(57)【要約】【課題】光パルスの伝送速度の高速化を実現することのできる光学結晶を提供する。【解決手段】本発明の光学結晶は、誘電率の異なる二つの物質を交互に周期的に配列することで形成された周期配列層を含み、前記周期配列層は、一方の前記物質中に周期的に配列される他方の前記物質が連続して欠落した連続欠落部が形成されるとともに、前記連続欠落部が連続する方向において、一方の前記物質中における他方の前記物質の周期配列特性が異なる複数の領域が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率の異なる二つの物質を交互に周期的に配列することで形成された周期配列層を含み、
前記周期配列層は、一方の前記物質中に周期的に配列される他方の前記物質が連続して欠落した連続欠落部が形成されるとともに、
前記連続欠落部が連続する方向において、一方の前記物質中における他方の前記物質の周期配列特性が異なる複数の領域が形成されていることを特徴とする光学結晶。
【請求項２】
前記周期配列層にて、複数の前記領域は、前記連続欠落部を光パルスが通過するとき、当該光パルスに与える波長分散の絶対値または符号が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光学結晶。
【請求項３】
前記周期配列層に、当該周期配列層を形成する前記一方の物質とは屈折率が異なる物質で形成された他の層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の光学結晶。
【請求項４】
前記周期配列層にて、前記連続欠落部は二次元状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学結晶。
【請求項５】
前記連続欠落部が、前記周期配列層の一端側から他端側に向けて直線状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学結晶。
【請求項６】
前記周期配列層は、前記連続欠落部とはキャリア密度が異なる異密度領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学結晶。
【請求項７】
前記異密度領域は、前記連続欠落部よりもキャリア密度が高いことを特徴とする請求項６に記載の光学結晶。
【請求項８】
前記異密度領域は、前記複数の領域よりも大きな面積を有していることを特徴とする請求項６に記載の光学結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス伝送の際に生じる波長分散を補償する分散補償素子、分散補償システム等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、データ通信は光ファイバを介したものに移行しつつあり、これに伴い、データの伝送速度も従来より飛躍的に高まっている。
近い将来、このような光ファイバを介したデータ通信において、超短光パルスを用い、現時点での伝送速度より遥かに高速な１６０Ｇｂｉｔ／ｓもしくはそれ以上の伝送速度で通信を行うことが検討されている。
【０００３】
ところで、データ通信を行う場合、常にクロストークや伝送エラーという問題がついて回るが、データの伝送速度が高まると、自ずと個々の光パルスの幅と、互いに前後する光パルスの間隔が狭まってくるため、この問題は非常に重要な問題となる。
光が物質中を進行する速度は、物質の屈折率で決まり、屈折率が大きいほど光速度は遅くなる。ガラス、半導体、光学結晶等の物質では、屈折率は光の周波数（空気中の波長）によって変化するため、光速度は波長に依存することになる。この、屈折率の波長依存性により、光パルスが物質中を進行する間に光パルスの波形を歪ませ、パルスの時間幅が広がる要因となることが知られている。このように、光の波長に応じて光速度が異なる、という特性を、以下、波長分散、あるいは単に分散と称する。
【０００４】
上記のようにして、光ファイバ中を進行する間に、光パルスの波形が歪んだり、光パルスの時間幅が広がるわけであるが、従来の伝送速度では光パルスの時間幅も大きいため、特に大きな問題とはならない。しかし、データの伝送速度が高まると、前後の光パルスどうしが干渉するなどして、クロストークや伝送エラーが生じてしまう。このため、現状の技術のままで単に伝送速度を高めようとしたのでは、より高速度でのデータ通信は実現できないのである。
このような問題に対し、例えばフォトニック結晶を用い、波長分散を補償するという試みが既に行われている。
【０００５】
フォトニック結晶は、屈折率が異なる二つの物質を周期的に配列した構造を有しており、この配列の一部を欠陥させて欠陥導波路（連続欠落部）を形成することで、特定の周波数の光のみが通過し、この光に対して特定の波長分散を与える導波モードが発生する。この導波モードを利用することで、光ファイバ伝送路の波長分散を補償するのである（例えば、非特許文献１参照）。
この他、フォトニック結晶と類似する構造として、光ファイバ回折格子を分散補償素子として利用する技術が実施されている。回折格子の周期を光ファイバの長手方向に沿って変化させたチャープ光ファイバ回折格子を用い、広いスペクトル帯域での波長分散を補償するという試みである（例えば、非特許文献２参照）。
また、理化学用の超短パルスレーザーが発生する光パルスを対象とした分散補償について、プリズム対や回折格子対を用いた技術が普及している。これらは、主として正の波長分散を補償するものである（例えば、非特許文献３参照）。
【０００６】
しかしながら、上記したような従来の波長分散補償技術を単純に用いたのでは、伝送速度のさらなる高速化には十分に対応しきれないという問題がある。
すなわち、波長分散は、前述したように光パルスの位相の波長（もしくは周波数、以下、単に波長と称する）依存性に起因するものである。一般に、光波の位相は、ある波長を中心として、波長の次数（べき指数）の異なる項によって展開された多項式として表される。２次の項の係数が最低次の波長分散に対応し、それに続く次数項の係数として、３次、４次、５次と続くことが知られている（例えば、非特許文献４参照）。
【０００７】
現状の光パルスの伝送速度では、２次の項に対して波長分散を補償すれば十分であったが、伝送速度が高まるにつれて、データ送信に使用する光パルスの時間幅はより短くなり、それに反比例して光パルスのスペクトル幅は増加する。したがって、伝送速度が上昇するほど、広いスペクトル帯域にわたり、より高次までの波長分散係数を補償しなければ、光パルスの波形の歪を除去することはできない。
ところが、フォトニック結晶あるいは光ファイバ回折格子を用いた従来の波長分散補償技術では、２次、３次、４次等、個々の次数に対し、波長分散を補償することができるものの、複数の次数に対し、波長分散を補償することはできなかった。これでは広いスペクトル帯域を利用する超高速大容量光通信に対応する波長分散補償は実現できない。
【０００８】
ところで、超高速大容量の光ファイバ伝送路は、それ自体で光パルスの伝送特性が最適となるように設計される。すなわち、伝送路全体として波長分散がゼロとなるように構成される。
しかし、例えば海底等に敷設される光ファイバ伝送路は、温度・気圧・振動等の影響により、光ファイバ伝送路が最適化された条件から外れることがある。そのような状況では、光ファイバ伝送路における波長分散は、正負の間を絶え間なく変化する。
これに対し、従来の技術では波長分散が正負に変化する場合において、波長分散補償の符号を波長分散の絶対値と独立に可変することは困難であった。このことは、波長分散値がゼロの付近で正負の間を絶え間なく変化するような状況に対応することが困難であることを意味する。
なお、「正」の波長分散とは、波長が長くなるほど光速度が増すことを指し、「負」の波長分散とは、波長が長くなるほど光速度が減少することを指している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】細見和彦、勝山俊夫、「フォトニック結晶結合欠陥導波路の光伝搬特性（２）」、“第６３回応用物理学会学術講演会講演予稿集第３分冊”、社団法人応用物理学会、平成１４年（２００２年）９月２４日、ｐ．９１７
【非特許文献２】鈴木明、若林信一、「短パルスの分散補償技術」、“オプトロニクス”、株式会社オプトロニクス、平成１４年（２００２年）、２１巻、４号、ｐ．１６１−１６５
【非特許文献３】Ｊ−Ｃ Ｄｉｅｌｓ，Ｗ Ｒｕｄｏｌｐｈ、“Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ”、米国、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、１９９６年、ｐ．４３−９９
【非特許文献４】小川憲介、「超短光パルス測定」、“超高速光エレクトロニクス技術ハンドブック”、サイペック株式会社、平成１５年（２００３年）１月３１日、第２章 ２．４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、光パルスの伝送速度の高速化を実現することのできる光学結晶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光学結晶は、誘電率の異なる二つの物質を、交互に周期的に配列することで形成された周期配列層を含み、この周期配列層は、一方の物質中に周期的に配列される他方の物質が連続して欠落した連続欠落部が形成されるとともに、連続欠落部が連続する方向において、一方の物質中における他方の物質の周期配列特性が異なる複数の領域が形成されていることを特徴とする。
ここで、周期配列特性には、一方の物質中に配列される他方の物質のサイズや間隔等がある。
【００１２】
このような周期配列層にて、複数の領域は、連続欠落部を光パルスが通過するとき、光パルスに与える波長分散の絶対値または符号が互いに異なるようにするのが好ましい。
また、周期配列層に、この周期配列層を形成する一方の物質とは屈折率が異なる物質で形成された他の層を積層することで、光学結晶を形成することもできる。
【００１３】
ところで、連続欠落部は、周期配列層に、三次元状に形成してもよいが、設計や製造の容易性を高めるには、二次元状に形成するのが好ましい。同様の理由から、連続欠落部は、周期配列層の一端側から他端側に向けて直線状に形成するのが好ましい。
【００１４】
また、周期配列層に、連続欠落部とはキャリア密度が異なる異密度領域を形成しても良い。その場合、異密度領域は、連続欠落部よりもキャリア密度を高くするのが好ましい。
このような異密度領域には、周期配列層に電圧を印加するための電極が接続される。つまり、この異密度領域は端子部として機能するのである。その場合、電気抵抗を抑制するため、異密度領域は、前記の複数の領域よりも大きな面積とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の領域を設けることで、例えば、正負の分散補償や、複数次の分散補償を行うことができる。また、各領域における波長分散を変動させることで、波長分散補償の絶対値と符号を可変することが可能となる。
また、電圧を印加することによって導波路のキャリア密度を変動させ、導波路の屈折率を変化させることによっても、分散補償を行うことができる。
そして、光ファイバ伝送路から取り出した光パルスをモニタリングし、その波長分散情報に基づき、波長分散を制御することで、光ファイバ伝送路において、温度、気象等による条件変動が生じても、常に最適な分散補償を行うことができる。
その結果、広いスペクトル帯域を利用する超高速大容量光通信に対応する波長分散補償を実現することができ、伝送速度のさらなる高速化を十分に実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施の形態における分散補償素子の構成を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、分散補償素子の断面図、（ｂ）は、（ａ）の平面図である。
【図３】コア層の斜視図である。
【図４】周波数−波数特性曲線であり、（Ｉ）、（ＩＩ）の領域における導波モードの違いを示す図である。
【図５】規格化波数と規格化周波数の関係を示す図であり、（ａ）は導波モードの分枝が波数ゼロで最近接する場合を示す図、（ｂ）はブリルアンゾーン境界で最近接する場合を示す図である。
【図６】複数次の分散補償を行う場合の分散補償素子の構成を示す図であり、（ａ）はコア層の平面図、（ｂ）は各領域における導波モードの違いを示す図である。
【図７】複数次の分散補償を行う場合の補償原理を示す図である。
【図８】分散補償システムの概略構成を示す図である。
【図９】欠陥導波路のキャリア密度を変動させることで屈折率を可変とする分散補償素子の例を示す断面図である。
【図１０】図９に示した断面構造を有する分散補償素子の例を示す平面図である。
【図１１】図９に示した断面構造を有する分散補償素子の他の例を示す平面図である。
【図１２】図９に示した断面構造を有する分散補償素子のさらに例を示す斜視図である。
【図１３】分散補償素子の他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態における分散補償システムを構成する分散補償素子の概略構成を説明するための図である。
この図１、図２に示すように、分散補償素子（分散補償部）１０Ｘは、フォトニック結晶部２０と、フォトニック結晶部２０の一面側に設けられた電極（分散変動手段、エネルギー付与部材）３０とを備えている。
フォトニック結晶部２０は、基板２１上に、クラッド層（他の層）２２と、コア層（周期配列層）２３とが積層されたもので、基板２１は例えばシリコン（Ｓｉ）で形成され、クラッド層２２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）または窒化シリコン膜、コア層２３は誘電体であるシリコン結晶（Ｓｉ）で形成されている。
ここで、基板２１には、導電性を持たせるため、不純物が添加されている。
【００１９】
また、図３に示すように、コア層２３は、周期的に孔２４が形成されている。これにより、コア層２３は、コア層２３の母材（例えばＳｉ）と孔２４の部分を満たす物質（一般には空気等の気体、他の物質を充填しても良い）により、誘電率（屈折率）の異なる２種類の物質が交互に周期的に配列されることで形成されている。
なお、図３において、孔２４はコア層２３だけでなく、クラッド層２２にまで形成されているが、これは製造上の理由によるものであり、少なくともコア層２３にのみ形成されていれば良い。
【００２０】
コア層２３に形成された孔２４は、所定の半径（サイズ）ｒを有し、正三角形を単位胞とする三角格子状に配列され、各単位胞における孔２４どうしは所定の間隔（正三角形の一辺の長さ）ａを隔てている。
そして、このコア層２３は、上記した孔２４の半径ｒと、間隔ａとが異なって設定された、領域（Ｉ）、（ＩＩ）を備えている。
このようなコア層２３には、領域（Ｉ）、（ＩＩ）を貫通する方向において直線状に連続するよう、孔２４が欠損する（孔２４を形成しない）ことで、いわゆる欠陥導波路（導波路、連続欠落部）２５が形成されている。
【００２１】
このような構成のフォトニック結晶部２０では、コア層２３の上下面にて、屈折率が異なる他の物質（下面側にクラッド層２２、上面側は空気）が存在することで、欠陥導波路２５の一端側の入射端から入射した光はコア層２３の上下面で反射しながら伝播し、欠陥導波路２５の他端側の出射端から出射する。光が欠陥導波路２５を伝播するとき、コア層２３の領域（Ｉ）を伝播する間に、この領域（Ｉ）の孔２４の半径ｒと間隔ａに応じた波長分散を受け、続いて領域（ＩＩ）を伝播する間に、この領域（ＩＩ）の孔２４の半径ｒと間隔ａに応じた波長分散を受ける。つまり、このコア層２３の欠陥導波路２５から出射した光は、領域（Ｉ）と（ＩＩ）を合成した波長分散を受けるのである。
【００２２】
さて、図１および図２に示したように、フォトニック結晶部２０の一面側、具体的には基板２１ではなくコア層２３に対向する側には、電極３０が設けられている。この電極３０は、コア層２３の屈折率を変化させるエネルギーを外部から付与するためのものである。本実施の形態では、電極３０として、前記の領域（Ｉ）と（ＩＩ）に対応して独立して電極３０Ａ、３０Ｂが設けられている。
そして、電極３０Ａ、３０Ｂには、外部に、電源（図示無し）と、電源での電圧印加量をコントロールするコントローラ（図示無し）とが接続されるようになっており、これにより、分散変動手段が構成される。
【００２３】
電極３０Ａ、３０Ｂと、導電性を有した基板２１との間に電圧（バイアス電圧）を印加すると、印加された電圧に応じてコア層２３の領域（Ｉ）と（ＩＩ）の屈折率が変化する。これを利用し、コントローラで、領域（Ｉ）の電極３０Ａと領域（ＩＩ）の電極３０Ｂとに電源から印加する電圧を個別に制御することで、領域（Ｉ）、（ＩＩ）で与える波長分散を独立して変動させ、これにより最適な分散補償を行うのである。
【００２４】
ここで、上記したような分散補償素子１０Ｘの、好ましい例を具体的に示す。
前述したように、フォトニック結晶部２０の基板２１は、導電性を有するために不純物を含有したシリコン（Ｓｉ）で形成し、クラッド層２２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）または窒化シリコン、コア層２３は誘電体であるシリコン結晶（Ｓｉ）で形成した。そして、クラッド層２２とコア層２３の厚みは、各々１０００ｎｍおよび２２０ｎｍとした。このクラッド層２２とコア層２３の厚みは、欠陥導波路２５の横モードが単一となる条件（横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ，ＴＥ）偏光に対して２３ｎｍ以上かつ２４０ｎｍ以下）にある。
空気、コア層２３、クラッド層２２の屈折率を、各々ｎａｉｒ、ｎｃｏｒｅ、ｎｃｌａｄと表すると、ｎａｉｒ＝１．００、ｎｃｏｒｅ＝３．５０、ｎｃｌａｄ＝１．４５とした。
【００２５】
このようなフォトニック結晶部２０は、コア層２３を形成する材料の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ等の手法により所定の孔２４のパターンをレジスト上に形成する。そして、ドライエッチングによりコア層２３を形成する材料上に欠陥導波路２５を形成するための孔２４のパターンを形成する。ここで、孔２４の部分は、空気とした。
孔２４の配列は、正三角形を単位胞とする三角格子とし、領域（Ｉ）および（ＩＩ）で周期を異ならせた。領域（Ｉ）ではａ＝４９３ｎｍとし、領域（ＩＩ）ではａ＝４７３ｎｍとした。各々の領域とも、ｒ／ａ＝０．４となるように半径ｒを設定した。また、領域（Ｉ）および（ＩＩ）の境界で隣接する孔２４間の間隔ｄ（図１参照）は、三角格子の周期の大きいほうの値、すなわち４７３ｎｍより短くする。光が伝搬する欠陥導波路２５は、線分Ｐ１−Ｐ２を中心としてそれに沿って構成された直線状とし、この欠陥導波路２５は領域（Ｉ）の孔２４が一つ分埋められた（欠陥した）ことにより形成される。領域（ＩＩ）の欠陥導波路２５の幅は領域（Ｉ）と等しく取られている。領域（Ｉ）、（ＩＩ）それぞれにおける欠陥導波路２５の長さは１００μｍ、分散補償素子１０Ｘでの欠陥導波路２５のトータル長さは２００μｍとした。
【００２６】
さて、図４に示すものは分散補償素子１０Ｘにおける分散補償の原理を説明するための図である。
フォトニック結晶部２０の領域（Ｉ）および（ＩＩ）は、各々図４に示した光波伝搬を特徴付けるバンド特性を有する。欠陥導波路２５中では、曲率の符号が異なる分枝１および２の導波モードがフォトニックギャップ中に形成される。
図４のグラフの縦軸および横軸は、１／ａで規格化した光の周波数および波数である。導波モードは横電界（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ，ＴＥ）偏光状態にある。欠陥導波路２５中では、光は分枝１もしくは分枝２のモードとなって伝搬する。
入射する光パルスの中心周波数が特定の周波数であるときに、欠陥導波路２５の領域（Ｉ）では上側の分枝２のモードが発生し、領域（ＩＩ）では下側の分枝１のモードが発生するよう、領域（Ｉ）、（ＩＩ）の孔２４の半径ｒと間隔ａを互いに異ならせて設定するのである。
【００２７】
ところで図５（ａ）に示すように、導波モードは分枝１および２が波数ゼロで最近接する場合と、図５（ｂ）に示すように、ブリルアンゾーン境界で最近接する場合とがあり、どちらの場合も適用可能であるが、本実施の形態では、図５（ａ）の特性を有するフォトニック結晶を対象とする。
【００２８】
光が物質中を伝搬する際の様子を調べる際に、周波数−波数の関係が重要となる。この関係より、光が物質中を伝搬する際の速度が求まる。この速度は光パルスの重心が移動するスピードを指し、群速度と呼ばれる。群速度は、周波数−波数特性曲線の傾き（微分係数）として与えられる。真空や空気中では、周波数−波数特性は直線となり、群速度は周波数によらず一定であるが、ガラス・半導体・金属などの物質中では周波数−波数特性は直線にならず、群速度は周波数に応じて変化する。したがって、空気中から入射した光が物質を透過する場合、空気中から入射する光の周波数（波長と言い換えてよい）に応じて群速度は変化する。光パルスは単一の波長だけでなく、さまざまな波長成分を含んでいるので、群速度が波長に依存すると物質中を伝搬するにつれて光パルスの幅が拡がり、波形が歪んでしまう。群速度が波長（または周波数）に依存するとき、その依存性を波長分散と呼ぶ。また、群速度が波長（または周波数）に応じて変化する割合を群速度分散と呼ぶ。群速度分散は、周波数−波数特性曲線の二階微分に等しい。
【００２９】
図４に示した周波数−波数関係を表す曲線において、分枝１および２では群速度分散の符号が互いに反転している。したがって、領域（Ｉ）および（ＩＩ）に加えるバイアス電圧を調整することによって曲線を変動させ、これによって、領域（Ｉ）および（ＩＩ）を含めた欠陥導波路２５全体として、正、ゼロもしくは負の群速度分散を発生することが可能となっている。そして、ある光ファイバ伝送路を対象とするとき、その光ファイバ伝送路のもつ群速度分散と符号が逆で、絶対値が等しい量の群速度分散を発生するようにバイアス電圧（Ｉ）および（ＩＩ）を変化させることによって、対象とする光ファイバ伝送路の波長分散を除去するのである。
【００３０】
図６は、図１に示した分散補償素子１０Ｘが正負の分散補償を実現するためのものであるのに対し、複数次の項に対する分散補償を実現するためのものである。
ここで、分散補償素子（分散補償部）１０Ｙは、基本的に図１に示した分散補償素子１０Ｘと同様であるため、共通する構成については同符号を付してその説明を省略するが、フォトニック結晶部２０は、基板２１上に、クラッド層２２と、コア層２３とが積層されたものである。
このフォトニック結晶部２０のコア層２３に、周期的に形成された孔２４の半径ｒと間隔ａとが、領域ごとに異なるように設定されているのである。
【００３１】
複数次の分散補償に対応する分散補償素子１０Ｙは、ｎ次までの項の分散補償を実現するのであれば、２（ｎ−１）個の領域を有している。
図６に示すように、例えば３次までの項の分散補償を行うのであれば、ｎ＝３であり、領域は２（ｎ−１）＝２（３−１）＝４個が設定される。これら４個の領域（Ｉ）、（ＩＩ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）において、２次の項の正負、３次の項の正負、計４通りの波長分散を与えるよう、それぞれ孔２４の半径ｒと間隔ａが設定されている。
【００３２】
図７は、このような３次までの項の分散補償を行う場合を説明するためのものである。
この図７に示すように、領域（ＩＶ）が２次の項の正、領域（Ｉ）が２次の項の負、領域（ＩＩＩ）が３次の項の正、領域（ＩＩ）が３次の項の負の波長分散を与える場合、
領域（ＩＶ）では、ｋ＝−ｃ２ν２、
領域（Ｉ）では、ｋ＝ｃ’ ２ν２、
領域（ＩＩＩ）では、ｋ＝−ｃ’’ ２ν２−ｃ３ν３、
領域（ＩＩ）では、ｋ＝ｃ’’’ ２ν２＋ｃ’ ３ν３、
の式で表される曲線となる。ただし、各式は中心周波数付近の周波数−波数特性曲線をνのべき乗で近似して表している。
【００３３】
ここで、ｋ：波数、ｃ：正の数、ν：中心周波数を原点として表した周波数である。
そして、領域（Ｉ）〜（ＩＶ）をトータルした、
ｋ＝（ｃ’ ２−ｃ２＋ｃ’’’ ２−ｃ’’ ２）ν２＋（ｃ’ ３−ｃ３）ν３
の式において、２次の項の係数：（ｃ’ ２−ｃ２＋ｃ’’’ ２−ｃ’’ ２）が分散補償素子１０Ｙにおける２次の分散補償値を与え、３次の項の係数：（ｃ’ ３−ｃ３）が分散補償素子１０Ｙにおける３次の分散補償値を与える。
【００３４】
ところで、上記のような分散補償素子１０Ｙでは、例えば４つの領域（Ｉ）〜（ＩＶ）を備える構成となっているが、このように３以上の領域を備える場合、図６（ｂ）に示すように、互いに隣接する領域間の境界部で、屈折率の違いから生じる反射による光減衰が最小となるような配列とするのが好ましい。具体的には、間隔ａの大小の順で領域（Ｉ）〜（ＩＶ）を配列するのが望ましい。
【００３５】
さて、図８は、上記したような分散補償素子１０Ｘあるいは１０Ｙを用いて構成する分散補償システム５０の構成を示すものである。
分散補償システム５０は、光ファイバ伝送路１００上に備えられる。
光ファイバ伝送路１００は、例えば海底等に長距離にわたって敷設されるもので、送信サーバ等の入射部１０１側から入射された光パルス列が、光ファイバ伝送路１００を介して伝送され、受信サーバ等の出射部１０２側から出射されるようになっている。
【００３６】
分散補償システム５０は、出射部１０２の近傍に備えられるもので、カプラ（パルス取り出し部）５１と、モニター装置５２と、制御装置（制御部、電圧制御部）５３と、分散補償素子１０Ｘあるいは１０Ｙ（以下、単に１０Ｘと略称する）と、を備える。
カプラ５１は、光ファイバ伝送路１００から光パルスを取り出すものである。
モニター装置５２は、カプラ５１で取り出した光パルスを、波長分散の影響が無視できるなるべく短尺の光ファイバ５４を介して受け取り、その光パルスの波形をモニターする。具体的には、光ファイバ伝送路１００から取り出した光パルスの時間−スペクトル面上での波形をモニター（測定）し、波形制御の対象となる光パルスの持つ波長分散を次数毎の係数に分解して求め、これを波長分散情報として出力する。なお、このモニター装置５２については、例えば、Ｋ Ｏｇａｗａ、“Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｕｓｉｎｇ ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ”、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成１４年（２００２年）年３月１１日、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．５，ｐ．２６２−２６７、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、［平成１５年（２００３年１月１４日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｅｘｐｒｅｓｓ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ＵＲＩ＝ＯＰＥＸ−１０−５−２６２＞に記載された構成を適用できるので、ここでは特に詳細な説明を行わない。
【００３７】
制御装置５３は、モニター装置５２から出力された波長分散情報を、短尺の光ファイバ５５を介して受け取る。この制御装置５３は、データベース（データ格納部）５６を備えており、このデータベース５６には、波長分散の符号と絶対値に応じた、分散補償素子１０Ｘの電極３０Ａ、３０Ｂでの電圧印加量のデータが格納されている。
制御装置５３では、モニター装置５２から出力された波長分散情報を受け取ると、データベース５６を参照することで、モニター装置５２から受け取った波長分散情報（波長分散の係数）とは絶対値が等しく符号が反転した波長分散を分散補償素子１０Ｘが発生するための、電極３０Ａ、３０Ｂでの電圧印加量のデータを得る。そして、得られた電圧印加量のデータを、分散補償素子１０Ｘに向けて出力する。
【００３８】
ところで、分散補償素子１０Ｘは、その欠陥導波路２５が、光ファイバ伝送路１００上に介在し、光ファイバ伝送路１００を伝播してきた光パルスが欠陥導波路２５の一端側の入射端から入射し、他端側の出射端から光ファイバ伝送路１００に出射するように設けられている。
そして、分散補償素子１０Ｘの電極３０Ａ、３０Ｂに電圧を印加するための電源（図示無し）と、電源での電圧印加量をコントロールするコントローラ（図示無し）とが、分散補償素子１０Ｘに接続されている。
前記の、制御装置５３から出力された電圧印加量のデータは、光ファイバ５７を介し、分散補償素子１０Ｘのコントローラ（図示無し）に転送される。コントローラでは、受け取った電圧印加量のデータに基づき、電極３０Ａ、３０Ｂに電源から所定の電圧を印加させることで、領域（Ｉ）、（ＩＩ）それぞれの屈折率を変化させる。
【００３９】
このようにして、分散補償システム５０では、光ファイバ伝送路１００から取り出した光パルスをモニター装置５２でモニタリングし、その波長分散情報に基づき、分散補償素子１０Ｘで印加する電圧印加量を制御装置５３にてコントロールする構成とした。これにより、光ファイバ伝送路１００において、温度、気象等による条件変動が生じても、常に最適な分散補償を行うことができる。
そして、分散補償素子１０Ｘでは、波長分散補償の符号を波長分散の絶対値と独立に可変とすることで、正負の分散補償が行える構成となっているので、光ファイバ伝送路１００における波長分散が、正負の間を絶え間なく変化する場合であっても、分散補償を行うことができる。
【００４０】
なお、上記の議論は分散補償素子１０Ｘだけでなく分散補償素子１０Ｙを用いた場合にも同様に適用されるものであり、分散補償素子１０Ｙを採用すれば、正負だけでなく、複数次の分散補償を行える。
その結果、分散補償素子１０Ｘ、１０Ｙ、およびそれを用いた分散補償システム５０を用いることで、広いスペクトル帯域を利用する超高速大容量光通信に対応する波長分散補償を実現することができ、伝送速度のさらなる高速化を十分に実現することが可能となる。
特に、分散補償素子１０Ｘ、１０Ｙは、領域毎に孔２４の半径ｒと間隔ａを異ならせるのみであるため、特に複雑な構造となることもなく、比較的低コストで上記効果を実現することが可能である。
【００４１】
また、制御装置５３でも、予めデータベース５６に格納された情報を参照することで、電極３０Ａ、３０Ｂで印加する電圧量を制御する構成となっており、その場で複雑な処理等を行う必要がないため、制御装置５３自体も低コストで製作することができる。
さて、上記分散補償素子１０Ｘあるいは１０Ｙは、電極３０を用いてバイアス電圧をかけることでフォトニック結晶部２０の屈折率を変化させる構成としたが、コア層２３に不純物であるキャリア（電子あるいは正孔（ホール））を注入し、バイアス電圧をかけることによってフォトニック結晶部２０の吸収スペクトル（屈折率の虚部）を変化させることもできる。
【００４２】
図９は、そのような分散補償素子１０Ｚの例である。
この図９に示すように、分散補償素子１０Ｚは、全体として、基板２１上に、クラッド層２２、コア層２３が積層され、さらにコア層２３上にはクラッド層６０が積層された構成を有している。基板２１は例えばシリコン（Ｓｉ）、クラッド層２２、６０はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）または窒化シリコン膜、コア層２３は誘電体であるシリコン結晶（Ｓｉ）で形成されている。また、基板２１は、例えば５００μｍ程度の厚さを有し、クラッド層２２および６０は、例えば２００ｎｍ〜１μｍ、具体例としては３００ｎｍ、コア層２３は２５０ｎｍ程度の厚さを有している。
【００４３】
分散補償素子１０Ｚは、欠陥導波路２５が連続する方向に対して直交した断面、つまり図９に示した断面において、基板２１、クラッド層２２、コア層２３、クラッド層６０が、孔２４が形成された領域（以下、これをフォトニック結晶領域と称する）Ｒ１よりも側方に延長するように形成されている。つまり、欠陥導波路２５を中心として、その両側に孔２４が形成されたフォトニック結晶領域Ｒ１が存在し、さらにその外側に、孔２４が形成されていない拡張領域Ｒ２が形成されているのである。
上下をクラッド層２２および６０によって挟み込まれたコア層２３には、拡張領域Ｒ２に、中央部の欠陥導波路２５に対しキャリア密度が異なる領域（異密度領域）が、端子部７０として形成されている。
【００４４】
そして、このような分散補償素子１０Ｚでは、この端子部７０に、電圧を印加するための電極（分散変動手段、エネルギー付与部材）８０が電気的に接続され、基板２１の底面側には、基準電位を供給するための基準電極８１が電気的に接続されている。
端子部７０は、コア層２３に含まれる不純物（電子または正孔）をドープまたはアンドープすることによって、キャリア密度を欠陥導波路２５に対して異ならせたものである。この端子部７０に電極８０を電気的に接続し、バイアス電圧を印加すると、欠陥導波路２５の部分と端子部７０の部分のキャリア密度の差により電子または正孔が移動し、これによって欠陥導波路２５の部分のキャリア密度が変化し、吸収スペクトルが変化する。例えば、不純物としてｐ型元素を用いる場合、＋（プラス）のバイアス電圧を印加すると、正孔が両側の端子部７０から中央部の欠陥導波路２５に集まって欠陥導波路２５のキャリア密度が上昇し、−（マイナス）のバイアス電圧を印加すると、正孔が欠陥導波路２５から両側の端子部７０に移動して欠陥導波路２５のキャリア密度が低下する。
【００４５】
ここで、欠陥導波路２５の部分に対し、端子部７０のキャリア密度を低くしてもよいが、欠陥導波路２５の部分に対し、端子部７０のキャリア密度を高くする、つまり不純物をイオン注入等によってドープするのが好ましい。欠陥導波路２５の部分に対し、端子部７０のキャリア密度を高くすると、電極８０が接続される端子部７０では電気抵抗が小さくなり、しかも欠陥導波路２５の部分の電気抵抗が大きくなって電界が集中しやすくなるからである。
【００４６】
このような不純物としては、半導体でも用いられている、ｐ型元素のＢ（ホウ素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｔｌ（タリウム）、ｎ型元素のＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｂｉ（ビスマス）等がある。これらのうち、ｐ型元素では、ドープを容易に行えることから、Ｂ（ホウ素）が特に好適である。
ドープする不純物として、ｐ型元素のＢ（ホウ素）を用いる場合、例えば、欠陥導波路２５のキャリア密度（不純物元素の数）を１０１７個／ｃｍ３とすると、端子部７０のキャリア密度を５×１０１８〜５×１０１９個／ｃｍ３、例えば１×１０１９個／ｃｍ３とするのが好ましい。
【００４７】
この場合、基板２１は、キャリア密度を欠陥導波路２５と同等とするのが好ましい。基板２１と欠陥導波路２５とで、キャリア密度が異なると、これらの間に電荷分布が生じてしまい、設計等が複雑になるからである。
また、基板２１に基準電極８１が接続される面２１ａにも、電気抵抗を小さくするため、不純物をドープし、例えば端子部７０と同等のキャリア密度とするのが好ましい。
【００４８】
図１０は、図９に示したような断面構造を有する分散補償素子１０Ｚの一例である。
この図１０に示すように、分散補償素子１０Ｚ１は、マウント９０上に搭載されており、フォトニック結晶領域Ｒ１の面積に対し、その両側の拡張領域Ｒ２に形成された端子部７０の面積が相対的に大きくなるように形成されて、平面視した状態で略Ｈ字状を有している。これは、端子部７０の面積をなるべく大きくして、その電気抵抗を小さくするためである。
【００４９】
また、この分散補償素子１０Ｚ１は、図１に示した分散補償素子１０Ｘと同様、孔２４の半径ｒと、間隔ａとが異なって設定された領域（Ｉ）、（ＩＩ）を有している。そして、それぞれの領域（Ｉ）、（ＩＩ）に独立してバイアス電圧を印加するため、分散補償素子１０Ｚ１は、領域（Ｉ）、（ＩＩ）の両側にそれぞれ端子部７０および電極８０が設けられ、合計４つの電極８０のそれぞれに、リード８５を介し、マウント９０上に設けられた外部電極８６が電気的に接続されている。
そして、フォトニック結晶領域Ｒ１の欠陥導波路２５の両端に対向するように先球型の光ファイバＦが配置され、これによって欠陥導波路２５に光パルスが導かれ、分散補償を受けた後に導出されるようになっている。
【００５０】
また、図１１は、図９に示したような断面構造を有する分散補償素子１０Ｚの他の一例である。
この図１１に示すように、分散補償素子１０Ｚ２は、フォトニック結晶領域Ｒ１に対し、その両側に広がる拡張領域Ｒ２に設けられた端子部７０および電極８０が、台形状（あるいは扇形状）とされたものである。これにより、端子部７０および電極８０に比較して面積が小さいフォトニック結晶領域Ｒ１までの距離をなるべく短くしつつ、端子部７０および電極８０の面積を大きく確保することができる。これも、端子部７０の電気抵抗を小さくするために有効である。
【００５１】
図１２は、図９に示したような断面構造を有する分散補償素子１０Ｚのさらに他の一例である。
この図１２に示すように、分散補償素子１０Ｚ３は、その表面のみが、図１０に示した分散補償素子１０Ｚ１と同様に略Ｈ字状とされ、フォトニック結晶領域Ｒ１に対し、その両側に広がる端子部７０および電極８０の面積が大きくなるように形成されている。そして、基板２１は、上部のみが平面視略Ｈ字状とされ、それより下方の部分は平面視略矩形状をなしている。
このような分散補償素子１０Ｚ３は、基板２１上に、クラッド層２２、コア層２３、クラッド層６０を積層して平面視矩形状のブロックを形成した後、フォトニック結晶領域Ｒ１の欠陥導波路２５の両端側をエッチング等により除去して段部９１を形成することで得られる。このとき、フォトニック結晶領域Ｒ１の欠陥導波路２５の両端には、突出部９２を形成し、この突出部９２に、光ファイバＦを対向させる。このため、段部９１の深さは、光ファイバＦの外径に応じて設定するのが好ましい。
【００５２】
ところで、図１０〜図１２で示した分散補償素子１０Ｚ１〜１０Ｚ３は、孔２４の半径ｒと、間隔ａとが異なって設定された２つの領域（Ｉ）、（ＩＩ）を有する構成としたが、これを図６に示した分散補償素子１０Ｙ等と同様、例えば４つ等、３以上の領域を備えるようにしても良い。その場合、領域の数に応じ、端子部７０を設ける。
このような分散補償素子１０Ｚにおいても、図８に示した分散補償システム５０を構成することができる。
【００５３】
この場合、制御装置５３は、データベース５６に、波長分散の符号と絶対値に応じた、分散補償素子１０Ｚに対する電極８０での電圧印加量のデータが格納されている。そして、制御装置５３では、データベース５６を参照することで、モニター装置５２から受け取った波長分散情報に応じた、電極８０での電圧印加量のデータを得て、これを分散補償素子１０Ｚに向けて出力する。
制御装置５３から出力された電圧印加量のデータは、光ファイバ５７を介し、分散補償素子１０Ｚのコントローラ（図示無し）に転送される。コントローラは、受け取った電圧印加量のデータに基づき電源から所定の電圧を発し、これを電極８０を介して端子部７０に印加させることで、欠陥導波路２５の領域（Ｉ）、（ＩＩ）それぞれの屈折率を変化させる。
【００５４】
このようにして、分散補償素子１０Ｚの場合も、分散補償システム５０により、光ファイバ伝送路１００において、温度、気象等による条件変動が生じても、常に最適な分散補償を行うことができる。その結果、広いスペクトル帯域を利用する超高速大容量光通信に対応する波長分散補償を実現することができ、伝送速度のさらなる高速化を十分に実現することが可能となるのである。
【００５５】
なお、上記実施の形態では、分散補償素子１０Ｘ、１０Ｙ、１０Ｚにおいて電極３０を用いてバイアス電圧をかけることでフォトニック結晶部２０の屈折率を変化させる構成としたが、これ以外の手段を分散補償手段として用いることも可能である。
例えば、各領域にヒータを設け、ヒータに電流を流してコア層２３の温度を上昇させるのである。屈折率の温度依存性により、フォトニック結晶導波路の波長分散を変化させて波長分散補償に利用することができる。
さらに、圧電素子によりストレスをフォトニック結晶部２０の両面から印加することでひずみを加え、屈折率を変化させることもできる。
【００５６】
また、フォトニック結晶部２０は、図１３（ａ）に示すように、基板２１上にクラッド層２２、コア層２３のみを備え、コア層２３の一面側には空気が接する構成としたが、これに代えて、図１３（ｂ）に示すように、コア層２３の上面側にさらにクラッド層（他の層）２６を設けるようにしても良い。この場合、クラッド層２６には、クラッド層２２と同様、ＳｉＯ２を用いることができる。好ましい態様としてのクラッド層２２の厚さは５００ｎｍである。その他の部分の厚さ等は前記したのと同様である。
また、コア層２３には、直線状の欠陥導波路２５を形成する構成としたが、直線状に限るものではなく、折曲あるいは湾曲した形状とすることもできる。さらに、上記実施の形態では、欠陥導波路２５は二次元状に形成された構成となっているが、これを三次元状に形成する構成とすることも可能である。
【００５７】
この他、上記と同様の光に対する分散機能を有するのであれば、フォトニック結晶以外の光学素材、光学素子を用いることに何ら問題はない。
加えて、分散補償システム５０では、モニター装置５２、制御装置５３で光パルスをモニタリングして分散補償を制御する構成としたが、光ファイバ伝送路１００における光パルス伝播条件がさほど変動しないような使用環境であれば、カプラ５１、モニター装置５２、制御装置５３を省略し、常に一定の分散補償を行う構成とすることも可能である。
【００５８】
なお、入射部１０１、出射部１０２で用いられるサーバや各種端末等は、光ファイバ伝送路１００に対し信号の送出と受信の双方を行うのが通常である。上記分散補償システム５０は、信号の受信の直前で分散補償を行うのが好ましいため、実際には、光ファイバ伝送路１００の両端部に分散補償システム５０を備えるのが好ましい。
加えて、分散補償システム５０は、モニター装置５２、制御装置５３と、分散補償素子１０Ｘ、１０Ｙまたは１０Ｚとを一体の装置としても良いし、それぞれを別体のユニットとしても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０Ｘ，１０Ｙ，１０Ｚ，１０Ｚ１，１０Ｚ２，１０Ｚ３・・・分散補償素子（分散補償部）、２０・・・フォトニック結晶部、２１・・・基板、２２・・・クラッド層（他の層）、２３・・・コア層（周期配列層）、２４・・・孔、２５・・・欠陥導波路、２６・・・クラッド層（他の層）、３０・・・電極（分散変動手段、エネルギー付与部材）、５０・・・分散補償システム、５１・・・カプラ（パルス取り出し部）、５２・・・モニター装置、５３・・・制御装置（制御部、電圧制御部）、５４，５５・・・光ファイバ、５６・・・データベース、６０・・・クラッド層、・・・、７０・・・端子部、８０・・・電極（分散変動手段、エネルギー付与部材）、８１・・・基準電極、８５・・・リード、８６・・・外部電極、９０・・・マウント、９１・・・段部、９２・・・突出部、１００・・・光ファイバ伝送路、１００Ｘ・・・分散補償素子、１０１・・・入射部、１０２・・・出射部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010164989.tif 000011
【図１０】
2010164989.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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