光分散補償素子及びその設計方法
【課題】高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償し、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることが可能な小型の光分散補償素子及びその設計方法を提供する。
【解決手段】該光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆに分割され、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一である。
【解決手段】該光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆに分割され、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信システムにおいて伝送路である光ファイバの波長分散を補償するために用いられる光分散補償素子及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ通信システムの発展、特にエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）と高密度波長多重通信システム（ＤＷＤＭ）の発明により、光ファイバ通信網で伝送される情報量が急速に増大している。さらなるデータ容量の増加に備え、時分割多重変調方式の高速化、多重する波長数の増加や周波数利用効率の高い変調方式などについて研究開発が進められている。
【０００３】
光ファイバ伝送路には、屈折率の波長依存性すなわち波長分散があり、これにより変調した信号光を伝送した時に群遅延が生じる。光ファイバ通信システムでは、通常、群遅延の波長依存性を波長分散と呼称している。変調速度を高速化すると、１チャネルの信号伝送に必要とされる帯域幅が拡がり、また伝送される信号の各ビットの時間間隔が狭まることから、光ファイバ伝送路の波長分散の影響による信号波形の劣化が著しいものとなる。このため、高速通信では光波長分散補償器を用いることが必須となる。
【０００４】
一方、情報通信システムの規模及び設置数量の急速な拡大に伴って、コンピュータシステムやハイエンドルータなどの消費する膨大な電力が経済性のみならず環境影響の観点からも問題視されるようになりつつあり、省電力化し環境負荷を低減するグリーンＩＣＴ（Information and Communication Technology）が必要とされている。ルータ等各種伝送装置を小型化することが出来れば、データセンターや通信キャリア局舎への装置収容効率が改善され、空間利用効率が良くなるばかりでなく、当該データセンターあるいは通信キャリア局舎のエアコン電力を大きく削減することが可能となり、省エネに貢献する。よって、各種光伝送装置に用いられる光部品についても、省電力化と小型化とが求められている。
【０００５】
従来、光波長分散補償には、伝送路用光ファイバとは波長分散の符号の正負が逆転した光学特性を有する波長分散補償用光ファイバを用いた分散補償光ファイバモジュールが一般的に用いられている。分散補償光ファイバモジュールは、長距離の波長分散補償用光ファイバをボビンに巻いたモジュールが大型であることや、補償距離に比例して挿入損失が増大することなどの欠点があるため、その代替として、より小型で挿入損失の小さい光部品型の分散補償器が要望されていた。
分散補償光ファイバモジュールは、通信波長帯域の全体を補償しようとするものであって、その群遅延スペクトルは連続的であり、いずれの波長を波長チャネルとして利用するかについての制限はない。また、各波長チャネルにおいて利用可能なチャネル帯域幅についての制限もない。ただし、波長分散補償用光ファイバでは、各種光学特性のバランスを勘案してその設計を決めるために、必ずしも補償対象とする伝送路用光ファイバの分散スロープを完全に補償できるような光学特性とすることはできず、通常は波長チャネルによって分散補償残差が生じることとなる。近年、ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）装置などの普及により、分散補償残差の累積が問題視されるようになっている。実際に分散補償光ファイバモジュールで補償可能な波長範囲は、分散補償残差の累積に対するトレランスによって制約を受ける。
【０００６】
チャープトＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）など、単チャネル用の光部品型の光波長分散補償器では、その単一のチャネルの一定の帯域内において所望の補償特性を高い精度で達成することが可能であり、また、光学特性を可変とすることもできる。しかしながら、ＤＷＤＭですべての波長チャネルを一括して補償することができないため、インライン型の光波長分散補償器として使用することはできない。これらは、通常は、受信器の前段に配置される。また、１チャネルに１個必要となるため、高価である。合分波器と組み合わせてインライン型として用いることも技術的には可能であるが、さらに高価となる。
【０００７】
ＶＩＰＡ型又はエタロンを用いた光分散補償器や、ＡＷＧ又はＭＺＩを用いたＰＬＣ型の光分散補償器などの中には、ＦＳＲ（Free Spectral Range）と呼ばれる一定の周波数間隔で生じる光学特性の周期性を利用して、複数の波長チャネルの波長分散を一括して補償できるものがある。この場合、波長チャネル間隔とＦＳＲとは一致している必要があるため、１個の光分散補償器を用いて一括して補償可能な波長帯域では、波長チャネル間隔は単一であり、波長チャネル帯域幅すなわち各波長チャネルにおいて波長分散が適切に補償され光信号伝送に利用可能な帯域幅は概略同一とされる。ＤＷＤＭにおいて利用される波長チャネルは、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６９４．１ Spectral grids for WDW applications: DWDM frequency grid（０６／２００２）に規定されており、１２．５ＧＨｚ間隔、２５ＧＨｚ間隔、５０ＧＨｚ間隔及び１００ＧＨｚ間隔について記載がある。１００ＧＨｚを超える間隔で用いる場合には、１００ＧＨｚ間隔で用いる波長（周波数）から選択して用いる。一般的には、Ｃ−ｂａｎｄ及びＬ−ｂａｎｄの多数の波長チャネルの信号を波長多重して１本の光ファイバで伝送するシステムにおいて、Ｃ−ｂａｎｄ用の光分散補償器を１個と、Ｌ−ｂａｎｄ用の光分散補償器を１個用いることにより、２つの波長帯域に分けて扱う。これら一定の周波数間隔で複数の波長チャネルの波長分散を一括して補償する光分散補償器においては、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６９４．１に規定された周波数グリッドに対応する波長、すなわちＤＷＤＭにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長の波長チャネルのそれぞれにおいて、例えば５０ＧＨｚといった所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償できるように群遅延スペクトルが設定されている。つまり、分散補償光ファイバモジュールとは異なり、その群遅延スペクトルは分散補償を意図する所望の群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割されており、そのようなチャネル帯域の範囲外となる分散補償を意図しない波長範囲においては群遅延特性は規定されない。
これらの光分散補償器は、分散スロープ補償まで含めて所望の光学特性とすることは困難であり、インライン型として用いた場合には、チャネルによっては大きな分散補償残差が生じる。光学特性を可変する機能を有するものが多く、単チャネル用としても多用される。
【０００８】
特許文献１には、逆散乱問題解法を用いて設計した、離散化した複数のグレーティングピッチと不均一かつ非チャープ型のグレーティング振幅を有するグレーティング構造からなる基板型光導波路で実現した光分散補償器が開示されている。この光分散補償器は、所望の光学特性を設計インプットとし、逆散乱問題解法を用いてグレーティング構造を設計することから、分散補償残差が無いようにして複数チャネルを一括して補償するインライン型光波長分散補償器を設計し、実現することが可能である。
【０００９】
なお、ＤＷＤＭでは、多数の波長チャネルを同時に使用するが、初期投資を抑制し当初は使用チャネル数を少なくしておき、需要の増加とともに使用チャネル数を追加していくというようなことが行われる。このとき、例えば多くの波長チャネルでは高速かつ比較的安価な１０Ｇｂｐｓの伝送装置が用いられ、一部の波長チャネルでのみ、超高速であるが高価な４０Ｇｂｐｓの伝送装置が用いられるというように、異なる通信速度が混在して使用されることがある。例えば、特許文献２や特許文献３には、１０Ｇｂｐｓなどの低速チャネルと４０Ｇｂｐｓの高速チャネルとを混在させて使用する光ファイバ通信システムの事例及び該システムにおける波長分散補償に関する問題について開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００９／１０７７９８号
【特許文献２】特開２００９−０９４９７９号公報
【特許文献３】特開２００９−２３２１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
光ファイバ通信網の伝送容量を増大させようとする時、２．５Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓ、４０Ｇｂｐｓ、１００Ｇｂｐｓへと時分割多重変調方式の変調速度を向上させる場合には、１波長チャネル当りの必要帯域幅が変調速度によって広くなっていく。
ところで、一般に光分散補償器は、分散補償量に応じた光路長を要するデバイスであることから、大きな分散量を補償しようとする場合、また広い帯域について補償しようとする場合に、長い素子長が必要となる。例えば、同一のチャネル帯域を補償する場合に、２００ｐｓ／ｎｍを補償する光分散補償器は１００ｐｓ／ｎｍを補償する光分散補償器の２倍の光路長を必要とする。また、同じ１００ｐｓ／ｎｍの波長分散を補償しようとする時、１．６ｎｍのチャネル帯域を有する光分散補償器は０．８ｎｍのチャネル帯域を有する光分散補償器の２倍の光路長を必要とする。２倍の光路長を必要とする場合、一般には素子内の光分散補償部の寸法が２倍必要になる。
よって、ある決められた寸法の光分散補償器でチャネル帯域を２倍、４倍に拡張しようとすると、補償可能な分散量は１／２、１／４に減少してしまうことになる。同一の分散補償量を保持したままチャネル帯域を２倍、４倍に拡張しようとすると、光分散補償素子の寸法も略２倍、略４倍に増大してしまう。しかし、一方では、上述したように小型な光分散補償器が要望されている。
このような、小型であり、広いチャネル帯域で分散を補償するという相反する要求を同時に解決し、インライン型として用いて複数の波長チャネルの波長分散を一括して補償することが可能であり、分散補償残差が小さく、安価な光波長分散補償用部品が求められていた。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償し、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることが可能な小型の光分散補償素子及びその設計方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明は、高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子であって、光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割され、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一であることを特徴とする光分散補償素子を提供する。
本発明の光分散補償素子においては、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域に位置し、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記チャネル帯域幅が、長波長側の波長チャネルにおいて狭くなっており、波長が短くなるに従って広くなっていく構成とすることも可能である。
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアが基板上に形成された基板型光導波路であることも可能である。
【００１４】
前記課題を解決するため、本発明は、高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子の設計方法であって、該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアを備えた光導波路からなり、前記グレーティング構造は、前記コアの断面寸法が前記光導波路の導波方向に沿って変化することにより構成され、該設計方法は、コアの断面寸法を変化させた際の光導波路の断面構造と実効屈折率との関係を求める光導波路断面構造設計工程と、設計入力パラメータとして波長分散、分散スロープ及び反射率を指定して所定の複素反射率スペクトルを算出した後、逆散乱問題解法によって前記複素反射率スペクトルを実現するための前記光導波路の導波方向に沿った実効屈折率分布を求めるグレーティングパターン設計工程と、前記光導波路断面構造設計工程で求めた前記断面構造と実効屈折率との関係に基づいて、前記グレーティングパターン設計工程で求めた前記実効屈折率分布を、前記断面構造の前記光導波路の導波方向に沿った分布に変換することにより、該断面構造の分布からなるグレーティング構造を求めるグレーティング構造設計工程と、を有し、前記設計入力パラメータとして入力する波長分散、分散スロープ及び反射率を、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割し、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、略同一となるように設定することを特徴とする光分散補償素子の設計方法を提供する。
本発明の光分散補償素子の設計方法においては、前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域において、設定し、かつ、前記チャネル帯域幅を、長波長側の波長チャネルにおいて狭く設定し、波長が短くなるに従って広く設定していくことも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割され、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一であることから、素子寸法が過剰に大きくなることを抑止でき、小型かつ安価な光分散補償素子を提供することができる。
分散補償量を大きく設定する必要のある長波長側のチャネルではチャネル帯域を必要最小限とし、他のチャネルよりも狭い帯域に設定し、分散補償量の設定が小さくても良い短波長側のチャネルでは、代わりにチャネル帯域を広く設定して、中間のチャネルにおいては、長波長側から短波長側に向かって各チャネルの設定分散補償量が小さくなるのに応じて、チャネル帯域を徐々に広く設定していったことから、各チャネルの設定分散補償量に対応した、可能な限り広いチャネル帯域幅で光ファイバ伝送路の波長分散を補償するものであるような特性を有し、必要とするチャネル帯域幅の異なる複数の変調速度または変調方式に適切に対応して、光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償することができ、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることができる。
所望の光学特性を設計インプットとして与え、逆散乱問題解法を用いてグレーティング構造を設計することにより、離散化した複数のグレーティングピッチと不均一かつ非チャープ型のグレーティング振幅を有する光導波路部品として、光分散補償素子を実現することができる。
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、光ファイバ伝送路の零分散波長より長波長側であって、かつ光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域に位置する場合、チャネル帯域幅が、長波長側の波長チャネルにおいて狭くなっており、波長が短くなるに従って広くなっていくように設定すると、そのように配置しなかった場合と比べて、光分散補償素子をより小さく構成することができる。
基板型光導波路部品として構成した場合には、より小型な光部品として光分散補償素子を実現可能であり、データセンターや通信キャリア局舎の装置収容効率を向上させ、空調電力を削減し省エネに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の光分散補償素子において、挿入損失スペクトル及び群遅延スペクトルの一例を示す模式図である。
【図２】（ａ）は基板型光導波路部品の第１実施形態を示すコアの部分斜視図、（ｂ）はコアの部分上面図、（ｃ）は基板型光導波路部品の断面図である。
【図３】基板型光導波路部品と光伝送路とを接続した形態の一例を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の基板型光導波路部品の製造工程を示す部分斜視図である。
【図５】第１実施形態の基板型光導波路部品の製造工程を示す部分斜視図である。
【図６】第１実施形態の基板型光導波路部品の製造工程を示す部分斜視図である。
【図７】第１実施形態におけるコアの幅ｗに対する実効屈折率ｎｅｆｆの変化の一例を示すグラフである。
【図８】第１実施形態におけるコアの幅ｗに対する実効屈折率ｎｅｆｆの変化の別の例を示すグラフである。
【図９】基板型光導波路部品の第２実施形態を示す部分斜視図である。
【図１０】第２実施形態におけるｗｉｎに対するｎｅｆｆの変化の一例を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態におけるｗｉｎの変化に伴うｗｏｕｔの変化の一例を示すグラフである。
【図１２】第２実施形態におけるｎｅｆｆに対するｗｉｎおよびｗｏｕｔの変化を示すグラフである。
【図１３】基板型光導波路部品の第３実施形態を示す断面図である。
【図１４】第３実施形態におけるｗｉｎに対するｎｅｆｆの変化の一例を示すグラフである。
【図１５】第３実施形態におけるｗｉｎの変化に伴うｗｏｕｔの変化の一例を示すグラフである。
【図１６】第３実施形態におけるｎｅｆｆに対するｗｉｎおよびｗｏｕｔの変化を示すグラフである。
【図１７】実施例１の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１８】図１７の一部を拡大して示すグラフである。
【図１９】実施例１の群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。
【図２０】図１９の一部を拡大して示すグラフである。
【図２１】実施例１のポテンシャル分布の一例を示すグラフである。
【図２２】図２１の一部を拡大して示すグラフである。
【図２３】図２１に示す実施例１のポテンシャル分布から求めた反射率スペクトルを示すグラフである。
【図２４】図２３の一部を拡大して示すグラフである。
【図２５】図２３の一部を拡大して示すグラフである。
【図２６】図２３の一部を拡大して示すグラフである。
【図２７】図２１に示す実施例１のポテンシャル分布から求めた群遅延スペクトルを示すグラフである。
【図２８】図２７の一部を拡大して示すグラフである。
【図２９】図２７の一部を拡大して示すグラフである。
【図３０】図２７の一部を拡大して示すグラフである。
【図３１】実施例２の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図３２】図３１の一部を拡大して示すグラフである。
【図３３】実施例２の群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。
【図３４】図３３の一部を拡大して示すグラフである。
【図３５】実施例２のポテンシャル分布の一例を示すグラフである。
【図３６】図３５の一部を拡大して示すグラフである。
【図３７】図３５に示す実施例２のポテンシャル分布から求めた反射率スペクトルを示すグラフである。
【図３８】図３７の一部を拡大して示すグラフである。
【図３９】図３７の一部を拡大して示すグラフである。
【図４０】図３７の一部を拡大して示すグラフである。
【図４１】図３５に示す実施例２のポテンシャル分布から求めた群遅延スペクトルを示すグラフである。
【図４２】図４１の一部を拡大して示すグラフである。
【図４３】図４１の一部を拡大して示すグラフである。
【図４４】図４１の一部を拡大して示すグラフである。
【図４５】比較例１の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４６】図４５の一部を拡大して示すグラフである。
【図４７】比較例１の群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４８】図４７の一部を拡大して示すグラフである。
【図４９】比較例１のポテンシャル分布の一例を示すグラフである。
【図５０】図４９の一部を拡大して示すグラフである。
【図５１】図４９に示す比較例１のポテンシャル分布から求めた反射率スペクトルを示すグラフである。
【図５２】図５１の一部を拡大して示すグラフである。
【図５３】図５１の一部を拡大して示すグラフである。
【図５４】図５１の一部を拡大して示すグラフである。
【図５５】図４９に示す比較例１のポテンシャル分布から求めた群遅延スペクトルを示すグラフである。
【図５６】図５５の一部を拡大して示すグラフである。
【図５７】図５５の一部を拡大して示すグラフである。
【図５８】図５５の一部を拡大して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本発明の光分散補償素子において、複数の波長チャネルのそれぞれにおいて、分散補償波長チャネル帯域のチャネル帯域幅が異なり、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一である場合の挿入損失スペクトル及び群遅延スペクトルの一例を示す。図１に示す群遅延スペクトルにおいては、それぞれの分散補償波長チャネル帯域の所定のチャネル帯域幅Ａ乃至Ｆの範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域が、高密度波長多重通信システムの光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルに応じて分割されている。また、複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なっている。
光分散補償素子の各分散補償波長チャネル帯域は、光ファイバ伝送路により伝送される信号が当該波長チャネルにおいて光ファイバ伝送路の波長分散（群遅延量）及び分散スロープから受けた影響を補償するために必要な群遅延時間を有する。
【００１８】
分散補償を意図する群遅延時間を有する波長領域、すなわち各分散補償波長チャネル帯域は、群遅延量（単位はｐｓ）が傾斜して波長依存性のある領域であり、図１では、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥまたはＦとして示す。各波長チャネルにおける分散補償波長チャネル帯域内の群遅延量の傾斜は、群遅延の波長依存性（単位はｐｓ／ｎｍ）を表し、波長分散補償量に相当する。分散補償を意図する波長領域がさらに分散スロープを補償するための波長依存性（単位はｐｓ／ｎｍ２）を含んでいても良い。この場合は、波長チャネル同士で、少しずつ群遅延量が変化していてもよい。
【００１９】
分散補償を意図しない波長領域は、図１の隣接するチャネル帯域幅ＡとＢの間、ＢとＣの間、ＣとＤの間などにそれぞれ存在する。これにより、各分散補償波長チャネル帯域の群遅延スペクトルは不連続となり、相互に分離される。分散補償を意図しない波長領域では、群遅延量が波長にかかわらず一定である波長領域や、群遅延量の波長依存性が不定である波長領域や、挿入損失が大きく出力が得られない波長領域を含んでいても良い。ここで、挿入損失とは、素子が反射型である場合には反射光の挿入損失であり、挿入損失が大きい波長領域とは、反射率が小さく、当該波長の光を透過させる領域であっても良い。
各波長チャネルにおいて、分散補償を意図する波長領域の両側に、分散補償を意図しないが一定の小さい挿入損失を有する波長領域を付与することが好ましい。例えば、図１では、分散補償を意図する波長領域において挿入損失を一定とするのみならず、分散補償を意図する波長領域の両側に、分散補償を意図する波長領域におけるのと概略同一の挿入損失を有する波長領域を有する。つまり、挿入損失を小さく設定した波長領域は、分散補償を意図して群遅延を設定した波長領域Ａ乃至Ｆに比べて、帯域幅が広くされている。これにより、分散補償を意図する波長領域Ａ乃至Ｆ内に挿入損失が増大した部分が発生することを抑制できる。この、分散補償を意図しないが挿入損失を小さく設定した波長領域では、群遅延量が波長にかかわらず一定であっても良い。
なお、図１は、各波長チャネルの群遅延量（単位はｐｓ）は各分散補償波長チャネル帯域内での群遅延量の傾斜を説明するものであり、ある波長チャネルと別の波長チャネルとの間の群遅延量の関係を示すものではない。
【００２０】
図１に示す複数の波長チャネルは、より狭いチャネル帯域幅Ａを有する分散補償波長チャネル帯域から、より広いチャネル帯域幅Ｆを有する分散補償波長チャネル帯域まで、それぞれの波長チャネルにおいて光信号の伝送を意図する波長に応じて、チャネル帯域幅が徐々に変化している。
【００２１】
このように、光分散補償素子が、各波長チャネルに対応して、分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域と分散補償を意図しない波長領域とによって構成されるとともに、複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なっていることにより、必要とするチャネル帯域幅の異なる２種類以上の変調速度または変調方式に適切に対応して、光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償することができ、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることができる。
【００２２】
また、特許文献３の段落００３２には、１０Ｇｂ／ｓの波長チャネルと４０Ｇｂ／ｓの波長チャネルとを混載するときに、伝送速度の違いによらず、チャネル間隔を一定に設定することが記載されている。本発明の後述する実施例においても、チャネル間隔（チャネルグリッド）を一定に設定しているが、本発明においてはチャネル間隔は任意に設定可能である。例えば、分散補償波長チャネル帯域の帯域幅が狭い複数の波長チャネルを第１の群とし、分散補償波長チャネル帯域の帯域幅が広い複数の波長チャネルを第２の群としたとき、第１の群のチャネル間隔を、第２の群のチャネル間隔よりも狭く設定すると、第２の群では、広い帯域幅に対応するために必要なチャネル間隔を確保しつつ、第１の群では、より多くの波長チャネルを配置することができる。
【００２３】
分散補償波長チャネル帯域Ａから分散補償波長チャネル帯域Ｆのすべてが光ファイバ伝送路の零分散波長（群遅延の波長分散が零となる波長）より長波長側であって、かつ光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散Ｄが正となる波長領域に位置する（すなわち、光ファイバ伝送路の分散スロープＳは正であり、Ｓ／Ｄの比で定義されるＲＤＳは正である）場合には、光分散補償素子の波長分散補償量は負となり、長波長側ほど小さい（絶対値としては大きい）波長分散補償量が必要になる。すなわち、光分散補償素子の分散スロープＳは負であり、ＲＤＳは正である。
【００２４】
１つの分散補償波長チャネル帯域に必要な最大の群遅延差（分散補償波長チャネル帯域内の最大群遅延量と最小群遅延量との差）は、分散補償を意図する波長領域の波長帯域幅（単位はｎｍ）と波長分散補償量との積にほぼ相当する。このため、チャネルに要求される周波数帯域幅（単位はＧＨｚ）が広いと、波長分散補償量が同程度でも、必要な最大の群遅延差は大きくなる。
例えば、隣接する波長チャネルであり波長分散補償量はほぼ同程度である場合であっても、ある波長チャネルにおいて分散補償を意図する周波数帯域幅（例えば５０ＧＨｚ）が隣接波長チャネルにおいて分散補償を意図する周波数帯域幅（例えば２５ＧＨｚ）の２倍であるとすれば、それらの周波数帯域に対応する波長領域の帯域幅も約２倍となるため、必要となる最大の群遅延差も約２倍となる。
【００２５】
また、後述するグレーティング構造においては、最大の群遅延差が大きいほど、必要素子長が大きくなる。
このような条件下では、チャネル帯域幅の広い分散補償波長チャネル帯域では、チャネル帯域幅の狭い分散補償波長チャネル帯域よりも、必要な最大の群遅延差が大きく、さらに、分散スロープに依存して、長波長側ほど必要な最大の群遅延差が大きい。
そこで、絶対値の大きい波長分散補償量を設定する必要のある長波長側の波長チャネルを、例えば、狭いチャネル帯域幅Ａを有する分散補償波長チャネル帯域とし、絶対値の小さい波長分散補償量を設定すれば良い短波長側の波長チャネルを、例えば、広いチャネル帯域幅Ｆを有する分散補償波長チャネル帯域とし、中間の波長チャネルＢ〜Ｅにおいては、長波長側から短波長側に向かって各波長チャネルの波長分散補償量が小さくなるのに応じて、チャネル帯域幅を徐々に広く設定して、それぞれ配置することが好ましい。このように配置することによって、最大の群遅延差を略同一とすることが可能となり、光分散補償素子をより小さく構成することができる。
例えば、複数の波長チャネルのそれぞれについて、ＲＤＳに応じて変化する分散補償量と反比例するように、分散補償を意図するチャネル帯域幅を設定すると、最大の群遅延差を略同一にすることができる。さらに、伝送に用いるチャネル帯域幅は、分散補償を意図するチャネル帯域幅の範囲内で設定可能である。これにより、上述したように、最も広いチャネル帯域幅を、最も狭いチャネル帯域幅の２〜３倍またはそれ以上とすることもできる。
分散補償量と分散補償を意図するチャネル帯域幅を設定する際、最も短波長側にあるチャネルから最大群遅延差の基準を求めると、最も広いチャネル帯域の帯域幅を最初に決定することができる。その逆に、最も長波長側にあるチャネルから最大群遅延差の基準を求めると、最も狭いチャネル帯域の帯域幅を最初に決定することができる。
また、チャネル数とチャネル間隔を設定してから最大群遅延差及び各チャネル帯域の帯域幅を決定してもよく、その逆に、最大群遅延差及び各チャネル帯域の帯域幅を決定してから、それに収まるようにチャネル数とチャネル間隔を設定しても良い。
【００２６】
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアが基板上に形成された基板型光導波路からなる基板型光導波路部品として構成した場合には、より小型な光部品として光分散補償素子を実現可能であり、データセンターや通信キャリア局舎の装置収容効率を向上させ、空調電力を削減し省エネに貢献することができる。
【００２７】
＜基板型光導波路部品の第１実施形態＞
図２（ａ）〜（ｃ）に、本発明の基板型光導波路部品の第１実施形態を模式的に示す。図２（ａ）は光導波路のコア１の一部の斜視図、図２（ｂ）はコア１の同じ部分の上面図、図２（ｃ）は基板型光導波路部品の断面図である。また、基板型光導波路部品の斜視図を図６に示す。なお、図２（ｃ）においては、コア１の側壁に関して、図２（ａ）及び図２（ｂ）の凹部２ａ及び凸部２ｂの区別なしに、符号２を用いている。
この基板型光導波路部品は、光導波路が基板５上に形成された基板型光導波路部品である。光導波路は、基板５上に形成された下部クラッド６と、下部クラッド６上に形成されたコア１と、コア１および下部クラッド６の上に形成された上部クラッド７を有する。
また、側壁グレーティング構造２は、コアの幅ｗの周期的変化としてコア１の両側壁に形成された凹部２ａと凸部２ｂとから構成されている。コア幅ｗとは、光導波路の長手方向即ち信号光の導波する方向に対して垂直であり、かつ基板に平行である方向におけるコア１の幅を言う。凹部２ａではコア幅が狭く、凸部２ｂではコア幅が広い。
コア１の上面３及び底面４は平坦である。
【００２８】
光導波路の長手方向（図２（ｂ）の左右方向）において凹部２ａが継続する距離を、凹部の幅と呼ぶ。また、光導波路の長手方向において凸部２ｂが継続する距離を、凸部の幅と呼ぶ。隣接する凸部と凹部とを一組とし、その凸部の幅と凹部の幅とを加算したものが、その位置におけるグレーティングピッチである。
【００２９】
本実施形態の基板型光導波路部品は、詳しくは後述するが、グレーティングピッチが逆散乱問題を解いた結果として得られる離散化したピッチのいずれかの値をとる。すなわち、本実施形態の基板型光導波路部品は、従来公知の等ピッチグレーティング構造、チャープピッチグレーティング構造、サンプルドグレーティング構造のいずれとも異なる。
図２（ｂ）には、グレーティングピッチが、光導波路の長手方向の位置によってＰ、Ｐ＋ΔＰ、Ｐ−ΔＰのように異なる値をとることが示されている。また、コア幅ｗに関しては、図２（ｂ）には左から右に向かってコア幅ｗが増大する傾向をもつ部分を示している。後述するように、同じ光導波路が、他の部分（図示略）では左から右に向かってコア幅ｗが減少する傾向をもつ部分を含んでいる。
このように、グレーティングピッチとコア幅とが、逆散乱問題を解いた結果として得られる複雑な変化をしているので、所望の機能性を光導波路に付与することができる。
【００３０】
（デバイスの使用例）
図３に、基板型光導波路部品１０１と光伝送路１０３，１０５とを接続した形態１００の一例を示す。この基板型光導波路部品１０１はグレーティング構造を有する反射型デバイスであるため、開始端が光信号の入射端であると同時に出射端となる。図３に示すように、通常はサーキュレータ１０２を介して入出力光ファイバを接続し、使用する。サーキュレータ１０２には、入射信号光を伝搬する入射用光ファイバ１０３と、基板型光導波路部品１０１と光サーキュレータ１０２とを接続する結合用光ファイバ１０４と、出射信号光を伝搬する出射用光ファイバ１０５が接続されている。
また、基板型光導波路部品１０１と結合用光ファイバ１０４とが光接続される箇所には、通常モードフィールド変換部（モードフィールドコンバーター）あるいはスポットサイズ変換部（スポットサイズコンバーター）と呼ばれる入出力変換部を追加すると、結合用光ファイバ１０４と基板型光導波路部品１０１との接続損失を低減できるので、好ましい。
【００３１】
（デバイスの製造方法）
所望の光学特性が得られるグレーティング構造を有する基板型光導波路部品を得るため、本発明では、該光導波路の光伝搬方向にわたるポテンシャル分布を求め、これを光導波路の光伝搬方向にわたる等価屈折率分布に換算し、光導波路の寸法、より具体的には、コアの断面構造寸法及び長手方向寸法に変換することが好ましい。ポテンシャル分布の算出は、光導波路の前方及び後方に伝搬する電力波振幅なる変数を導入した波動方程式より、例えば光導波路の等価屈折率の対数の微分から導かれるポテンシャルを有するZakharov-Shabat方程式などに帰着させ、グレーティング光導波路の反射率の強度および位相のスペクトルである複素反射スペクトルからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを推測する設計法を用いて設計することが出来る。
これにより、従来公知の等ピッチグレーティング素子やチャープピッチグレーティング素子では実現出来ないような複雑な光学特性を有するブラッググレーティング素子を設計し製作することが可能となるため、例えばＤＷＤＭ光ファイバ通信システムにおいて４０チャネル一括で伝送線路光ファイバの波長分散と分散スロープとを同時に補償する光波長分散補償器といったような所望の光学特性を有するデバイスを実現することが出来る。
【００３２】
（ポテンシャル分布の設計方法）
所望の複素反射スペクトルから逆散乱問題を用いてポテンシャル分布を設計する手法は以下の通りである。
なお、後述する設計手順中の数式においては、グレーティング光導波路の長手方向、すなわち光伝搬方向をｚ軸として数式を示す。図２（ｂ）の左右方向がｚ軸方向である。該グレーティング光導波路デバイスのグレーティング領域開始端をｚ＝０、終了端をｚ最大値座標とし、ｚ最大値がすなわちグレーティング光導波路部の領域長である。
【００３３】
まず、光導波路を伝搬する電磁界を、Sipeの論文（J.E. Sipe, L. Poladian, and C. Martijn de Sterke, “Propagation through nonuniform grating structures,” Journal of the Optical Society of America A, Vol. 11, Issue 4, pp. 1307-1320 (1994)）を参照して、次のように定式化する。
【００３４】
電磁界の時間変動をｅｘｐ（−ｉωｔ）と仮定すると、該光導波路の光伝搬方向をｚ軸として、光導波路中の電界の複素振幅Ｅ（ｚ）及び磁界の複素振幅Ｈ（ｚ）は、マクスウェル方程式（Maxwell's equations）により、次式（１）、（２）となる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
ただし、Ｅ（ｚ）は電界の複素振幅、Ｈ（ｚ）は磁界の複素振幅、ｉは虚数単位、ωは角周波数、μ０は真空の透磁率、ε０は真空の誘電率、ｎｅｆｆは光導波路の実効屈折率を表す。
【００３８】
式（１）、（２）から結合モード方程式（coupled-mode equations）を構築するため、ここで、次式（３）、（４）のようにＥ（ｚ）及びＨ（ｚ）を進行波（前方に伝搬する電力波）振幅Ａ＋（ｚ）と後退波（後方に伝搬する電力波）振幅Ａ−（ｚ）に変換する。該デバイスは反射スペクトルとして所望の光学特性を実現する反射型デバイスである。反射波は後退波振幅Ａ−（ｚ）に対応する。
【００３９】
【数３】
【００４０】
【数４】
【００４１】
ただし、ｎａｖは光導波路の参照屈折率（平均実効屈折率）であり、このｎａｖは、ｎｅｆｆ（ｚ）の基準となる。これらの変数Ａ＋（ｚ）及びＡ−（ｚ）は、ｃｌｉｇｈｔを真空中の光速として、次式（５）、（６）を満たす。
【００４２】
【数５】
【００４３】
【数６】
【００４４】
ここで、波数ｋ（ｚ）を次式（７）で表す。ここで、ｃｌｉｇｈｔは真空中の光速度である。
【００４５】
【数７】
【００４６】
また、式（８）のｑ（ｚ）は、結合モード方程式におけるポテンシャル分布である。
【００４７】
【数８】
【００４８】
式（５）、式（６）のｎ（ｚ）を式（７）、式（８）のｎｅｆｆ（ｚ）と同一視して代入すると、式（５）、式（６）は、式（９）、式（１０）に示すZakharov-Shabat方程式に帰着される。
【００４９】
【数９】
【００５０】
【数１０】
【００５１】
Zakharov-Shabat方程式で示された逆散乱問題を解くことは、後述するゲルファント−レヴィタン−マルチェンコ方程式（Gel'fand-Levitan-Marchenko type integral equations）を解くことであり、その手順は例えば、Frangosの論文（P.V. Frangos and D.L. Jaggard, “A numerical solution to the Zakharov-Shabat inverse scattering problem,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, Issue. 1, pp. 74-79 (1991)）に開示されている。
また、Xiaoの論文（G. Xiao and K. Yashiro, “An Efficient Algorithm for Solving Zakharov-Shabat Inverse Scattering Problem,” IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 50, Issue 6, pp. 807-811 (2002)）には、Zakharov-Shabat方程式の効率的な解法が開示されている。
【００５２】
上記のグレーティング構造を有する基板型光導波路部品の光学特性は、光導波路入出力端における複素反射スペクトルｒ（ｋ）として、次式（１１）で定義される。
【００５３】
【数１１】
【００５４】
次式（１２）に示すように、ｒ（ｋ）のフーリエ変換はこの系のインパルス応答Ｒ（ｚ）である。
【００５５】
【数１２】
【００５６】
複素反射スペクトルｒ（ｋ）として波長に対する所望の群遅延特性と反射率の分布を与えることにより、これを実現するためのポテンシャル分布関数ｑ（ｚ）を数値的に解くことができる。
本設計では、グレーティングの振幅が変化して位相は振幅に従属して変化するという振幅変調型のグレーティングを用いた設計を行なう。そのため、設計の入力データとして用いる複素反射スペクトルにおいては、グレーティングの振幅の包絡線とグレーティングの振動の位相との分離性を高めるため、周波数の原点（すなわち０Ｈｚ）から所定の群遅延時間特性が求められる周波数領域をすべて含める。
【００５７】
まず、式（３）及び式（４）の解を次式（１３）、（１４）のように表す。
【００５８】
【数１３】
【００５９】
【数１４】
【００６０】
Ａ＋（ｚ）及びＡ−（ｚ）はそれぞれ＋ｚ方向及び−ｚ方向に伝搬する。式（１３）及び式（１４）中の積分項は反射の影響を表している。式（１３）及び式（１４）から、結合モード方程式が次の式（１５）及び式（１６）で表されるゲルファント−レヴィタン−マルチェンコ方程式に変換される。
【００６１】
【数１５】
【００６２】
【数１６】
【００６３】
ここで、正規化時間ｙはｙ＝ｃｌｉｇｈｔ ｔ （ｔは時間）であり、ｚ＞ｙである。Ｒ（ｚ）は、波数を変数とした複素反射スペクトルｒ（ｋ）の逆フーリエ変換であり、インパルス応答に相当する。Ｒ（ｚ）を与えて式（１５）及び式（１６）を解くことにより、ポテンシャル分布ｑ（ｚ）が求められ、式（１７）で与えられる。
【００６４】
【数１７】
【００６５】
得られたポテンシャル分布ｑ（ｚ）を次式（１８）に適用することで、グレーティング光導波路の実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）が得られる。
【００６６】
【数１８】
【００６７】
本発明では、式（８）及び式（１７）のポテンシャル分布ｑ（ｚ）を実数とする。その結果、複素反射スペクトルｒ（ｋ）からインパルス応答（時間応答）Ｒ（ｚ）へと変換するための演算は実数型となり、振幅が変化して位相が振幅に従属して変化する。
【００６８】
このようにして得られた実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）は、高屈折率値と低屈折率値とが短いピッチ（周期）で交互に現れるものであり、グレーティング光導波路構造を示すものとなっている。このグレーティング構造は、光導波路コアの側壁の凹部および凸部におけるコア幅ｗに対応する、隣接する高屈折率値と低屈折率値との屈折率差が一定ではなく漸次変化する不均一なものとなっており、また屈折率の変化するピッチはある限定された離散値をとるものとなっており、従来公知の等ピッチグレーティング光導波路、チャープピッチグレーティング光導波路、サンプルドグレーティング光導波路のいずれとも一致しない新規な構造を有する。
【００６９】
本発明のグレーティング光導波路は、ブラッググレーティングの振幅を変化させてグレーティングパターンを形成するものであり、グレーティングの振幅の包絡線の勾配の符号が反転する振幅変調型である。サンプルドグレーティング光導波路では、符号が反転する二点間で振幅が連続的にゼロになる光導波路領域が介在するという特徴がある。これに対し、本願の振幅変調型グレーティング光導波路では、そのような構造は現れない。符号の反転は孤立した単一の座標点で生じるという階段的な急峻性あるいは不連続性を示す。つまり、あるｚ座標で包絡線の勾配の符号が反転するという意味である。包絡線の勾配の符号が反転する孤立した一座標点でのみ振幅がゼロとなるため、実質的には振幅が一定の区間ゼロのままとなるような領域は出現しない。これにより、サンプルドブラッググレーティングよりも導波路長を短縮することが可能となる。
【００７０】
包絡線の勾配の符号が反転する孤立した座標点は導波路上で複数個存在する。おのおのの座標点では、付随的に位相の不連続変化を伴う。位相が不連続変化すると局所周期（ピッチ）が変化するため、ピッチが当該座標点で対象とするスペクトルにおける中心波長を光導波路の実効屈折率の平均値ｎａｖで除算した値の半分とは異なる値をとる。包絡線の勾配の符号が反転する座標点を特定する精度は、横軸にとっている導波路の座標ｚの離散化刻みによる。その刻みをΔｚとすると、座標点を特定する精度は±Δｚの範囲にある。このように、本発明の振幅変調型グレーティング光導波路には、グレーティングの振幅の包絡線の勾配の符号が反転し、その結果、ピッチが離散的に変化する座標点が存在する。
離散化したグレーティングピッチは、Δｚに依存して決まるΔＰにより、Ｐ±ＮΔＰとして表すことが可能であり、Ｎは逆散乱問題を解く際の離散化パラメータに係る整数である。
【００７１】
ピッチの離散的変化は、チャープトブラッググレーティングには見られない特徴である。チャープトブラッググレーティングでは、ピッチは光導波方向に沿って連続的に変化する。チャープトブラッググレーティングでは、ブラッググレーティングの振幅も同時に変化するが、振幅の変化はアポダイズのような副次的特性の実現に利用されるにとどまり、フィルタの反射スペクトルのチャネル数・位相特性などの主要な特性はブラッググレーティングの周波数を光の導波方向に沿って変化させることによって達成される。ここに開示した手順では、チャープ型グレーティングを構成することはできない。チャープ型グレーティングを構成するには、複素反射スペクトルｒ（ｋ）から時間応答（インパルス応答）Ｒ（ｚ）への変換を複素数型へと切り替える必要がある。その結果、式（１７）により得られるポテンシャル分布ｑ（ｚ）は複素数となる。ｑ（ｚ）が複素数であると、ｑ（ｚ）から実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）を求めるにあたり、ｎｅｆｆ（ｚ）は実数であるため、ｑ（ｚ）の実部のみをとることが必要である。よって、本発明の振幅変調型グレーティング構造と従来公知のチャープ型グレーティング構造とは設計方法を異にし、互いに異なる範疇に分類される。振幅変調型に相対することから、チャープ型グレーティング構造は、いわば、周波数変調型に分類される。
【００７２】
本発明では、他の実施例すべてを含めて、当該の複素反射スペクトルからインパルス応答への変換に用いる演算は実数型とし、振幅変調型ブラッググレーティングを対象とする。振幅変調型ブラッググレーティングを選択するための条件をまとめると、以下の二点となる。
（Ｉ） 指定するスペクトル特性の周波数範囲を原点（周波数ゼロ）から該当するスペクトルチャネルの存在する領域まですべてを含める。
（ＩＩ）上述の複素反射スペクトルからインパルス応答への変換において実数型を選択する。
【００７３】
実際の計算手順では、まず、グレーティング光導波路デバイスの全長を決めることにより、ｚの最大値を特定する。これは、例えば、光分散補償器の場合であれば、補償すべき群遅延分散値とチャネル帯域幅とからグレーティング光導波路で発生すべき群遅延時間の最大値が決まるので、これに真空中の光速度ｃｌｉｇｈｔを乗じ、さらに実効屈折率の平均値ｎａｖで除することで、最低限必要となる素子長を決めることが出来る。反射型デバイスとして構成する場合、往復の光路により必要な群遅延時間を得れば良いので、実際の必要素子長は群遅延時間差の最大値から直接求められる素子長の概略半分で良い。素子の全長は、これに一定の余長を追加したものとする。例えば、素子全長を必要素子長の１２０％とする。
続いて、ｚ座標の離散化の刻みを決める。ｚ軸上で定義される各種分布関数を数値解析で取り扱うには、データを有限長にする（離散化する）ために、ｚ軸上に等間隔に配置された点を選び、ｚ座標を設定する。一例として、設計中心波長λを基準として素子全長を１３，２００λ、ｚ軸上の離散化刻みΔｚをλ／４０に設定すると、ｚ０からｚ５２８０００までの５２８，０００点について光分散補償器のポテンシャル分布ｑ（ｚ）を計算することとなる。
【００７４】
複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた波長に対する所望の光学特性の一例として、反射率の分布を図１７及び図１８に示すとおりとし、群遅延特性を図１９及び図２０としたとき、計算によって求められるポテンシャル分布ｑ（ｚ）の一例を図２１及び図２２に示す。後述する実施例１のシミュレーション結果によれば、このようにして求められた図２１のポテンシャル分布ｑ（ｚ）が達成していると期待される反射率の分布（反射率スペクトル）は、図２３、図２４、図２５及び図２６、また群遅延特性（群遅延スペクトル）は、図２７、図２８、図２９及び図３０であり、設計インプットとして与えた光学特性をよく再現している。なお、図２４、図２５、図２６、図２８、図２９及び図３０においては、各波長チャネルのうちで分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域内を太実線で、分散補償を意図していない領域を点線で示した。
【００７５】
複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与える光学特性においては、各波長チャネルにおいて、分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域の両側に、分散補償を意図しないが一定の反射率を有する波長領域を付与することが好ましい。例えばこの領域では、一定の群遅延量を有し、かつ、分散補償を意図する波長領域と概略同一の反射率を有するようにする。さらに、各波長チャネルの境界付近、すなわち、ある波長チャネルの「波長分散を補償することを意図していないが一定の反射率を有するように規定した領域」と隣接する波長チャネルの「波長分散を補償することを意図していないが一定の反射率を有するように規定した領域」との間に、反射率を規定しないか、又は原則として透過すると規定した領域を設けても良い。
【００７６】
予め求めた光導波路断面構造、具体的にはコア寸法と等価屈折率との関係を元に、逆散乱問題を解いて得られたポテンシャル分布ｑ（ｚ）を実効屈折率ｎｅｆｆ（ｚ）に換算し、続いて光導波路の光伝搬方向（長手方向）におけるコア寸法分布を算出する。
【００７７】
図２（ａ）〜（ｃ）に示した第１実施形態の光導波路デバイスについて、実効屈折率ｎｅｆｆとコア幅ｗとの対応を求めた結果の一例を図７に示す。この事例では、クラッド材料はシリカ（ＳｉＯ２）であり、コア材料は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）である。コアの厚みｔは１．４μｍとした。この第１実施形態の光導波路構造は偏波依存性を有するため、この事例では、ＴＥモード用のデバイスとして設計した。この図７に示したような実効屈折率ｎｅｆｆとコア幅ｗとの対応関係を得るには、コア幅ｗの値を変化させて、それぞれの光導波路の断面構造から固有伝搬モードの電磁界分布をモードマッチング法、有限要素法、もしくはビーム伝搬法など各種方法を採用したモードソルバープログラムにより求め、その実効屈折率ｎｅｆｆを算出することで求められる。
実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）と図７のグラフとから、各ｚ座標におけるコア幅ｗを求めることが出来る。図７より、実効屈折率と光導波路の構造寸法との関係を検討した範囲のおよそ中央を基準にとることによって、参照屈折率（平均実効屈折率）ｎａｖは例えば１．９５とする。また、図８には、コアの厚みｔを１．０μｍとした場合に求められた実効屈折率ｎｅｆｆとコア幅ｗとの対応を示す。
【００７８】
（光導波路の製造工程）
次に、第１実施形態の基板型光導波路の製造工程について説明する。
まず、図４に示すように、コア１の材料となる高屈折率材料層１ａを形成する（高屈折率材料層形成工程）。ここでは、支持基板５の上に下部クラッド６を形成した後、下部クラッド６の上に高屈折率材料層１ａを形成している。支持基板５は例えばシリコンウエハであり、下部クラッド６は、ＣＶＤ装置等を用いて適切な厚さで堆積させたＳｉＯ２膜である。また、高屈折率材料層１ａは、光導波路コアを形成するためのＳｉ３Ｎ４膜を、ＣＶＤ装置等を用いて所望の厚さで堆積させたものである。
【００７９】
次に、図４に二点鎖線で示すように、高屈折率材料層１ａの上にフォトレジストパターン６０を形成する。このフォトレジストパターン６０は、設計された光導波路のグレーティング構造２に対応するものである。露光は、ステッパー露光装置を用いて行うことができる。露光に用いる光の波長は、フォトレジストの特性に応じて適宜設定することができ、例えば２４８ｎｍが挙げられる。フォトレジストパターン６０の形成には、バイナリ型のフォトマスクを用いて露光しても良いが、露光装置の性能上その必要がある場合には、レベンソン型位相シフト型フォトマスクを用いて露光するか、またはレベンソン型位相シフト型フォトマスクを用いた露光とバイナリ型フォトマスクを用いた露光とを組み合わせ２段階の露光工程を行うこともできる。露光工程後、フォトレジスト層を現像する現像工程を行う。
現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて高屈折率材料層１ａをエッチングするエッチング工程を行い、続いて残留したフォトレジストを除去する工程を行うことにより、図５に示すように、側壁に凸部２ｂ及び凹部２ａからなるグレーティング構造２を有するコア１を形成することができる。
さらに、図６に示すように、ＣＶＤ装置等を用いて適切な厚さで上部クラッド７（例えばＳｉＯ２）を堆積させる。コア１上に堆積された上部クラッド７の厚さは、下部クラッド６の上に堆積する上部クラッド７の厚さと異なることがある。必要に応じて、基板５からの高さが揃うように化学機械研磨（ＣＭＰ）等により平坦化工程を行うこともできる。
【００８０】
以上の工程により、コア側壁にグレーティング構造を有する基板型光導波路を製作することが可能である。なお、通常、比屈折率差の大きい基板型光導波路の使用にあたっては、光ファイバとの光学的接続においてモードフィールド径の変換器が必要である。一般的には、上記工程に前後してモードフィールド変換部あるいはスポットサイズ変換部と呼ばれる領域を形成する工程を設け、同一基板上に当該光導波路と光学的に接続するように集積化して形成する。
【００８１】
＜基板型光導波路部品の第２実施形態＞
図９に基板型光導波路部品の第２実施形態の断面図を示す。この実施形態では、光導波路コア側壁にグレーティング構造１２を有するとともにコア上部１１に溝状グレーティング構造１３を有することで、偏波無依存型のデバイスとすることができる。
側壁グレーティング構造１２は、コアの幅ｗｏｕｔの周期的変化としてコア１０の両側壁に形成された凹部１２ａと凸部１２ｂとから構成されている。凹部１２ａではコア幅が狭く、凸部１２ｂではコア幅が広い。
コア上部１１の溝状グレーティング構造１３においては、側壁グレーティング構造１２の凸部１２ｂに相当する位置において、コア１０を形成する材料が凸状を成し溝状構造１３の幅が狭くなっていて、凸部１３ｂとなっている。また、側壁グレーティング構造１２の凹部１２ａに相当する位置において、コア１０を形成する材料が凹状を成し溝状構造１３の幅が広くなっていて、凹部１３ａとなっている。つまり、溝状構造１３の幅ｗｉｎとしては、凸部１３ｂにおいて溝状構造１３の幅ｗｉｎが狭く、凹部１３ａにおいて溝状構造１３の幅ｗｉｎが広いという逆転した関係になっている。
この事例では、コア１０をＳｉ３Ｎ４膜、クラッド１６，１７をＳｉＯ２膜とし、図１１に示す断面においてコアの厚みｔｏｕｔを１．４μｍ、コア上部の溝深さｔｉｎを０．１μｍとしたとき、図１０、図１１、図１２に示すように、実効屈折率ｎｅｆｆに対して適切なコア幅ｗｏｕｔとコア上部の溝幅ｗｉｎとを求めることにより、偏波無依存型のデバイスを実現することができる。
【００８２】
＜基板型光導波路部品の第３実施形態＞
図１３に基板型光導波路部品の第３実施形態の断面図を示す。この基板型光導波路部品２０は、光学特性を可変とするための内側コア２１，２２と、光学特性の偏波依存性の問題を解消するための外側コア２４とを備えた二重コア構造を採用している。
この二重コア構造は、基板２５上に形成された下部クラッド２６上に存在する。内側コア２１，２２は例えばシリコン（Ｓｉ）から構成され、外側コア２４は例えば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成される。中央ギャップ２３は、高屈折率材料とする必要はなく、シリカ（ＳｉＯ２）、窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）あるいは窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）等から構成しても良い。組成比ｘ：ｙは、所望の屈折率が得られるように制御することができる。
複合コアの上部および両側方は、上部クラッド２７で覆われている。上部クラッド２７および下部クラッド２６は、二重コア構造の平均屈折率よりも低い材料から構成され、例えばシリカ（ＳｉＯ２）から構成される。上部クラッド２７の材料と下部クラッド２６の材料は、同じでも異なっても構わない。
【００８３】
内側コア２１，２２は、中央ギャップ２３を介して２つの部分に分けられ、それぞれがリブ２１ｂ，２２ｂとスラブ２１ａ，２２ａとを有する。内側コア２１，２２には、不純物元素（ドーパント）のインプラント処理によってＰ型半導体領域及びＮ型半導体領域が形成されている。
外側コア２４は内側コア２１，２２の上に配置されている。外側コア２４の屈折率は、内側コア２１，２２の平均屈折率よりも低い。図１３には現されていないが、外側コア２４の側壁２４ｂ及び上面２４ａの溝状構造２４ｃには、それぞれ図９のコア１０と同様な側壁グレーティング構造及び上部溝状グレーティング構造が形成されている。具体的には、外側コア２４の幅ｗｏｕｔを周期的に変化させた側壁グレーティング構造と、外側コア２４の上面２４ａに形成された溝状構造２４ｃの幅ｗｉｎを周期的に変化させた上部溝状グレーティング構造を備えている。
内側コア２１，２２は一方がＮ型シリコン、他方がＰ型シリコンからなり、金属配線を介して外部の制御回路（図示せず）と接続し、外部から電圧を印加することにより光学特性を可変としている。
【００８４】
光導波路断面構造の設計事例として、ｔ１を２５０ｎｍ、ｔ２を５０ｎｍ、ｗ１を２８０ｎｍ、ｗ２を１６０ｎｍ、ｔｏｕｔを６００ｎｍ、ｔｉｎを１００ｎｍとした場合で算出した実効屈折率ｎｅｆｆに対するコア幅ｗｏｕｔとコア上部の溝幅ｗｉｎとの関係を図１４、図１５、図１６に示す。この事例では、参照屈折率ｎａｖは例えば２．３４８であり、第１及び第２の実施形態と同様にして、グレーティング構造を設計することができる。
【実施例】
【００８５】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００８６】
（実施例１）
分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路のＬ−ｂａｎｄの波長分散を補償する波長分散補償素子を設計した。
設計中心周波数を１８８．４ＴＨｚ（すなわち、設計中心波長は１５９１．２５５ｎｍ）とし、該設計中心周波数・設計中心波長における波長分散補償量を−２９５ｐｓ／ｎｍ、分散スロープＲＤＳを０．０２４／ｎｍとし、分散補償を意図するチャネル帯域（分散補償波長チャネル帯域）及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域における反射率を０．９（反射信号の挿入損失０．５ｄＢに相当。）に設定した。
１８６．２ＴＨｚ（１６１０．０５６ｎｍ）の第１チャネルから１９０．６ＴＨｚ（１５７２．８８８ｎｍ）の第４５チャネルまですべてのチャネルについてチャネルグリッドを１００ＧＨｚとした。
【００８７】
分散スロープＲＤＳに依存して、最も短波長側にある第４５チャネルにおいて設定すべき波長分散補償量は−１６５ｐｓ／ｎｍとなり、分散補償に必要となる最大群遅延差が最小の値を取る。このことから、第４５チャネルにおいて、分散補償を意図するチャネル帯域を一番広く設定することが可能である。第４５チャネルにおいて、分散補償を意図するチャネル帯域を８０ＧＨｚ、分散補償を意図しないが反射率を規定する領域を１０ＧＨｚ（５ＧＨｚずつ両側）、反射率を規定しない境界領域を１０ＧＨｚとした。このとき、第４５チャネルにおいては８０ＧＨｚのチャネル帯域は０．６６０ｎｍに相当し、８０ＧＨｚのチャネル帯域全体の分散補償に必要となる最大群遅延差は、１０９ｐｓであった。第４５チャネルは８０ＧＨｚもの広いチャネル帯域を有するので、４０Ｇｂｐｓなどの広い帯域を必要とする高速な信号を伝送可能である。
一方、最も長波長側にある第１チャネルにおいては、設定すべき波長分散補償量は−４２８ｐｓ／ｎｍとなり、８０ＧＨｚのチャネル帯域は０．６９２ｎｍに相当する。このことから、チャネル帯域を第４５チャネルと同一の８０ＧＨｚにした場合に分散補償に必要となる最大群遅延差は、２９６ｐｓということになる。よって、第１チャネルにおいても第４５チャネルと同じ１０９ｐｓを最大群遅延差とした場合には、第１チャネルの帯域は第４５チャネルの帯域に対して約３７％となる３０ＧＨｚしか割り当てることができない。しかしながら、最も長波長側にある第１チャネルにおいても３０ＧＨｚのチャネル帯域を割り当てることができれば、例えば１０Ｇｂｐｓの信号の伝送には十分な広さである。このようにして、各チャネルについて、第４５チャネルの最大群遅延差である１０９ｐｓを基準とし、当該チャネルにおける所望の分散補償量の大きさ、すなわち、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値の絶対値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、１０９ｐｓとなるように、各チャネルのチャネル帯域を決める。例えば、上述の第１チャネルの場合、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値は、１０９ｐｓを４２８ｐｓ／ｎｍで除することにより約０．２５５ｎｍと求められ、約３０ＧＨｚ（より詳しくは２９．５ＧＨｚ）に相当する。
【００８８】
このようにして各チャネルにおいて分散補償を意図するチャネル帯域の帯域幅を決定して群遅延スペクトルを設計し、反射率スペクトルとともに設計入力パラメータ（インプット）とする。この実施例では、図１７及び図１８に示す反射率スペクトルと、図１９及び図２０に示す群遅延スペクトルを設計し、これを複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた。
なお、本実施例では、図１７及び図１８に示す反射率スペクトルにおいて、反射率を０．９とする領域（分散補償を意図するチャネル帯域及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域の合計）の帯域幅が一定となるようにしているので、波長が短くなる（周波数が大きくなる）に従って分散補償を意図するチャネル帯域が広くなっていく様子は、図１９及び図２０に示す群遅延スペクトルから理解することができる。また、図１９及び図２０によれば、各チャネルの最大群遅延差が略同一であることも理解することができる。
【００８９】
この素子では、最大群遅延差としては１０９ｐｓを要することから、必要素子長としては１１０００λ程度である。別途実施した検討から、必要素子長に対し２０％程度の余長を付加するのが適切であることがわかっているため、１１０００λに対して１２０％となる１３２００λの素子長でポテンシャル分布ｑ（ｚ）を求めた。離散化刻みをλ／４０としたので、ｚ軸上の点数は５２８０００である。このようにして設計したポテンシャル分布ｑ（ｚ）を図２１及び図２２に示す。
図２１及び図２２のポテンシャル分布が達成している光学特性を計算した結果を、図２３、図２４、図２５及び図２６の反射率スペクトルと、図２７、図２８、図２９及び図３０の群遅延スペクトルに示す。なお、図２４、図２５、図２６、図２８、図２９及び図３０においては、各波長チャネルのうちで分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域内を太実線で示しており、設計インプットを良く再現した設計結果が得られていることが分かる。
本実施例は、１３２００λの素子長で設計したので、ｎａｖが１．９５である実施形態であれば１１ｍｍ、ｎａｖが２．３４８である実施形態であれば９ｍｍでこの波長分散補償素子が実現できる。
以上の結果から、ＤＳＦ１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路について、Ｌ−ｂａｎｄにおいて４５チャネルの多数のチャネルの波長分散及び分散スロープを一括して補償することが可能であり、サーキュレータとともに用いることでインラインでの分散補償に用いることができ、３０ＧＨｚから８０ＧＨｚまでの異なるチャネル帯域を有する小型の波長分散補償素子を設計することができた。４５チャネルのうち、一部のチャネルは広帯域であり４０Ｇｂｐｓなどの高速な信号を伝送可能であり、残りのチャネルも１０Ｇｂｐｓの信号を十分伝送可能である。
【００９０】
（実施例２）
分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）２００ｋｍからなる光ファイバ伝送路のＬ−ｂａｎｄの波長分散を補償する波長分散補償素子を設計した。
実施例２では、実施例１を若干変更して、設計中心周波数１８８．４ＴＨｚ（すなわち、設計中心波長は１５９１．２５５ｎｍ）における波長分散補償量を実施例１の２倍の、−５９０ｐｓ／ｎｍとした。
【００９１】
分散スロープＲＤＳを実施例１と同一にしたため、第４５チャネルにおいて設定すべき波長分散補償量は−３３０ｐｓ／ｎｍとなり、８０ＧＨｚのチャネル帯域全体の分散補償に必要となる最大群遅延差は、２１８ｐｓであった。各チャネルについて、当該チャネルにおける所望の分散補償量の大きさ、すなわち、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値の絶対値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、２１８ｐｓとなるように、各チャネルのチャネル帯域を決めた。各チャネルの帯域は実施例１とそれぞれ同一であり、第１チャネルの帯域は約３０ＧＨｚである。他のパラメータは実施例１と同様とした。
【００９２】
これらの諸光学特性を設計インプットとして、図３１及び図３２に示す反射率スペクトルと、図３３及び図３４に示す群遅延スペクトルとを設計し、これを複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた。
なお、本実施例では、図３１及び図３２に示す反射率スペクトルにおいて、反射率を０．９とする領域（分散補償を意図するチャネル帯域及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域の合計）の帯域幅が一定となるようにしているので、波長が短くなる（周波数が大きくなる）に従って分散補償を意図するチャネル帯域が広くなっていく様子は、図３３及び図３４に示す群遅延スペクトルから理解することができる。また、図３３及び図３４によれば、各チャネルの最大群遅延差が略同一であることも理解することができる。
【００９３】
この素子では、最大群遅延差としては２１８ｐｓを要することから、必要素子長を２２０００λと考え、余長を付加し１２０％となる２６４００λの素子長でポテンシャル分布ｑ（ｚ）を求めた。離散化刻みをλ／４０としたので、ｚ軸上の点数は１０５６０００である。このようにして設計したポテンシャル分布ｑ（ｚ）を図３５及び図３６に示す。
図３５及び図３６のポテンシャル分布が達成している光学特性を計算した結果を、図３７、図３８、図３９及び図４０の反射率スペクトルと、図４１、図４２、図４３及び図４４の群遅延スペクトルに示す。なお、図３８、図３９、図４０、図４２、図４３及び図４４において、太実線が分散補償を意図するチャネル帯域内を示しており、設計インプットを良く再現した設計結果が得られていることが分かる。
本実施例は、２６４００λの素子長で設計したので、ｎａｖが１．９５である実施形態であれば２２ｍｍ、ｎａｖが２．３４８である実施形態であれば１８ｍｍでこの波長分散補償素子が実現できる。
以上の結果から、ＤＳＦ２００ｋｍからなる光ファイバ伝送路について、Ｌ−ｂａｎｄにおいて４５チャネルの多数のチャネルの波長分散及び分散スロープを一括して補償することが可能であり、サーキュレータとともに用いることでインラインでの分散補償に用いることができ、３０ＧＨｚから８０ＧＨｚまでの異なるチャネル帯域を有する小型の波長分散補償素子を設計することができた。４５チャネルのうち、一部のチャネルは広帯域であり４０Ｇｂｐｓなどの高速な信号を伝送可能であり、残りのチャネルも１０Ｇｂｐｓの信号を十分伝送可能である。
【００９４】
（比較例１）
チャネル帯域幅をすべてのチャネルで一定として光分散補償素子を設計した比較例１として、分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路のＬ−ｂａｎｄの波長分散を補償する波長分散補償素子を設計した。
設計中心周波数１８８．４ＴＨｚ（すなわち、設計中心波長は１５９１．２５５ｎｍ）における波長分散補償量を−２９５ｐｓ／ｎｍ、分散スロープＲＤＳを０．０２４／ｎｍとし、分散補償を意図するチャネル帯域（分散補償波長チャネル帯域）及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域における反射率を０．９（反射信号の挿入損失０．５ｄＢに相当。）に設定した。
１８６．２ＴＨｚ（１６１０．０５６ｎｍ）の第１チャネルから１９０．６ＴＨｚ（１５７２．８８８ｎｍ）の第４５チャネルまですべてのチャネルについてチャネルグリッドを１００ＧＨｚ、分散補償を意図するチャネル帯域を８０ＧＨｚ、分散補償を意図しないが反射率を規定する領域を１０ＧＨｚ（５ＧＨｚずつ両側）、反射率を規定しない境界領域を１０ＧＨｚとした。
これらの諸光学特性を設計インプットとして、図４５及び図４６に示す反射率スペクトルと、図４７及び図４８に示す群遅延スペクトルを設計し、これを複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた。
【００９５】
この素子では、最大群遅延差としては２９６ｐｓを要することから、必要素子長を２８０００λと考え、余長を付加し１２０％となる３３６００λの素子長でポテンシャル分布ｑ（ｚ）を求めた。離散化刻みをλ／４０としたので、ｚ軸上の点数は１３４４０００である。このようにして設計したポテンシャル分布ｑ（ｚ）を図４９及び図５０に示す。
図４９及び図５０のポテンシャル分布が達成している光学特性を計算した結果を、図５１、図５２、図５３及び図５４の反射率スペクトルと、図５５、図５６、図５７及び図５８の群遅延スペクトルに示す。なお、図５２、図５３、図５４、図５６、図５７及び図５８においては、各波長チャネルのうちで分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域内を太実線で示しており、設計インプットを良く再現した設計結果が得られていることが分かる。
本比較例では、光ファイバ伝送路の長さ、設計中心周波数における波長分散補償量、分散スロープＲＤＳ及びチャネル数が実施例１と同じ場合に、すべてのチャネル帯域幅を一定にした条件で波長分散補償素子を実現するため、３３６００λの素子長で設計した。ｎａｖが１．９５である実施形態であれば２８ｍｍ、ｎａｖが２．３４８である実施形態でも２３ｍｍもの素子長が必要になる。
以上の結果から、ＤＳＦ１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路について、Ｌ−ｂａｎｄにおいて４５チャネルの多数のチャネルの波長分散及び分散スロープを一括して補償するにあたり、本比較例では、実施例１の２．５倍もの素子長が必要であることがわかった。
【符号の説明】
【００９６】
１，１０…コア、１ａ…高屈折率材料層、２，１２…側壁グレーティング構造、２ａ，１２ａ…凹部、２ｂ，１２ｂ…凸部、１３…溝状グレーティング構造、１３ａ…凹部、１３ｂ…凸部、３，１１…上面、４，１４…底面、５，１５，２５…基板（支持基板）、６，１６，２６…下部クラッド、７，１７，２７…上部クラッド、２０…基板型光導波路デバイス、２１，２２…内側コア、２１ａ，２２ａ…スラブ、２１ｂ，２２ｂ…リブ、２３…中央ギャップ、２４…外側コア、２４ａ…上面、２４ｂ…側壁、２４ｃ…溝状構造、６０…側壁用のフォトレジストパターン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信システムにおいて伝送路である光ファイバの波長分散を補償するために用いられる光分散補償素子及びその設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ファイバ通信システムの発展、特にエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）と高密度波長多重通信システム（ＤＷＤＭ）の発明により、光ファイバ通信網で伝送される情報量が急速に増大している。さらなるデータ容量の増加に備え、時分割多重変調方式の高速化、多重する波長数の増加や周波数利用効率の高い変調方式などについて研究開発が進められている。
【０００３】
光ファイバ伝送路には、屈折率の波長依存性すなわち波長分散があり、これにより変調した信号光を伝送した時に群遅延が生じる。光ファイバ通信システムでは、通常、群遅延の波長依存性を波長分散と呼称している。変調速度を高速化すると、１チャネルの信号伝送に必要とされる帯域幅が拡がり、また伝送される信号の各ビットの時間間隔が狭まることから、光ファイバ伝送路の波長分散の影響による信号波形の劣化が著しいものとなる。このため、高速通信では光波長分散補償器を用いることが必須となる。
【０００４】
一方、情報通信システムの規模及び設置数量の急速な拡大に伴って、コンピュータシステムやハイエンドルータなどの消費する膨大な電力が経済性のみならず環境影響の観点からも問題視されるようになりつつあり、省電力化し環境負荷を低減するグリーンＩＣＴ（Information and Communication Technology）が必要とされている。ルータ等各種伝送装置を小型化することが出来れば、データセンターや通信キャリア局舎への装置収容効率が改善され、空間利用効率が良くなるばかりでなく、当該データセンターあるいは通信キャリア局舎のエアコン電力を大きく削減することが可能となり、省エネに貢献する。よって、各種光伝送装置に用いられる光部品についても、省電力化と小型化とが求められている。
【０００５】
従来、光波長分散補償には、伝送路用光ファイバとは波長分散の符号の正負が逆転した光学特性を有する波長分散補償用光ファイバを用いた分散補償光ファイバモジュールが一般的に用いられている。分散補償光ファイバモジュールは、長距離の波長分散補償用光ファイバをボビンに巻いたモジュールが大型であることや、補償距離に比例して挿入損失が増大することなどの欠点があるため、その代替として、より小型で挿入損失の小さい光部品型の分散補償器が要望されていた。
分散補償光ファイバモジュールは、通信波長帯域の全体を補償しようとするものであって、その群遅延スペクトルは連続的であり、いずれの波長を波長チャネルとして利用するかについての制限はない。また、各波長チャネルにおいて利用可能なチャネル帯域幅についての制限もない。ただし、波長分散補償用光ファイバでは、各種光学特性のバランスを勘案してその設計を決めるために、必ずしも補償対象とする伝送路用光ファイバの分散スロープを完全に補償できるような光学特性とすることはできず、通常は波長チャネルによって分散補償残差が生じることとなる。近年、ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）装置などの普及により、分散補償残差の累積が問題視されるようになっている。実際に分散補償光ファイバモジュールで補償可能な波長範囲は、分散補償残差の累積に対するトレランスによって制約を受ける。
【０００６】
チャープトＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）など、単チャネル用の光部品型の光波長分散補償器では、その単一のチャネルの一定の帯域内において所望の補償特性を高い精度で達成することが可能であり、また、光学特性を可変とすることもできる。しかしながら、ＤＷＤＭですべての波長チャネルを一括して補償することができないため、インライン型の光波長分散補償器として使用することはできない。これらは、通常は、受信器の前段に配置される。また、１チャネルに１個必要となるため、高価である。合分波器と組み合わせてインライン型として用いることも技術的には可能であるが、さらに高価となる。
【０００７】
ＶＩＰＡ型又はエタロンを用いた光分散補償器や、ＡＷＧ又はＭＺＩを用いたＰＬＣ型の光分散補償器などの中には、ＦＳＲ（Free Spectral Range）と呼ばれる一定の周波数間隔で生じる光学特性の周期性を利用して、複数の波長チャネルの波長分散を一括して補償できるものがある。この場合、波長チャネル間隔とＦＳＲとは一致している必要があるため、１個の光分散補償器を用いて一括して補償可能な波長帯域では、波長チャネル間隔は単一であり、波長チャネル帯域幅すなわち各波長チャネルにおいて波長分散が適切に補償され光信号伝送に利用可能な帯域幅は概略同一とされる。ＤＷＤＭにおいて利用される波長チャネルは、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６９４．１ Spectral grids for WDW applications: DWDM frequency grid（０６／２００２）に規定されており、１２．５ＧＨｚ間隔、２５ＧＨｚ間隔、５０ＧＨｚ間隔及び１００ＧＨｚ間隔について記載がある。１００ＧＨｚを超える間隔で用いる場合には、１００ＧＨｚ間隔で用いる波長（周波数）から選択して用いる。一般的には、Ｃ−ｂａｎｄ及びＬ−ｂａｎｄの多数の波長チャネルの信号を波長多重して１本の光ファイバで伝送するシステムにおいて、Ｃ−ｂａｎｄ用の光分散補償器を１個と、Ｌ−ｂａｎｄ用の光分散補償器を１個用いることにより、２つの波長帯域に分けて扱う。これら一定の周波数間隔で複数の波長チャネルの波長分散を一括して補償する光分散補償器においては、ＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６９４．１に規定された周波数グリッドに対応する波長、すなわちＤＷＤＭにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長の波長チャネルのそれぞれにおいて、例えば５０ＧＨｚといった所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償できるように群遅延スペクトルが設定されている。つまり、分散補償光ファイバモジュールとは異なり、その群遅延スペクトルは分散補償を意図する所望の群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割されており、そのようなチャネル帯域の範囲外となる分散補償を意図しない波長範囲においては群遅延特性は規定されない。
これらの光分散補償器は、分散スロープ補償まで含めて所望の光学特性とすることは困難であり、インライン型として用いた場合には、チャネルによっては大きな分散補償残差が生じる。光学特性を可変する機能を有するものが多く、単チャネル用としても多用される。
【０００８】
特許文献１には、逆散乱問題解法を用いて設計した、離散化した複数のグレーティングピッチと不均一かつ非チャープ型のグレーティング振幅を有するグレーティング構造からなる基板型光導波路で実現した光分散補償器が開示されている。この光分散補償器は、所望の光学特性を設計インプットとし、逆散乱問題解法を用いてグレーティング構造を設計することから、分散補償残差が無いようにして複数チャネルを一括して補償するインライン型光波長分散補償器を設計し、実現することが可能である。
【０００９】
なお、ＤＷＤＭでは、多数の波長チャネルを同時に使用するが、初期投資を抑制し当初は使用チャネル数を少なくしておき、需要の増加とともに使用チャネル数を追加していくというようなことが行われる。このとき、例えば多くの波長チャネルでは高速かつ比較的安価な１０Ｇｂｐｓの伝送装置が用いられ、一部の波長チャネルでのみ、超高速であるが高価な４０Ｇｂｐｓの伝送装置が用いられるというように、異なる通信速度が混在して使用されることがある。例えば、特許文献２や特許文献３には、１０Ｇｂｐｓなどの低速チャネルと４０Ｇｂｐｓの高速チャネルとを混在させて使用する光ファイバ通信システムの事例及び該システムにおける波長分散補償に関する問題について開示がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００９／１０７７９８号
【特許文献２】特開２００９−０９４９７９号公報
【特許文献３】特開２００９−２３２１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
光ファイバ通信網の伝送容量を増大させようとする時、２．５Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓ、４０Ｇｂｐｓ、１００Ｇｂｐｓへと時分割多重変調方式の変調速度を向上させる場合には、１波長チャネル当りの必要帯域幅が変調速度によって広くなっていく。
ところで、一般に光分散補償器は、分散補償量に応じた光路長を要するデバイスであることから、大きな分散量を補償しようとする場合、また広い帯域について補償しようとする場合に、長い素子長が必要となる。例えば、同一のチャネル帯域を補償する場合に、２００ｐｓ／ｎｍを補償する光分散補償器は１００ｐｓ／ｎｍを補償する光分散補償器の２倍の光路長を必要とする。また、同じ１００ｐｓ／ｎｍの波長分散を補償しようとする時、１．６ｎｍのチャネル帯域を有する光分散補償器は０．８ｎｍのチャネル帯域を有する光分散補償器の２倍の光路長を必要とする。２倍の光路長を必要とする場合、一般には素子内の光分散補償部の寸法が２倍必要になる。
よって、ある決められた寸法の光分散補償器でチャネル帯域を２倍、４倍に拡張しようとすると、補償可能な分散量は１／２、１／４に減少してしまうことになる。同一の分散補償量を保持したままチャネル帯域を２倍、４倍に拡張しようとすると、光分散補償素子の寸法も略２倍、略４倍に増大してしまう。しかし、一方では、上述したように小型な光分散補償器が要望されている。
このような、小型であり、広いチャネル帯域で分散を補償するという相反する要求を同時に解決し、インライン型として用いて複数の波長チャネルの波長分散を一括して補償することが可能であり、分散補償残差が小さく、安価な光波長分散補償用部品が求められていた。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償し、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることが可能な小型の光分散補償素子及びその設計方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本発明は、高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子であって、光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割され、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一であることを特徴とする光分散補償素子を提供する。
本発明の光分散補償素子においては、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域に位置し、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記チャネル帯域幅が、長波長側の波長チャネルにおいて狭くなっており、波長が短くなるに従って広くなっていく構成とすることも可能である。
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアが基板上に形成された基板型光導波路であることも可能である。
【００１４】
前記課題を解決するため、本発明は、高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子の設計方法であって、該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアを備えた光導波路からなり、前記グレーティング構造は、前記コアの断面寸法が前記光導波路の導波方向に沿って変化することにより構成され、該設計方法は、コアの断面寸法を変化させた際の光導波路の断面構造と実効屈折率との関係を求める光導波路断面構造設計工程と、設計入力パラメータとして波長分散、分散スロープ及び反射率を指定して所定の複素反射率スペクトルを算出した後、逆散乱問題解法によって前記複素反射率スペクトルを実現するための前記光導波路の導波方向に沿った実効屈折率分布を求めるグレーティングパターン設計工程と、前記光導波路断面構造設計工程で求めた前記断面構造と実効屈折率との関係に基づいて、前記グレーティングパターン設計工程で求めた前記実効屈折率分布を、前記断面構造の前記光導波路の導波方向に沿った分布に変換することにより、該断面構造の分布からなるグレーティング構造を求めるグレーティング構造設計工程と、を有し、前記設計入力パラメータとして入力する波長分散、分散スロープ及び反射率を、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割し、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、略同一となるように設定することを特徴とする光分散補償素子の設計方法を提供する。
本発明の光分散補償素子の設計方法においては、前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域において、設定し、かつ、前記チャネル帯域幅を、長波長側の波長チャネルにおいて狭く設定し、波長が短くなるに従って広く設定していくことも可能である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割され、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一であることから、素子寸法が過剰に大きくなることを抑止でき、小型かつ安価な光分散補償素子を提供することができる。
分散補償量を大きく設定する必要のある長波長側のチャネルではチャネル帯域を必要最小限とし、他のチャネルよりも狭い帯域に設定し、分散補償量の設定が小さくても良い短波長側のチャネルでは、代わりにチャネル帯域を広く設定して、中間のチャネルにおいては、長波長側から短波長側に向かって各チャネルの設定分散補償量が小さくなるのに応じて、チャネル帯域を徐々に広く設定していったことから、各チャネルの設定分散補償量に対応した、可能な限り広いチャネル帯域幅で光ファイバ伝送路の波長分散を補償するものであるような特性を有し、必要とするチャネル帯域幅の異なる複数の変調速度または変調方式に適切に対応して、光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償することができ、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることができる。
所望の光学特性を設計インプットとして与え、逆散乱問題解法を用いてグレーティング構造を設計することにより、離散化した複数のグレーティングピッチと不均一かつ非チャープ型のグレーティング振幅を有する光導波路部品として、光分散補償素子を実現することができる。
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、光ファイバ伝送路の零分散波長より長波長側であって、かつ光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域に位置する場合、チャネル帯域幅が、長波長側の波長チャネルにおいて狭くなっており、波長が短くなるに従って広くなっていくように設定すると、そのように配置しなかった場合と比べて、光分散補償素子をより小さく構成することができる。
基板型光導波路部品として構成した場合には、より小型な光部品として光分散補償素子を実現可能であり、データセンターや通信キャリア局舎の装置収容効率を向上させ、空調電力を削減し省エネに貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の光分散補償素子において、挿入損失スペクトル及び群遅延スペクトルの一例を示す模式図である。
【図２】（ａ）は基板型光導波路部品の第１実施形態を示すコアの部分斜視図、（ｂ）はコアの部分上面図、（ｃ）は基板型光導波路部品の断面図である。
【図３】基板型光導波路部品と光伝送路とを接続した形態の一例を示す説明図である。
【図４】第１実施形態の基板型光導波路部品の製造工程を示す部分斜視図である。
【図５】第１実施形態の基板型光導波路部品の製造工程を示す部分斜視図である。
【図６】第１実施形態の基板型光導波路部品の製造工程を示す部分斜視図である。
【図７】第１実施形態におけるコアの幅ｗに対する実効屈折率ｎｅｆｆの変化の一例を示すグラフである。
【図８】第１実施形態におけるコアの幅ｗに対する実効屈折率ｎｅｆｆの変化の別の例を示すグラフである。
【図９】基板型光導波路部品の第２実施形態を示す部分斜視図である。
【図１０】第２実施形態におけるｗｉｎに対するｎｅｆｆの変化の一例を示すグラフである。
【図１１】第２実施形態におけるｗｉｎの変化に伴うｗｏｕｔの変化の一例を示すグラフである。
【図１２】第２実施形態におけるｎｅｆｆに対するｗｉｎおよびｗｏｕｔの変化を示すグラフである。
【図１３】基板型光導波路部品の第３実施形態を示す断面図である。
【図１４】第３実施形態におけるｗｉｎに対するｎｅｆｆの変化の一例を示すグラフである。
【図１５】第３実施形態におけるｗｉｎの変化に伴うｗｏｕｔの変化の一例を示すグラフである。
【図１６】第３実施形態におけるｎｅｆｆに対するｗｉｎおよびｗｏｕｔの変化を示すグラフである。
【図１７】実施例１の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１８】図１７の一部を拡大して示すグラフである。
【図１９】実施例１の群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。
【図２０】図１９の一部を拡大して示すグラフである。
【図２１】実施例１のポテンシャル分布の一例を示すグラフである。
【図２２】図２１の一部を拡大して示すグラフである。
【図２３】図２１に示す実施例１のポテンシャル分布から求めた反射率スペクトルを示すグラフである。
【図２４】図２３の一部を拡大して示すグラフである。
【図２５】図２３の一部を拡大して示すグラフである。
【図２６】図２３の一部を拡大して示すグラフである。
【図２７】図２１に示す実施例１のポテンシャル分布から求めた群遅延スペクトルを示すグラフである。
【図２８】図２７の一部を拡大して示すグラフである。
【図２９】図２７の一部を拡大して示すグラフである。
【図３０】図２７の一部を拡大して示すグラフである。
【図３１】実施例２の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図３２】図３１の一部を拡大して示すグラフである。
【図３３】実施例２の群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。
【図３４】図３３の一部を拡大して示すグラフである。
【図３５】実施例２のポテンシャル分布の一例を示すグラフである。
【図３６】図３５の一部を拡大して示すグラフである。
【図３７】図３５に示す実施例２のポテンシャル分布から求めた反射率スペクトルを示すグラフである。
【図３８】図３７の一部を拡大して示すグラフである。
【図３９】図３７の一部を拡大して示すグラフである。
【図４０】図３７の一部を拡大して示すグラフである。
【図４１】図３５に示す実施例２のポテンシャル分布から求めた群遅延スペクトルを示すグラフである。
【図４２】図４１の一部を拡大して示すグラフである。
【図４３】図４１の一部を拡大して示すグラフである。
【図４４】図４１の一部を拡大して示すグラフである。
【図４５】比較例１の反射率スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４６】図４５の一部を拡大して示すグラフである。
【図４７】比較例１の群遅延スペクトルの一例を示すグラフである。
【図４８】図４７の一部を拡大して示すグラフである。
【図４９】比較例１のポテンシャル分布の一例を示すグラフである。
【図５０】図４９の一部を拡大して示すグラフである。
【図５１】図４９に示す比較例１のポテンシャル分布から求めた反射率スペクトルを示すグラフである。
【図５２】図５１の一部を拡大して示すグラフである。
【図５３】図５１の一部を拡大して示すグラフである。
【図５４】図５１の一部を拡大して示すグラフである。
【図５５】図４９に示す比較例１のポテンシャル分布から求めた群遅延スペクトルを示すグラフである。
【図５６】図５５の一部を拡大して示すグラフである。
【図５７】図５５の一部を拡大して示すグラフである。
【図５８】図５５の一部を拡大して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本発明の光分散補償素子において、複数の波長チャネルのそれぞれにおいて、分散補償波長チャネル帯域のチャネル帯域幅が異なり、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一である場合の挿入損失スペクトル及び群遅延スペクトルの一例を示す。図１に示す群遅延スペクトルにおいては、それぞれの分散補償波長チャネル帯域の所定のチャネル帯域幅Ａ乃至Ｆの範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域が、高密度波長多重通信システムの光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルに応じて分割されている。また、複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なっている。
光分散補償素子の各分散補償波長チャネル帯域は、光ファイバ伝送路により伝送される信号が当該波長チャネルにおいて光ファイバ伝送路の波長分散（群遅延量）及び分散スロープから受けた影響を補償するために必要な群遅延時間を有する。
【００１８】
分散補償を意図する群遅延時間を有する波長領域、すなわち各分散補償波長チャネル帯域は、群遅延量（単位はｐｓ）が傾斜して波長依存性のある領域であり、図１では、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥまたはＦとして示す。各波長チャネルにおける分散補償波長チャネル帯域内の群遅延量の傾斜は、群遅延の波長依存性（単位はｐｓ／ｎｍ）を表し、波長分散補償量に相当する。分散補償を意図する波長領域がさらに分散スロープを補償するための波長依存性（単位はｐｓ／ｎｍ２）を含んでいても良い。この場合は、波長チャネル同士で、少しずつ群遅延量が変化していてもよい。
【００１９】
分散補償を意図しない波長領域は、図１の隣接するチャネル帯域幅ＡとＢの間、ＢとＣの間、ＣとＤの間などにそれぞれ存在する。これにより、各分散補償波長チャネル帯域の群遅延スペクトルは不連続となり、相互に分離される。分散補償を意図しない波長領域では、群遅延量が波長にかかわらず一定である波長領域や、群遅延量の波長依存性が不定である波長領域や、挿入損失が大きく出力が得られない波長領域を含んでいても良い。ここで、挿入損失とは、素子が反射型である場合には反射光の挿入損失であり、挿入損失が大きい波長領域とは、反射率が小さく、当該波長の光を透過させる領域であっても良い。
各波長チャネルにおいて、分散補償を意図する波長領域の両側に、分散補償を意図しないが一定の小さい挿入損失を有する波長領域を付与することが好ましい。例えば、図１では、分散補償を意図する波長領域において挿入損失を一定とするのみならず、分散補償を意図する波長領域の両側に、分散補償を意図する波長領域におけるのと概略同一の挿入損失を有する波長領域を有する。つまり、挿入損失を小さく設定した波長領域は、分散補償を意図して群遅延を設定した波長領域Ａ乃至Ｆに比べて、帯域幅が広くされている。これにより、分散補償を意図する波長領域Ａ乃至Ｆ内に挿入損失が増大した部分が発生することを抑制できる。この、分散補償を意図しないが挿入損失を小さく設定した波長領域では、群遅延量が波長にかかわらず一定であっても良い。
なお、図１は、各波長チャネルの群遅延量（単位はｐｓ）は各分散補償波長チャネル帯域内での群遅延量の傾斜を説明するものであり、ある波長チャネルと別の波長チャネルとの間の群遅延量の関係を示すものではない。
【００２０】
図１に示す複数の波長チャネルは、より狭いチャネル帯域幅Ａを有する分散補償波長チャネル帯域から、より広いチャネル帯域幅Ｆを有する分散補償波長チャネル帯域まで、それぞれの波長チャネルにおいて光信号の伝送を意図する波長に応じて、チャネル帯域幅が徐々に変化している。
【００２１】
このように、光分散補償素子が、各波長チャネルに対応して、分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域と分散補償を意図しない波長領域とによって構成されるとともに、複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なっていることにより、必要とするチャネル帯域幅の異なる２種類以上の変調速度または変調方式に適切に対応して、光ファイバ伝送路にインライン型としても設置可能で、複数の波長チャネルを一括して補償することができ、各波長チャネルの分散補償残差をより小さくすることができる。
【００２２】
また、特許文献３の段落００３２には、１０Ｇｂ／ｓの波長チャネルと４０Ｇｂ／ｓの波長チャネルとを混載するときに、伝送速度の違いによらず、チャネル間隔を一定に設定することが記載されている。本発明の後述する実施例においても、チャネル間隔（チャネルグリッド）を一定に設定しているが、本発明においてはチャネル間隔は任意に設定可能である。例えば、分散補償波長チャネル帯域の帯域幅が狭い複数の波長チャネルを第１の群とし、分散補償波長チャネル帯域の帯域幅が広い複数の波長チャネルを第２の群としたとき、第１の群のチャネル間隔を、第２の群のチャネル間隔よりも狭く設定すると、第２の群では、広い帯域幅に対応するために必要なチャネル間隔を確保しつつ、第１の群では、より多くの波長チャネルを配置することができる。
【００２３】
分散補償波長チャネル帯域Ａから分散補償波長チャネル帯域Ｆのすべてが光ファイバ伝送路の零分散波長（群遅延の波長分散が零となる波長）より長波長側であって、かつ光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散Ｄが正となる波長領域に位置する（すなわち、光ファイバ伝送路の分散スロープＳは正であり、Ｓ／Ｄの比で定義されるＲＤＳは正である）場合には、光分散補償素子の波長分散補償量は負となり、長波長側ほど小さい（絶対値としては大きい）波長分散補償量が必要になる。すなわち、光分散補償素子の分散スロープＳは負であり、ＲＤＳは正である。
【００２４】
１つの分散補償波長チャネル帯域に必要な最大の群遅延差（分散補償波長チャネル帯域内の最大群遅延量と最小群遅延量との差）は、分散補償を意図する波長領域の波長帯域幅（単位はｎｍ）と波長分散補償量との積にほぼ相当する。このため、チャネルに要求される周波数帯域幅（単位はＧＨｚ）が広いと、波長分散補償量が同程度でも、必要な最大の群遅延差は大きくなる。
例えば、隣接する波長チャネルであり波長分散補償量はほぼ同程度である場合であっても、ある波長チャネルにおいて分散補償を意図する周波数帯域幅（例えば５０ＧＨｚ）が隣接波長チャネルにおいて分散補償を意図する周波数帯域幅（例えば２５ＧＨｚ）の２倍であるとすれば、それらの周波数帯域に対応する波長領域の帯域幅も約２倍となるため、必要となる最大の群遅延差も約２倍となる。
【００２５】
また、後述するグレーティング構造においては、最大の群遅延差が大きいほど、必要素子長が大きくなる。
このような条件下では、チャネル帯域幅の広い分散補償波長チャネル帯域では、チャネル帯域幅の狭い分散補償波長チャネル帯域よりも、必要な最大の群遅延差が大きく、さらに、分散スロープに依存して、長波長側ほど必要な最大の群遅延差が大きい。
そこで、絶対値の大きい波長分散補償量を設定する必要のある長波長側の波長チャネルを、例えば、狭いチャネル帯域幅Ａを有する分散補償波長チャネル帯域とし、絶対値の小さい波長分散補償量を設定すれば良い短波長側の波長チャネルを、例えば、広いチャネル帯域幅Ｆを有する分散補償波長チャネル帯域とし、中間の波長チャネルＢ〜Ｅにおいては、長波長側から短波長側に向かって各波長チャネルの波長分散補償量が小さくなるのに応じて、チャネル帯域幅を徐々に広く設定して、それぞれ配置することが好ましい。このように配置することによって、最大の群遅延差を略同一とすることが可能となり、光分散補償素子をより小さく構成することができる。
例えば、複数の波長チャネルのそれぞれについて、ＲＤＳに応じて変化する分散補償量と反比例するように、分散補償を意図するチャネル帯域幅を設定すると、最大の群遅延差を略同一にすることができる。さらに、伝送に用いるチャネル帯域幅は、分散補償を意図するチャネル帯域幅の範囲内で設定可能である。これにより、上述したように、最も広いチャネル帯域幅を、最も狭いチャネル帯域幅の２〜３倍またはそれ以上とすることもできる。
分散補償量と分散補償を意図するチャネル帯域幅を設定する際、最も短波長側にあるチャネルから最大群遅延差の基準を求めると、最も広いチャネル帯域の帯域幅を最初に決定することができる。その逆に、最も長波長側にあるチャネルから最大群遅延差の基準を求めると、最も狭いチャネル帯域の帯域幅を最初に決定することができる。
また、チャネル数とチャネル間隔を設定してから最大群遅延差及び各チャネル帯域の帯域幅を決定してもよく、その逆に、最大群遅延差及び各チャネル帯域の帯域幅を決定してから、それに収まるようにチャネル数とチャネル間隔を設定しても良い。
【００２６】
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアが基板上に形成された基板型光導波路からなる基板型光導波路部品として構成した場合には、より小型な光部品として光分散補償素子を実現可能であり、データセンターや通信キャリア局舎の装置収容効率を向上させ、空調電力を削減し省エネに貢献することができる。
【００２７】
＜基板型光導波路部品の第１実施形態＞
図２（ａ）〜（ｃ）に、本発明の基板型光導波路部品の第１実施形態を模式的に示す。図２（ａ）は光導波路のコア１の一部の斜視図、図２（ｂ）はコア１の同じ部分の上面図、図２（ｃ）は基板型光導波路部品の断面図である。また、基板型光導波路部品の斜視図を図６に示す。なお、図２（ｃ）においては、コア１の側壁に関して、図２（ａ）及び図２（ｂ）の凹部２ａ及び凸部２ｂの区別なしに、符号２を用いている。
この基板型光導波路部品は、光導波路が基板５上に形成された基板型光導波路部品である。光導波路は、基板５上に形成された下部クラッド６と、下部クラッド６上に形成されたコア１と、コア１および下部クラッド６の上に形成された上部クラッド７を有する。
また、側壁グレーティング構造２は、コアの幅ｗの周期的変化としてコア１の両側壁に形成された凹部２ａと凸部２ｂとから構成されている。コア幅ｗとは、光導波路の長手方向即ち信号光の導波する方向に対して垂直であり、かつ基板に平行である方向におけるコア１の幅を言う。凹部２ａではコア幅が狭く、凸部２ｂではコア幅が広い。
コア１の上面３及び底面４は平坦である。
【００２８】
光導波路の長手方向（図２（ｂ）の左右方向）において凹部２ａが継続する距離を、凹部の幅と呼ぶ。また、光導波路の長手方向において凸部２ｂが継続する距離を、凸部の幅と呼ぶ。隣接する凸部と凹部とを一組とし、その凸部の幅と凹部の幅とを加算したものが、その位置におけるグレーティングピッチである。
【００２９】
本実施形態の基板型光導波路部品は、詳しくは後述するが、グレーティングピッチが逆散乱問題を解いた結果として得られる離散化したピッチのいずれかの値をとる。すなわち、本実施形態の基板型光導波路部品は、従来公知の等ピッチグレーティング構造、チャープピッチグレーティング構造、サンプルドグレーティング構造のいずれとも異なる。
図２（ｂ）には、グレーティングピッチが、光導波路の長手方向の位置によってＰ、Ｐ＋ΔＰ、Ｐ−ΔＰのように異なる値をとることが示されている。また、コア幅ｗに関しては、図２（ｂ）には左から右に向かってコア幅ｗが増大する傾向をもつ部分を示している。後述するように、同じ光導波路が、他の部分（図示略）では左から右に向かってコア幅ｗが減少する傾向をもつ部分を含んでいる。
このように、グレーティングピッチとコア幅とが、逆散乱問題を解いた結果として得られる複雑な変化をしているので、所望の機能性を光導波路に付与することができる。
【００３０】
（デバイスの使用例）
図３に、基板型光導波路部品１０１と光伝送路１０３，１０５とを接続した形態１００の一例を示す。この基板型光導波路部品１０１はグレーティング構造を有する反射型デバイスであるため、開始端が光信号の入射端であると同時に出射端となる。図３に示すように、通常はサーキュレータ１０２を介して入出力光ファイバを接続し、使用する。サーキュレータ１０２には、入射信号光を伝搬する入射用光ファイバ１０３と、基板型光導波路部品１０１と光サーキュレータ１０２とを接続する結合用光ファイバ１０４と、出射信号光を伝搬する出射用光ファイバ１０５が接続されている。
また、基板型光導波路部品１０１と結合用光ファイバ１０４とが光接続される箇所には、通常モードフィールド変換部（モードフィールドコンバーター）あるいはスポットサイズ変換部（スポットサイズコンバーター）と呼ばれる入出力変換部を追加すると、結合用光ファイバ１０４と基板型光導波路部品１０１との接続損失を低減できるので、好ましい。
【００３１】
（デバイスの製造方法）
所望の光学特性が得られるグレーティング構造を有する基板型光導波路部品を得るため、本発明では、該光導波路の光伝搬方向にわたるポテンシャル分布を求め、これを光導波路の光伝搬方向にわたる等価屈折率分布に換算し、光導波路の寸法、より具体的には、コアの断面構造寸法及び長手方向寸法に変換することが好ましい。ポテンシャル分布の算出は、光導波路の前方及び後方に伝搬する電力波振幅なる変数を導入した波動方程式より、例えば光導波路の等価屈折率の対数の微分から導かれるポテンシャルを有するZakharov-Shabat方程式などに帰着させ、グレーティング光導波路の反射率の強度および位相のスペクトルである複素反射スペクトルからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを推測する設計法を用いて設計することが出来る。
これにより、従来公知の等ピッチグレーティング素子やチャープピッチグレーティング素子では実現出来ないような複雑な光学特性を有するブラッググレーティング素子を設計し製作することが可能となるため、例えばＤＷＤＭ光ファイバ通信システムにおいて４０チャネル一括で伝送線路光ファイバの波長分散と分散スロープとを同時に補償する光波長分散補償器といったような所望の光学特性を有するデバイスを実現することが出来る。
【００３２】
（ポテンシャル分布の設計方法）
所望の複素反射スペクトルから逆散乱問題を用いてポテンシャル分布を設計する手法は以下の通りである。
なお、後述する設計手順中の数式においては、グレーティング光導波路の長手方向、すなわち光伝搬方向をｚ軸として数式を示す。図２（ｂ）の左右方向がｚ軸方向である。該グレーティング光導波路デバイスのグレーティング領域開始端をｚ＝０、終了端をｚ最大値座標とし、ｚ最大値がすなわちグレーティング光導波路部の領域長である。
【００３３】
まず、光導波路を伝搬する電磁界を、Sipeの論文（J.E. Sipe, L. Poladian, and C. Martijn de Sterke, “Propagation through nonuniform grating structures,” Journal of the Optical Society of America A, Vol. 11, Issue 4, pp. 1307-1320 (1994)）を参照して、次のように定式化する。
【００３４】
電磁界の時間変動をｅｘｐ（−ｉωｔ）と仮定すると、該光導波路の光伝搬方向をｚ軸として、光導波路中の電界の複素振幅Ｅ（ｚ）及び磁界の複素振幅Ｈ（ｚ）は、マクスウェル方程式（Maxwell's equations）により、次式（１）、（２）となる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
【数２】
【００３７】
ただし、Ｅ（ｚ）は電界の複素振幅、Ｈ（ｚ）は磁界の複素振幅、ｉは虚数単位、ωは角周波数、μ０は真空の透磁率、ε０は真空の誘電率、ｎｅｆｆは光導波路の実効屈折率を表す。
【００３８】
式（１）、（２）から結合モード方程式（coupled-mode equations）を構築するため、ここで、次式（３）、（４）のようにＥ（ｚ）及びＨ（ｚ）を進行波（前方に伝搬する電力波）振幅Ａ＋（ｚ）と後退波（後方に伝搬する電力波）振幅Ａ−（ｚ）に変換する。該デバイスは反射スペクトルとして所望の光学特性を実現する反射型デバイスである。反射波は後退波振幅Ａ−（ｚ）に対応する。
【００３９】
【数３】
【００４０】
【数４】
【００４１】
ただし、ｎａｖは光導波路の参照屈折率（平均実効屈折率）であり、このｎａｖは、ｎｅｆｆ（ｚ）の基準となる。これらの変数Ａ＋（ｚ）及びＡ−（ｚ）は、ｃｌｉｇｈｔを真空中の光速として、次式（５）、（６）を満たす。
【００４２】
【数５】
【００４３】
【数６】
【００４４】
ここで、波数ｋ（ｚ）を次式（７）で表す。ここで、ｃｌｉｇｈｔは真空中の光速度である。
【００４５】
【数７】
【００４６】
また、式（８）のｑ（ｚ）は、結合モード方程式におけるポテンシャル分布である。
【００４７】
【数８】
【００４８】
式（５）、式（６）のｎ（ｚ）を式（７）、式（８）のｎｅｆｆ（ｚ）と同一視して代入すると、式（５）、式（６）は、式（９）、式（１０）に示すZakharov-Shabat方程式に帰着される。
【００４９】
【数９】
【００５０】
【数１０】
【００５１】
Zakharov-Shabat方程式で示された逆散乱問題を解くことは、後述するゲルファント−レヴィタン−マルチェンコ方程式（Gel'fand-Levitan-Marchenko type integral equations）を解くことであり、その手順は例えば、Frangosの論文（P.V. Frangos and D.L. Jaggard, “A numerical solution to the Zakharov-Shabat inverse scattering problem,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 39, Issue. 1, pp. 74-79 (1991)）に開示されている。
また、Xiaoの論文（G. Xiao and K. Yashiro, “An Efficient Algorithm for Solving Zakharov-Shabat Inverse Scattering Problem,” IEEE Transaction on Antennas and Propagation, Vol. 50, Issue 6, pp. 807-811 (2002)）には、Zakharov-Shabat方程式の効率的な解法が開示されている。
【００５２】
上記のグレーティング構造を有する基板型光導波路部品の光学特性は、光導波路入出力端における複素反射スペクトルｒ（ｋ）として、次式（１１）で定義される。
【００５３】
【数１１】
【００５４】
次式（１２）に示すように、ｒ（ｋ）のフーリエ変換はこの系のインパルス応答Ｒ（ｚ）である。
【００５５】
【数１２】
【００５６】
複素反射スペクトルｒ（ｋ）として波長に対する所望の群遅延特性と反射率の分布を与えることにより、これを実現するためのポテンシャル分布関数ｑ（ｚ）を数値的に解くことができる。
本設計では、グレーティングの振幅が変化して位相は振幅に従属して変化するという振幅変調型のグレーティングを用いた設計を行なう。そのため、設計の入力データとして用いる複素反射スペクトルにおいては、グレーティングの振幅の包絡線とグレーティングの振動の位相との分離性を高めるため、周波数の原点（すなわち０Ｈｚ）から所定の群遅延時間特性が求められる周波数領域をすべて含める。
【００５７】
まず、式（３）及び式（４）の解を次式（１３）、（１４）のように表す。
【００５８】
【数１３】
【００５９】
【数１４】
【００６０】
Ａ＋（ｚ）及びＡ−（ｚ）はそれぞれ＋ｚ方向及び−ｚ方向に伝搬する。式（１３）及び式（１４）中の積分項は反射の影響を表している。式（１３）及び式（１４）から、結合モード方程式が次の式（１５）及び式（１６）で表されるゲルファント−レヴィタン−マルチェンコ方程式に変換される。
【００６１】
【数１５】
【００６２】
【数１６】
【００６３】
ここで、正規化時間ｙはｙ＝ｃｌｉｇｈｔ ｔ （ｔは時間）であり、ｚ＞ｙである。Ｒ（ｚ）は、波数を変数とした複素反射スペクトルｒ（ｋ）の逆フーリエ変換であり、インパルス応答に相当する。Ｒ（ｚ）を与えて式（１５）及び式（１６）を解くことにより、ポテンシャル分布ｑ（ｚ）が求められ、式（１７）で与えられる。
【００６４】
【数１７】
【００６５】
得られたポテンシャル分布ｑ（ｚ）を次式（１８）に適用することで、グレーティング光導波路の実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）が得られる。
【００６６】
【数１８】
【００６７】
本発明では、式（８）及び式（１７）のポテンシャル分布ｑ（ｚ）を実数とする。その結果、複素反射スペクトルｒ（ｋ）からインパルス応答（時間応答）Ｒ（ｚ）へと変換するための演算は実数型となり、振幅が変化して位相が振幅に従属して変化する。
【００６８】
このようにして得られた実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）は、高屈折率値と低屈折率値とが短いピッチ（周期）で交互に現れるものであり、グレーティング光導波路構造を示すものとなっている。このグレーティング構造は、光導波路コアの側壁の凹部および凸部におけるコア幅ｗに対応する、隣接する高屈折率値と低屈折率値との屈折率差が一定ではなく漸次変化する不均一なものとなっており、また屈折率の変化するピッチはある限定された離散値をとるものとなっており、従来公知の等ピッチグレーティング光導波路、チャープピッチグレーティング光導波路、サンプルドグレーティング光導波路のいずれとも一致しない新規な構造を有する。
【００６９】
本発明のグレーティング光導波路は、ブラッググレーティングの振幅を変化させてグレーティングパターンを形成するものであり、グレーティングの振幅の包絡線の勾配の符号が反転する振幅変調型である。サンプルドグレーティング光導波路では、符号が反転する二点間で振幅が連続的にゼロになる光導波路領域が介在するという特徴がある。これに対し、本願の振幅変調型グレーティング光導波路では、そのような構造は現れない。符号の反転は孤立した単一の座標点で生じるという階段的な急峻性あるいは不連続性を示す。つまり、あるｚ座標で包絡線の勾配の符号が反転するという意味である。包絡線の勾配の符号が反転する孤立した一座標点でのみ振幅がゼロとなるため、実質的には振幅が一定の区間ゼロのままとなるような領域は出現しない。これにより、サンプルドブラッググレーティングよりも導波路長を短縮することが可能となる。
【００７０】
包絡線の勾配の符号が反転する孤立した座標点は導波路上で複数個存在する。おのおのの座標点では、付随的に位相の不連続変化を伴う。位相が不連続変化すると局所周期（ピッチ）が変化するため、ピッチが当該座標点で対象とするスペクトルにおける中心波長を光導波路の実効屈折率の平均値ｎａｖで除算した値の半分とは異なる値をとる。包絡線の勾配の符号が反転する座標点を特定する精度は、横軸にとっている導波路の座標ｚの離散化刻みによる。その刻みをΔｚとすると、座標点を特定する精度は±Δｚの範囲にある。このように、本発明の振幅変調型グレーティング光導波路には、グレーティングの振幅の包絡線の勾配の符号が反転し、その結果、ピッチが離散的に変化する座標点が存在する。
離散化したグレーティングピッチは、Δｚに依存して決まるΔＰにより、Ｐ±ＮΔＰとして表すことが可能であり、Ｎは逆散乱問題を解く際の離散化パラメータに係る整数である。
【００７１】
ピッチの離散的変化は、チャープトブラッググレーティングには見られない特徴である。チャープトブラッググレーティングでは、ピッチは光導波方向に沿って連続的に変化する。チャープトブラッググレーティングでは、ブラッググレーティングの振幅も同時に変化するが、振幅の変化はアポダイズのような副次的特性の実現に利用されるにとどまり、フィルタの反射スペクトルのチャネル数・位相特性などの主要な特性はブラッググレーティングの周波数を光の導波方向に沿って変化させることによって達成される。ここに開示した手順では、チャープ型グレーティングを構成することはできない。チャープ型グレーティングを構成するには、複素反射スペクトルｒ（ｋ）から時間応答（インパルス応答）Ｒ（ｚ）への変換を複素数型へと切り替える必要がある。その結果、式（１７）により得られるポテンシャル分布ｑ（ｚ）は複素数となる。ｑ（ｚ）が複素数であると、ｑ（ｚ）から実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）を求めるにあたり、ｎｅｆｆ（ｚ）は実数であるため、ｑ（ｚ）の実部のみをとることが必要である。よって、本発明の振幅変調型グレーティング構造と従来公知のチャープ型グレーティング構造とは設計方法を異にし、互いに異なる範疇に分類される。振幅変調型に相対することから、チャープ型グレーティング構造は、いわば、周波数変調型に分類される。
【００７２】
本発明では、他の実施例すべてを含めて、当該の複素反射スペクトルからインパルス応答への変換に用いる演算は実数型とし、振幅変調型ブラッググレーティングを対象とする。振幅変調型ブラッググレーティングを選択するための条件をまとめると、以下の二点となる。
（Ｉ） 指定するスペクトル特性の周波数範囲を原点（周波数ゼロ）から該当するスペクトルチャネルの存在する領域まですべてを含める。
（ＩＩ）上述の複素反射スペクトルからインパルス応答への変換において実数型を選択する。
【００７３】
実際の計算手順では、まず、グレーティング光導波路デバイスの全長を決めることにより、ｚの最大値を特定する。これは、例えば、光分散補償器の場合であれば、補償すべき群遅延分散値とチャネル帯域幅とからグレーティング光導波路で発生すべき群遅延時間の最大値が決まるので、これに真空中の光速度ｃｌｉｇｈｔを乗じ、さらに実効屈折率の平均値ｎａｖで除することで、最低限必要となる素子長を決めることが出来る。反射型デバイスとして構成する場合、往復の光路により必要な群遅延時間を得れば良いので、実際の必要素子長は群遅延時間差の最大値から直接求められる素子長の概略半分で良い。素子の全長は、これに一定の余長を追加したものとする。例えば、素子全長を必要素子長の１２０％とする。
続いて、ｚ座標の離散化の刻みを決める。ｚ軸上で定義される各種分布関数を数値解析で取り扱うには、データを有限長にする（離散化する）ために、ｚ軸上に等間隔に配置された点を選び、ｚ座標を設定する。一例として、設計中心波長λを基準として素子全長を１３，２００λ、ｚ軸上の離散化刻みΔｚをλ／４０に設定すると、ｚ０からｚ５２８０００までの５２８，０００点について光分散補償器のポテンシャル分布ｑ（ｚ）を計算することとなる。
【００７４】
複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた波長に対する所望の光学特性の一例として、反射率の分布を図１７及び図１８に示すとおりとし、群遅延特性を図１９及び図２０としたとき、計算によって求められるポテンシャル分布ｑ（ｚ）の一例を図２１及び図２２に示す。後述する実施例１のシミュレーション結果によれば、このようにして求められた図２１のポテンシャル分布ｑ（ｚ）が達成していると期待される反射率の分布（反射率スペクトル）は、図２３、図２４、図２５及び図２６、また群遅延特性（群遅延スペクトル）は、図２７、図２８、図２９及び図３０であり、設計インプットとして与えた光学特性をよく再現している。なお、図２４、図２５、図２６、図２８、図２９及び図３０においては、各波長チャネルのうちで分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域内を太実線で、分散補償を意図していない領域を点線で示した。
【００７５】
複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与える光学特性においては、各波長チャネルにおいて、分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域の両側に、分散補償を意図しないが一定の反射率を有する波長領域を付与することが好ましい。例えばこの領域では、一定の群遅延量を有し、かつ、分散補償を意図する波長領域と概略同一の反射率を有するようにする。さらに、各波長チャネルの境界付近、すなわち、ある波長チャネルの「波長分散を補償することを意図していないが一定の反射率を有するように規定した領域」と隣接する波長チャネルの「波長分散を補償することを意図していないが一定の反射率を有するように規定した領域」との間に、反射率を規定しないか、又は原則として透過すると規定した領域を設けても良い。
【００７６】
予め求めた光導波路断面構造、具体的にはコア寸法と等価屈折率との関係を元に、逆散乱問題を解いて得られたポテンシャル分布ｑ（ｚ）を実効屈折率ｎｅｆｆ（ｚ）に換算し、続いて光導波路の光伝搬方向（長手方向）におけるコア寸法分布を算出する。
【００７７】
図２（ａ）〜（ｃ）に示した第１実施形態の光導波路デバイスについて、実効屈折率ｎｅｆｆとコア幅ｗとの対応を求めた結果の一例を図７に示す。この事例では、クラッド材料はシリカ（ＳｉＯ２）であり、コア材料は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）である。コアの厚みｔは１．４μｍとした。この第１実施形態の光導波路構造は偏波依存性を有するため、この事例では、ＴＥモード用のデバイスとして設計した。この図７に示したような実効屈折率ｎｅｆｆとコア幅ｗとの対応関係を得るには、コア幅ｗの値を変化させて、それぞれの光導波路の断面構造から固有伝搬モードの電磁界分布をモードマッチング法、有限要素法、もしくはビーム伝搬法など各種方法を採用したモードソルバープログラムにより求め、その実効屈折率ｎｅｆｆを算出することで求められる。
実効屈折率分布ｎｅｆｆ（ｚ）と図７のグラフとから、各ｚ座標におけるコア幅ｗを求めることが出来る。図７より、実効屈折率と光導波路の構造寸法との関係を検討した範囲のおよそ中央を基準にとることによって、参照屈折率（平均実効屈折率）ｎａｖは例えば１．９５とする。また、図８には、コアの厚みｔを１．０μｍとした場合に求められた実効屈折率ｎｅｆｆとコア幅ｗとの対応を示す。
【００７８】
（光導波路の製造工程）
次に、第１実施形態の基板型光導波路の製造工程について説明する。
まず、図４に示すように、コア１の材料となる高屈折率材料層１ａを形成する（高屈折率材料層形成工程）。ここでは、支持基板５の上に下部クラッド６を形成した後、下部クラッド６の上に高屈折率材料層１ａを形成している。支持基板５は例えばシリコンウエハであり、下部クラッド６は、ＣＶＤ装置等を用いて適切な厚さで堆積させたＳｉＯ２膜である。また、高屈折率材料層１ａは、光導波路コアを形成するためのＳｉ３Ｎ４膜を、ＣＶＤ装置等を用いて所望の厚さで堆積させたものである。
【００７９】
次に、図４に二点鎖線で示すように、高屈折率材料層１ａの上にフォトレジストパターン６０を形成する。このフォトレジストパターン６０は、設計された光導波路のグレーティング構造２に対応するものである。露光は、ステッパー露光装置を用いて行うことができる。露光に用いる光の波長は、フォトレジストの特性に応じて適宜設定することができ、例えば２４８ｎｍが挙げられる。フォトレジストパターン６０の形成には、バイナリ型のフォトマスクを用いて露光しても良いが、露光装置の性能上その必要がある場合には、レベンソン型位相シフト型フォトマスクを用いて露光するか、またはレベンソン型位相シフト型フォトマスクを用いた露光とバイナリ型フォトマスクを用いた露光とを組み合わせ２段階の露光工程を行うこともできる。露光工程後、フォトレジスト層を現像する現像工程を行う。
現像工程により得られたフォトレジストパターンを用いて高屈折率材料層１ａをエッチングするエッチング工程を行い、続いて残留したフォトレジストを除去する工程を行うことにより、図５に示すように、側壁に凸部２ｂ及び凹部２ａからなるグレーティング構造２を有するコア１を形成することができる。
さらに、図６に示すように、ＣＶＤ装置等を用いて適切な厚さで上部クラッド７（例えばＳｉＯ２）を堆積させる。コア１上に堆積された上部クラッド７の厚さは、下部クラッド６の上に堆積する上部クラッド７の厚さと異なることがある。必要に応じて、基板５からの高さが揃うように化学機械研磨（ＣＭＰ）等により平坦化工程を行うこともできる。
【００８０】
以上の工程により、コア側壁にグレーティング構造を有する基板型光導波路を製作することが可能である。なお、通常、比屈折率差の大きい基板型光導波路の使用にあたっては、光ファイバとの光学的接続においてモードフィールド径の変換器が必要である。一般的には、上記工程に前後してモードフィールド変換部あるいはスポットサイズ変換部と呼ばれる領域を形成する工程を設け、同一基板上に当該光導波路と光学的に接続するように集積化して形成する。
【００８１】
＜基板型光導波路部品の第２実施形態＞
図９に基板型光導波路部品の第２実施形態の断面図を示す。この実施形態では、光導波路コア側壁にグレーティング構造１２を有するとともにコア上部１１に溝状グレーティング構造１３を有することで、偏波無依存型のデバイスとすることができる。
側壁グレーティング構造１２は、コアの幅ｗｏｕｔの周期的変化としてコア１０の両側壁に形成された凹部１２ａと凸部１２ｂとから構成されている。凹部１２ａではコア幅が狭く、凸部１２ｂではコア幅が広い。
コア上部１１の溝状グレーティング構造１３においては、側壁グレーティング構造１２の凸部１２ｂに相当する位置において、コア１０を形成する材料が凸状を成し溝状構造１３の幅が狭くなっていて、凸部１３ｂとなっている。また、側壁グレーティング構造１２の凹部１２ａに相当する位置において、コア１０を形成する材料が凹状を成し溝状構造１３の幅が広くなっていて、凹部１３ａとなっている。つまり、溝状構造１３の幅ｗｉｎとしては、凸部１３ｂにおいて溝状構造１３の幅ｗｉｎが狭く、凹部１３ａにおいて溝状構造１３の幅ｗｉｎが広いという逆転した関係になっている。
この事例では、コア１０をＳｉ３Ｎ４膜、クラッド１６，１７をＳｉＯ２膜とし、図１１に示す断面においてコアの厚みｔｏｕｔを１．４μｍ、コア上部の溝深さｔｉｎを０．１μｍとしたとき、図１０、図１１、図１２に示すように、実効屈折率ｎｅｆｆに対して適切なコア幅ｗｏｕｔとコア上部の溝幅ｗｉｎとを求めることにより、偏波無依存型のデバイスを実現することができる。
【００８２】
＜基板型光導波路部品の第３実施形態＞
図１３に基板型光導波路部品の第３実施形態の断面図を示す。この基板型光導波路部品２０は、光学特性を可変とするための内側コア２１，２２と、光学特性の偏波依存性の問題を解消するための外側コア２４とを備えた二重コア構造を採用している。
この二重コア構造は、基板２５上に形成された下部クラッド２６上に存在する。内側コア２１，２２は例えばシリコン（Ｓｉ）から構成され、外側コア２４は例えば窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）から構成される。中央ギャップ２３は、高屈折率材料とする必要はなく、シリカ（ＳｉＯ２）、窒酸化シリコン（ＳｉＯｘＮｙ）あるいは窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）等から構成しても良い。組成比ｘ：ｙは、所望の屈折率が得られるように制御することができる。
複合コアの上部および両側方は、上部クラッド２７で覆われている。上部クラッド２７および下部クラッド２６は、二重コア構造の平均屈折率よりも低い材料から構成され、例えばシリカ（ＳｉＯ２）から構成される。上部クラッド２７の材料と下部クラッド２６の材料は、同じでも異なっても構わない。
【００８３】
内側コア２１，２２は、中央ギャップ２３を介して２つの部分に分けられ、それぞれがリブ２１ｂ，２２ｂとスラブ２１ａ，２２ａとを有する。内側コア２１，２２には、不純物元素（ドーパント）のインプラント処理によってＰ型半導体領域及びＮ型半導体領域が形成されている。
外側コア２４は内側コア２１，２２の上に配置されている。外側コア２４の屈折率は、内側コア２１，２２の平均屈折率よりも低い。図１３には現されていないが、外側コア２４の側壁２４ｂ及び上面２４ａの溝状構造２４ｃには、それぞれ図９のコア１０と同様な側壁グレーティング構造及び上部溝状グレーティング構造が形成されている。具体的には、外側コア２４の幅ｗｏｕｔを周期的に変化させた側壁グレーティング構造と、外側コア２４の上面２４ａに形成された溝状構造２４ｃの幅ｗｉｎを周期的に変化させた上部溝状グレーティング構造を備えている。
内側コア２１，２２は一方がＮ型シリコン、他方がＰ型シリコンからなり、金属配線を介して外部の制御回路（図示せず）と接続し、外部から電圧を印加することにより光学特性を可変としている。
【００８４】
光導波路断面構造の設計事例として、ｔ１を２５０ｎｍ、ｔ２を５０ｎｍ、ｗ１を２８０ｎｍ、ｗ２を１６０ｎｍ、ｔｏｕｔを６００ｎｍ、ｔｉｎを１００ｎｍとした場合で算出した実効屈折率ｎｅｆｆに対するコア幅ｗｏｕｔとコア上部の溝幅ｗｉｎとの関係を図１４、図１５、図１６に示す。この事例では、参照屈折率ｎａｖは例えば２．３４８であり、第１及び第２の実施形態と同様にして、グレーティング構造を設計することができる。
【実施例】
【００８５】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。
【００８６】
（実施例１）
分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路のＬ−ｂａｎｄの波長分散を補償する波長分散補償素子を設計した。
設計中心周波数を１８８．４ＴＨｚ（すなわち、設計中心波長は１５９１．２５５ｎｍ）とし、該設計中心周波数・設計中心波長における波長分散補償量を−２９５ｐｓ／ｎｍ、分散スロープＲＤＳを０．０２４／ｎｍとし、分散補償を意図するチャネル帯域（分散補償波長チャネル帯域）及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域における反射率を０．９（反射信号の挿入損失０．５ｄＢに相当。）に設定した。
１８６．２ＴＨｚ（１６１０．０５６ｎｍ）の第１チャネルから１９０．６ＴＨｚ（１５７２．８８８ｎｍ）の第４５チャネルまですべてのチャネルについてチャネルグリッドを１００ＧＨｚとした。
【００８７】
分散スロープＲＤＳに依存して、最も短波長側にある第４５チャネルにおいて設定すべき波長分散補償量は−１６５ｐｓ／ｎｍとなり、分散補償に必要となる最大群遅延差が最小の値を取る。このことから、第４５チャネルにおいて、分散補償を意図するチャネル帯域を一番広く設定することが可能である。第４５チャネルにおいて、分散補償を意図するチャネル帯域を８０ＧＨｚ、分散補償を意図しないが反射率を規定する領域を１０ＧＨｚ（５ＧＨｚずつ両側）、反射率を規定しない境界領域を１０ＧＨｚとした。このとき、第４５チャネルにおいては８０ＧＨｚのチャネル帯域は０．６６０ｎｍに相当し、８０ＧＨｚのチャネル帯域全体の分散補償に必要となる最大群遅延差は、１０９ｐｓであった。第４５チャネルは８０ＧＨｚもの広いチャネル帯域を有するので、４０Ｇｂｐｓなどの広い帯域を必要とする高速な信号を伝送可能である。
一方、最も長波長側にある第１チャネルにおいては、設定すべき波長分散補償量は−４２８ｐｓ／ｎｍとなり、８０ＧＨｚのチャネル帯域は０．６９２ｎｍに相当する。このことから、チャネル帯域を第４５チャネルと同一の８０ＧＨｚにした場合に分散補償に必要となる最大群遅延差は、２９６ｐｓということになる。よって、第１チャネルにおいても第４５チャネルと同じ１０９ｐｓを最大群遅延差とした場合には、第１チャネルの帯域は第４５チャネルの帯域に対して約３７％となる３０ＧＨｚしか割り当てることができない。しかしながら、最も長波長側にある第１チャネルにおいても３０ＧＨｚのチャネル帯域を割り当てることができれば、例えば１０Ｇｂｐｓの信号の伝送には十分な広さである。このようにして、各チャネルについて、第４５チャネルの最大群遅延差である１０９ｐｓを基準とし、当該チャネルにおける所望の分散補償量の大きさ、すなわち、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値の絶対値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、１０９ｐｓとなるように、各チャネルのチャネル帯域を決める。例えば、上述の第１チャネルの場合、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値は、１０９ｐｓを４２８ｐｓ／ｎｍで除することにより約０．２５５ｎｍと求められ、約３０ＧＨｚ（より詳しくは２９．５ＧＨｚ）に相当する。
【００８８】
このようにして各チャネルにおいて分散補償を意図するチャネル帯域の帯域幅を決定して群遅延スペクトルを設計し、反射率スペクトルとともに設計入力パラメータ（インプット）とする。この実施例では、図１７及び図１８に示す反射率スペクトルと、図１９及び図２０に示す群遅延スペクトルを設計し、これを複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた。
なお、本実施例では、図１７及び図１８に示す反射率スペクトルにおいて、反射率を０．９とする領域（分散補償を意図するチャネル帯域及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域の合計）の帯域幅が一定となるようにしているので、波長が短くなる（周波数が大きくなる）に従って分散補償を意図するチャネル帯域が広くなっていく様子は、図１９及び図２０に示す群遅延スペクトルから理解することができる。また、図１９及び図２０によれば、各チャネルの最大群遅延差が略同一であることも理解することができる。
【００８９】
この素子では、最大群遅延差としては１０９ｐｓを要することから、必要素子長としては１１０００λ程度である。別途実施した検討から、必要素子長に対し２０％程度の余長を付加するのが適切であることがわかっているため、１１０００λに対して１２０％となる１３２００λの素子長でポテンシャル分布ｑ（ｚ）を求めた。離散化刻みをλ／４０としたので、ｚ軸上の点数は５２８０００である。このようにして設計したポテンシャル分布ｑ（ｚ）を図２１及び図２２に示す。
図２１及び図２２のポテンシャル分布が達成している光学特性を計算した結果を、図２３、図２４、図２５及び図２６の反射率スペクトルと、図２７、図２８、図２９及び図３０の群遅延スペクトルに示す。なお、図２４、図２５、図２６、図２８、図２９及び図３０においては、各波長チャネルのうちで分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域内を太実線で示しており、設計インプットを良く再現した設計結果が得られていることが分かる。
本実施例は、１３２００λの素子長で設計したので、ｎａｖが１．９５である実施形態であれば１１ｍｍ、ｎａｖが２．３４８である実施形態であれば９ｍｍでこの波長分散補償素子が実現できる。
以上の結果から、ＤＳＦ１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路について、Ｌ−ｂａｎｄにおいて４５チャネルの多数のチャネルの波長分散及び分散スロープを一括して補償することが可能であり、サーキュレータとともに用いることでインラインでの分散補償に用いることができ、３０ＧＨｚから８０ＧＨｚまでの異なるチャネル帯域を有する小型の波長分散補償素子を設計することができた。４５チャネルのうち、一部のチャネルは広帯域であり４０Ｇｂｐｓなどの高速な信号を伝送可能であり、残りのチャネルも１０Ｇｂｐｓの信号を十分伝送可能である。
【００９０】
（実施例２）
分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）２００ｋｍからなる光ファイバ伝送路のＬ−ｂａｎｄの波長分散を補償する波長分散補償素子を設計した。
実施例２では、実施例１を若干変更して、設計中心周波数１８８．４ＴＨｚ（すなわち、設計中心波長は１５９１．２５５ｎｍ）における波長分散補償量を実施例１の２倍の、−５９０ｐｓ／ｎｍとした。
【００９１】
分散スロープＲＤＳを実施例１と同一にしたため、第４５チャネルにおいて設定すべき波長分散補償量は−３３０ｐｓ／ｎｍとなり、８０ＧＨｚのチャネル帯域全体の分散補償に必要となる最大群遅延差は、２１８ｐｓであった。各チャネルについて、当該チャネルにおける所望の分散補償量の大きさ、すなわち、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値の絶対値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、２１８ｐｓとなるように、各チャネルのチャネル帯域を決めた。各チャネルの帯域は実施例１とそれぞれ同一であり、第１チャネルの帯域は約３０ＧＨｚである。他のパラメータは実施例１と同様とした。
【００９２】
これらの諸光学特性を設計インプットとして、図３１及び図３２に示す反射率スペクトルと、図３３及び図３４に示す群遅延スペクトルとを設計し、これを複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた。
なお、本実施例では、図３１及び図３２に示す反射率スペクトルにおいて、反射率を０．９とする領域（分散補償を意図するチャネル帯域及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域の合計）の帯域幅が一定となるようにしているので、波長が短くなる（周波数が大きくなる）に従って分散補償を意図するチャネル帯域が広くなっていく様子は、図３３及び図３４に示す群遅延スペクトルから理解することができる。また、図３３及び図３４によれば、各チャネルの最大群遅延差が略同一であることも理解することができる。
【００９３】
この素子では、最大群遅延差としては２１８ｐｓを要することから、必要素子長を２２０００λと考え、余長を付加し１２０％となる２６４００λの素子長でポテンシャル分布ｑ（ｚ）を求めた。離散化刻みをλ／４０としたので、ｚ軸上の点数は１０５６０００である。このようにして設計したポテンシャル分布ｑ（ｚ）を図３５及び図３６に示す。
図３５及び図３６のポテンシャル分布が達成している光学特性を計算した結果を、図３７、図３８、図３９及び図４０の反射率スペクトルと、図４１、図４２、図４３及び図４４の群遅延スペクトルに示す。なお、図３８、図３９、図４０、図４２、図４３及び図４４において、太実線が分散補償を意図するチャネル帯域内を示しており、設計インプットを良く再現した設計結果が得られていることが分かる。
本実施例は、２６４００λの素子長で設計したので、ｎａｖが１．９５である実施形態であれば２２ｍｍ、ｎａｖが２．３４８である実施形態であれば１８ｍｍでこの波長分散補償素子が実現できる。
以上の結果から、ＤＳＦ２００ｋｍからなる光ファイバ伝送路について、Ｌ−ｂａｎｄにおいて４５チャネルの多数のチャネルの波長分散及び分散スロープを一括して補償することが可能であり、サーキュレータとともに用いることでインラインでの分散補償に用いることができ、３０ＧＨｚから８０ＧＨｚまでの異なるチャネル帯域を有する小型の波長分散補償素子を設計することができた。４５チャネルのうち、一部のチャネルは広帯域であり４０Ｇｂｐｓなどの高速な信号を伝送可能であり、残りのチャネルも１０Ｇｂｐｓの信号を十分伝送可能である。
【００９４】
（比較例１）
チャネル帯域幅をすべてのチャネルで一定として光分散補償素子を設計した比較例１として、分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路のＬ−ｂａｎｄの波長分散を補償する波長分散補償素子を設計した。
設計中心周波数１８８．４ＴＨｚ（すなわち、設計中心波長は１５９１．２５５ｎｍ）における波長分散補償量を−２９５ｐｓ／ｎｍ、分散スロープＲＤＳを０．０２４／ｎｍとし、分散補償を意図するチャネル帯域（分散補償波長チャネル帯域）及びその両側の分散補償を意図しないが一定の反射率を有する領域における反射率を０．９（反射信号の挿入損失０．５ｄＢに相当。）に設定した。
１８６．２ＴＨｚ（１６１０．０５６ｎｍ）の第１チャネルから１９０．６ＴＨｚ（１５７２．８８８ｎｍ）の第４５チャネルまですべてのチャネルについてチャネルグリッドを１００ＧＨｚ、分散補償を意図するチャネル帯域を８０ＧＨｚ、分散補償を意図しないが反射率を規定する領域を１０ＧＨｚ（５ＧＨｚずつ両側）、反射率を規定しない境界領域を１０ＧＨｚとした。
これらの諸光学特性を設計インプットとして、図４５及び図４６に示す反射率スペクトルと、図４７及び図４８に示す群遅延スペクトルを設計し、これを複素反射スペクトルｒ（ｋ）として与えた。
【００９５】
この素子では、最大群遅延差としては２９６ｐｓを要することから、必要素子長を２８０００λと考え、余長を付加し１２０％となる３３６００λの素子長でポテンシャル分布ｑ（ｚ）を求めた。離散化刻みをλ／４０としたので、ｚ軸上の点数は１３４４０００である。このようにして設計したポテンシャル分布ｑ（ｚ）を図４９及び図５０に示す。
図４９及び図５０のポテンシャル分布が達成している光学特性を計算した結果を、図５１、図５２、図５３及び図５４の反射率スペクトルと、図５５、図５６、図５７及び図５８の群遅延スペクトルに示す。なお、図５２、図５３、図５４、図５６、図５７及び図５８においては、各波長チャネルのうちで分散補償を意図する波長領域である分散補償波長チャネル帯域内を太実線で示しており、設計インプットを良く再現した設計結果が得られていることが分かる。
本比較例では、光ファイバ伝送路の長さ、設計中心周波数における波長分散補償量、分散スロープＲＤＳ及びチャネル数が実施例１と同じ場合に、すべてのチャネル帯域幅を一定にした条件で波長分散補償素子を実現するため、３３６００λの素子長で設計した。ｎａｖが１．９５である実施形態であれば２８ｍｍ、ｎａｖが２．３４８である実施形態でも２３ｍｍもの素子長が必要になる。
以上の結果から、ＤＳＦ１００ｋｍからなる光ファイバ伝送路について、Ｌ−ｂａｎｄにおいて４５チャネルの多数のチャネルの波長分散及び分散スロープを一括して補償するにあたり、本比較例では、実施例１の２．５倍もの素子長が必要であることがわかった。
【符号の説明】
【００９６】
１，１０…コア、１ａ…高屈折率材料層、２，１２…側壁グレーティング構造、２ａ，１２ａ…凹部、２ｂ，１２ｂ…凸部、１３…溝状グレーティング構造、１３ａ…凹部、１３ｂ…凸部、３，１１…上面、４，１４…底面、５，１５，２５…基板（支持基板）、６，１６，２６…下部クラッド、７，１７，２７…上部クラッド、２０…基板型光導波路デバイス、２１，２２…内側コア、２１ａ，２２ａ…スラブ、２１ｂ，２２ｂ…リブ、２３…中央ギャップ、２４…外側コア、２４ａ…上面、２４ｂ…側壁、２４ｃ…溝状構造、６０…側壁用のフォトレジストパターン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子であって、
光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割され、
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一であることを特徴とする光分散補償素子。
【請求項２】
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域に位置し、
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記チャネル帯域幅が、長波長側の波長チャネルにおいて狭くなっており、波長が短くなるに従って広くなっていくことを特徴とする請求項１に記載の光分散補償素子。
【請求項３】
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアが基板上に形成された基板型光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光分散補償素子。
【請求項４】
高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子の設計方法であって、
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアを備えた光導波路からなり、前記グレーティング構造は、前記コアの断面寸法が前記光導波路の導波方向に沿って変化することにより構成され、
該設計方法は、
コアの断面寸法を変化させた際の光導波路の断面構造と実効屈折率との関係を求める光導波路断面構造設計工程と、
設計入力パラメータとして波長分散、分散スロープ及び反射率を指定して所定の複素反射率スペクトルを算出した後、逆散乱問題解法によって前記複素反射率スペクトルを実現するための前記光導波路の導波方向に沿った実効屈折率分布を求めるグレーティングパターン設計工程と、
前記光導波路断面構造設計工程で求めた前記断面構造と実効屈折率との関係に基づいて、前記グレーティングパターン設計工程で求めた前記実効屈折率分布を、前記断面構造の前記光導波路の導波方向に沿った分布に変換することにより、該断面構造の分布からなるグレーティング構造を求めるグレーティング構造設計工程と、
を有し、
前記設計入力パラメータとして入力する波長分散、分散スロープ及び反射率を、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割し、
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、略同一となるように設定することを特徴とする光分散補償素子の設計方法。
【請求項５】
前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域において、設定し、かつ、
前記チャネル帯域幅を、長波長側の波長チャネルにおいて狭く設定し、波長が短くなるに従って広く設定していくことを特徴とする請求項４に記載の光分散補償素子の設計方法。
【請求項１】
高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子であって、
光分散補償素子の群遅延スペクトルは、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割され、
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅との積が、略同一であることを特徴とする光分散補償素子。
【請求項２】
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域に位置し、
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、前記チャネル帯域幅が、長波長側の波長チャネルにおいて狭くなっており、波長が短くなるに従って広くなっていくことを特徴とする請求項１に記載の光分散補償素子。
【請求項３】
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアが基板上に形成された基板型光導波路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光分散補償素子。
【請求項４】
高密度波長多重通信システムの光ファイバ伝送路の波長分散及び分散スロープを補償する光分散補償素子の設計方法であって、
該光分散補償素子は、グレーティング構造を有するコアを備えた光導波路からなり、前記グレーティング構造は、前記コアの断面寸法が前記光導波路の導波方向に沿って変化することにより構成され、
該設計方法は、
コアの断面寸法を変化させた際の光導波路の断面構造と実効屈折率との関係を求める光導波路断面構造設計工程と、
設計入力パラメータとして波長分散、分散スロープ及び反射率を指定して所定の複素反射率スペクトルを算出した後、逆散乱問題解法によって前記複素反射率スペクトルを実現するための前記光導波路の導波方向に沿った実効屈折率分布を求めるグレーティングパターン設計工程と、
前記光導波路断面構造設計工程で求めた前記断面構造と実効屈折率との関係に基づいて、前記グレーティングパターン設計工程で求めた前記実効屈折率分布を、前記断面構造の前記光導波路の導波方向に沿った分布に変換することにより、該断面構造の分布からなるグレーティング構造を求めるグレーティング構造設計工程と、
を有し、
前記設計入力パラメータとして入力する波長分散、分散スロープ及び反射率を、該システムにおいて光信号の伝送を意図する波長である複数の波長チャネルのそれぞれにおいて所定のチャネル帯域幅の範囲で分散補償を意図する群遅延時間を有する複数の分散補償波長チャネル帯域に分割し、
前記複数の分散補償波長チャネル帯域は、チャネル帯域幅がそれぞれ異なり、かつ、前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、ｐｓ／ｎｍを単位として表した分散補償量の設定値と、ｎｍを単位として表したチャネル帯域幅の設定値との積が、略同一となるように設定することを特徴とする光分散補償素子の設計方法。
【請求項５】
前記複数の分散補償波長チャネル帯域を、前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が零となる零分散波長より長波長側であって、かつ前記光ファイバ伝送路の群遅延の波長分散が正となる波長領域において、設定し、かつ、
前記チャネル帯域幅を、長波長側の波長チャネルにおいて狭く設定し、波長が短くなるに従って広く設定していくことを特徴とする請求項４に記載の光分散補償素子の設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【公開番号】特開２０１２−１５５３０３（Ｐ２０１２−１５５３０３Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５３４４９（Ｐ２０１１−５３４４９）
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]