、Ｄ≧Ｐ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。
4. 前記光増幅角度分散素子に当接された温度調整器をさらに備え、前記光増幅角度分散素子が与える前記角度分散を前記温度調整器による加熱または冷却により制御するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分散補償器。
5. 前記第２の分布ブラッグ反射鏡層において、前記光信号入力ポートの反射率は前記角度分散出力ポートの反射率よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分散補償器。

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