(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光干渉計と第２の光干渉計を縦列接続し、前記光干渉計で二分岐された信号光の位相差を調整して、前記信号光の強度を所望の値に設定する可変光減衰方法であって、
前記信号光が前記第１の光干渉計を通過する際の第１の位相差と前記第２の光干渉計を通過する際の第２の位相差の関係を、前記信号光の中心波長での前記第１の光干渉計の透過光強度の波長微分量と前記第２の光干渉計の透過光強度の波長微分量との和が零となるように、前記第２の位相差を前記第１の位相差の二次関数として近似し、前記第１の位相差を調整したのち、前記第２の位相差を前記二次関数から一義的に求めた位相差に調整することを特徴とする可変光減衰方法。
【請求項２】
請求項１に記載の可変光減衰方法において、前記光干渉計は、マッハツェンダ干渉計の一方の入力端と、該入力端に斜めに対向する出力端を用いるクロス型マッハツェンダ干渉計で構成することを特徴とする可変光減衰方法。
【請求項３】
請求項１に記載の可変光減衰方法において、前記光干渉計は、マッハツェンダ干渉計の一方の入力端と、該入力端に平行に向かい合う出力端を用いるバー型マッハツェンダ干渉計で構成することを特徴とする可変光減衰方法。
【請求項４】
請求項１に記載の可変光減衰方法において、第１及び第２のマッハツェンダ干渉計のうち一方をクロス型マッハツェンダ干渉計とし、他方をバー型マッハツェンダ干渉計で構成することを特徴とする可変光減衰方法。
【請求項５】
請求項１に記載の可変光減衰方法において、前記位相差は２π以内であることを特徴とする可変光減衰方法。
【請求項６】
第１の光干渉計と第２の光干渉計を縦列接続し、前記光干渉計で二分岐された信号光の位相差を調整して、前記信号光の強度を所望の値に設定する可変光減衰器であって、
前記信号光が前記第１の光干渉計を通過する際の位相差を調整する第１の位相差調整手段と、
前記信号光が前記第１の光干渉計を通過する際の第１の位相差と前記第２の光干渉計とを通過する際の第２の位相差の関係を、前記信号光の中心波長での前記第１の光干渉計の透過光強度の波長微分量と前記第２の光干渉計の透過光強度の波長微分量との和が零となるように、前記第２の位相差を前記第１の位相差の二次関数として近似し、前記第１の位相差を調整したのち、前記第２の位相差を前記二次関数から一義的に求めた位相差に調整する第２の位相調整手段を備えたことを特徴とする可変光減衰器。
【請求項７】
請求項６に記載の可変光減衰器において、前記位相差は２π以内であることを特徴とする可変光減衰器。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の可変光減衰器において、前記光干渉計は、屈折率の高いコア部と該コア部を囲み該コア部より屈折率の低いクラッド部とから形成された平面型光導波路で構成される、２本の入力光導波路と、２入力２出力である２つの光合分波器と、該光合分波器の光分波器の２本の出力光導波路と光合波器の２本の入力光導波路を接続する２本のアーム光導波路と、該アーム光導波路に設けられた位相調整器と、２本の出力光導波路から構成されるマッハツェンダ干渉計であることを特徴とする可変光減衰器。
【請求項９】
請求項６または請求項７に記載の可変光減衰器において、前記光干渉計は、屈折率の高いコア部と該コア部を囲み該コア部より屈折率の低いクラッド部とから形成された平面型光導波路で構成される、１本の入力光導波路と、１入力２出力であるＹ分岐器と、２入力１出力であるＹ分岐器と、前記Ｙ分岐器の２本の出力光導波路と２本の入力光導波路間を接続する２本のアーム光導波路と、該アーム光導波路に設けられた位相調整器と、１本の出力光導波路から構成されるマッハツェンダ干渉計であることを特徴とする可変光減衰器。
【請求項１０】
請求項８に記載の可変光減衰器において、前記マッハツェンダ干渉計の一方の入力光導波路を入力端とし、入力端に斜めに対向する出力光導波路を出力端とするクロス型マッハツェンダ干渉計で構成することを特徴とする可変光減衰器。
【請求項１１】
請求項８に記載の可変光減衰器において、前記マッハツェンダ干渉計の一方の入力光導波路を入力端とし、入力端に平行に向かい合う出力光導波路を出力端とするバー型マッハツェンダ干渉計で構成することを特徴とする可変光減衰器。
【請求項１２】
請求項８に記載の可変光減衰器において、第１及び第２のマッハツェンダ干渉計のうち一方をクロス型マッハツェンダ干渉計とし、他方をバー型マッハツェンダ干渉計で構成することを特徴とする可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信の分野に用いられる可変光減衰技術に関し、詳しくは、波長分割多重通信における光信号を伝達するための光信号伝送装置における基本要素となる可変光減衰方法及び可変光減衰器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大容量光通信網を構築する有力な手段として波長分割多重方式があり、近年、盛んに研究・開発が行われている。図１０に一般的な波長分割多重方式による光通信装置を示す。この光通信装置は、異なる波長の光信号を発生するＮ個の光送信器３０１とＮｘ１光合波器３０２と光増幅器３０７から構成される光送信装置ＬＴと、光増幅器３０７と１ｘＮ光分波器３０４とＮ個の光信号受信器３０５から構成される光受信装置ＬＲと、光送信装置ＬＴと光受信装置ＬＲの間に配置される光伝送用路３０６から構成される。ここで、光送信器３０１としてはＤＦＢ分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを直接変調する場合、ＤＦＢレーザと符号化を行うリチウムナイオベイト光強度変調器を用いる場合、ＤＦＢレーザとＥＡ変調器を集積化した光源を用いる場合などがある。１ｘＮ光合分波器としてはＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）が用いられる。光増幅器としては希土類元素を添加した光ファイバ型増幅器やラマン増幅器が用いられる。光伝送路としては零分散波長が１.３μｍあるいは１.５５μｍである単一モード光ファイバを用い、必要に応じて光増幅器や３Ｒ中継器が配置される。この様な波長分割多重方式は１本の光ファイバに波長空間で多重した信号を伝送することから、通信網の大容量化を実現できるという特徴を有する。典型的な波長分割多重システムとしては、波長数３２〜６４、ビットレート１０Ｇｂｉｔ／ｓ、伝送距離１０００ｋｍが実用化になっている。また、スループット１Ｔｂｉｔ／ｓの波長分割多重伝送が研究段階にある。
【０００３】
このような光通信装置を設計・製造する場合、伝送用光ファイバ線路への光信号の強度を制御することが重要である。これは、信号光強度が所望の値より高い場合、波長多重信号光が受ける光ファイバの非線形光学効果が信号光パルスの波形劣化を発生し、符号誤り率を増大するからである。（光ファイバの非線形光学効果に関しては、例えば、「M.Fukui, S.Aisawa, O.Ishida, K.Shimano, A.Umeda, T.Sakamoto, K.Oda, and N.Takachio,“Allowable fiber input power for installed dispersion shifted fiber in equal/unequal channel spaced WDM transmission systems,”Electron.Lett.,vol.33,pp693-694,1997.」）。
【０００４】
また、信号光強度が所望の値より低い場合、光増幅器で発生する雑音によりＳ／Ｎが低下し、符号誤り率を増大する。従って、光信号伝送特性が最良になるように、光ファイバへの最適信号光強度を決定しなければならない。さらに、光ファイバ中の非線形光学効果の問題は、近年の信号光波長域の広帯域化に伴い、より顕著となっている。つまり、通信波長域に関して、従来の１.５５μｍ帯に加え、利得シフト光増幅器（ＧＳ−ＥＤＦＡ）、ファイバラマン増幅器、ツリウム添加ファイバ型光増幅器（ＴＤＦＡ）等新規波長帯における光増幅器開発の進展に伴い、１.５８μｍ帯、１.５２μｍ帯、１.４８μｍ帯での光通信が開発されつつある。
【０００５】
こうした新規波長帯を用いた光通信技術が進展しつつある状況において、従来の帯域４０ｎｍ程度を有する１.５５μｍ帯の枠を超え、波長域１４００〜１６００ｎｍの２００ｎｍにも及ぶ広帯域な波長分割多重方式の出現が必須である。このような広帯域な波長分割多重方式における光通信において、光ファイバ内の非線形光学効果はより顕著になり、従来以上に精密な信号光強度の制御が重要となる（広帯域な波長分割多重方式における非線形光学効果に関して、例えば、「J.Kani, M.Jinno, T.Sakamoto, K.Hattori, and K.Oguchi,“Bi-directional transmission to suppress inter-wavelength-band nonlinear interactions in ultra-wide band WDM transmissions systems,”in Tech.Digest of 3rd OECC,pp.412-413,1998.」）。
【０００６】
ここで、従来の波長多重方式において光ファイバへの信号光強度を制御する手段として、▲１▼波長多重光を一括して可変光減衰器で調整する方法、▲２▼光送信機の出力光強度を個別に調整する方法、▲３▼合波器の後段にポストアンプを配置し、ポストアンプの利得を制御して波長多重光の光出力を一括して調整する方法、が考えられる。ここで、現実的な実現方法は、前記▲１▼の可変光減衰器を用いる方法である。これは、前記▲２▼の方法では、光送信器の送信する光信号が、通常、ＧＨｚ程度の厳密な光周波精度を求められるため、光周波数を一定に保ちながら光強度を調整する必要が生じ、そのため装置構成が複雑になる。従って、現実的には光送信器の後に個別の可変光減衰器を波長数台分用意することとなり、装置規模が増加する。
【０００７】
前記▲３▼の方法では、通常、光アンプは利得の波長依存性があり、利得を変化させると短波長側と長波長側の利得が異なる（ゲインチルト）結果、利得の波長依存性を抑制する必要が生じ、そのため装置構成が複雑になるという問題点があるためである。従って、前記▲１▼の可変光減衰器を用いる方法が装置構成を簡略化でき、高い制御精度を実現できる。
【０００８】
以上、広帯域波長分割多重方式における信号光波形劣化抑圧と簡易な光ファイバ入力光強度の制御の観点から、信号光波長帯において波長依存性が少なく、制御精度の良い可変光減衰器が要素技術として重要となるわけである。
【０００９】
従来、可変光減衰器には、石英系光導波路の熱光学効果を利用する方法、バルク型のＮＤフィルタをステッピングモータで駆動する方法、光ファイバ型光アイソレータのファラデー回転角を制御する方法、音響光学素子を用いる方法がある。
【００１０】
ここで、石英系光導波路を用いる方法は、集積化による小型化、量産性、低損失である光学特性に優れており、光通信に用いる光部品として他技術よりも秀でている。石英系光導波路を用いた光回路はPlanar Lightwave Circuit（ＰＬＣ）技術による回路設計、チップ製造、ファイバ実装をもとに製造される。従来、ＰＬＣで可変光減衰器を実現する方法として、マッハツェンダ干渉計と熱光学効果を利用した構成が提案されている。
【００１１】
図９にその光回路構成を示す。２個の３ｄＢカップラ１１と２本のアーム導波路１２から構成されるマッハツェンダ干渉計１０と、一方のアーム導波路１２に設けた位相調整器１３から構成される。図１０中、Ｌinは入力信号光、Ｌoutは出力信号光である。
【００１２】
石英系光導波路における位相調整機構は、導波路の上に形成された金属薄膜ヒータを熱源とした熱光学効果を利用して屈折率を変化させる方法である。本可変光減衰器は、例えば、対称型マッハツェンダ干渉計を用いる場合、ヒータに電力を印加していない状態で入力信号光は入力ポートと対角の位置にある出力ポートに出力され、ヒータヘ印加する電力に応じて光減衰量が増大し、光出力が小さくなる。従って、ヒータヘ供給する電力に応じて光出力強度を制御することが可能となる。
【００１３】
さらに、出力ポートに分岐器を設け、この分岐器から出力される光強度をモニタしながらフィードバック制御することにより、光入力強度の変化に対して光出力を一定に制御する自動レベル制御（ＡＬＣ）を付加することも可能である。ＰＬＣマッハツェンダ干渉計を用いたＡＬＣに関しては、例えば、「K.Hattori, M.Fukui, M.Jinno, M.Oguma, and K.Oguchi,“All-PLC-based optical ADM with high isolation and polarization independent level equalizer,”in Proc.ECOC'98,1998,pp.327-328.」に開示されている。
【００１４】
現在、最大光減衰量２０ｄＢ程度の光減衰器がＰＬＣ型可変光減衰器で実現されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように、小型・集積化が可能なマッハツェンダ干渉計を用いた可変光減衰器には、減衰量に波長依存性が存在するという問題があった。これは、マッハツェンダ干渉計の２本のアーム導波路間の位相差が波長依存性を有することに起因しており、光の干渉を利用した回路に本質的な特性である。例えば、図９に示した一段のマッハツェンダ干渉計では、波長域１４００〜１６００ｎｍにおいて、減衰量３ｄＢで１ｄＢ、減衰量６ｄＢで２ｄＢ、減衰量１０ｄＢで４ｄＢ程度の波長依存性がある。光減衰量の波長依存性を解消する方法として、マッハツェンダ干渉計を２段直列に接続し、ヒータを互い違いに配置する光回路が提案されている（「T.V. Clapp, S.Day, S.Ojha, and R.G.Peall,“Broadband variable optical attenuator in silica waveguide technology,”in Proc.ECOC'98,1998,pp.301-302.」）。この光回路では、１５３０〜１５６０ｎｍの帯域において１ｄＢ以内の平坦な光減衰特性が得られると報告している。
【００１６】
しかしながら、本光回路を用いても、１４００〜１６００ｎｍに及ぶ広帯域な波長領域で波長依存性を抑制することは不可能である。例えば、シミュレーションによると、波長域１４００〜１６００ｎｍにおいて、減衰量３ｄＢで１ｄＢ、減衰量６ｄＢで２ｄＢ、減衰量１０ｄＢで４ｄＢ程度の波長依存性があり、従来から提案されている１段のマッハツェンダ干渉計の有する波長依存性と同等な波長依存性が発生することがわかる。つまり、原理的に発生する干渉計の位相差の波長依存性が光減衰量の波長依存性を支配する結果、広帯域な波長域で平坦な特性をもつ可変光減衰器は実現できないと考えられていた。それ故に、図１０における光通信装置の光ファイバ入力光強度を、小型で、集積性に優れたＰＬＣ可変光減衰器を用いて一括制御するという光通信装置を実現することは不可能であった。
【００１７】
以上に述べた理由により、ＰＬＣを用いて可変光減衰器の光減衰量波長依存性を解消する技術の出現が望まれていた。
【００１８】
本発明の目的は、集積小型化に有望な導波路型光部品において、波長依存性の小さい可変光減衰器を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的及び新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
（１）第１の光干渉計と第２の光干渉計を縦列接続し、前記光干渉計で二分岐された信号光の位相差を調整して、前記信号光の強度を所望の値に設定する可変光減衰方法であって、前記信号光が前記第１の光干渉計を通過する際の第１の位相差と前記第２の光干渉計を通過する際の第２の位相差の関係を、前記信号光の中心波長での前記第１の光干渉計の透過光強度の波長微分量と前記第２の光干渉計の透過光強度の波長微分量との和が零となるように、前記第２の位相差を前記第１の位相差の二次関数として近似し、前記第１の位相差を調整したのち、前記第２の位相差を前記前記二次関数から一義的に求めた位相差に調整する方法である。
【００２０】
（２）前記手段（１）の可変光減衰方法において、前記光干渉計は、マッハツェンダ干渉計の一方の入力端と、該入力端に斜めに対向する出力端を用いるクロス型マッハツェンダ干渉計で構成する方法である。
【００２１】
（３）前記手段（１）の可変光減衰方法において、前記光干渉計は、マッハツェンダ干渉計の一方の入力端と、該入力端に平行に向かい合う出力端を用いるバー型マッハツェンダ干渉計で構成する方法である。
【００２２】
（４）前記手段（１）の可変光減衰方法において、第１及び第２のマッハツェンダ干渉計のうち一方をクロス型マッハツェンダ干渉計とし、他方をバー型マッハツェンダ干渉計で構成する方法である。
【００２４】
（５）前記手段（１）の可変光減衰方法において、前記位相差は２π以内である方法である。
【００２６】
（６）第１の光干渉計と第２の光干渉計を縦列接続し、前記光干渉計で二分岐された信号光の位相差を調整して、前記信号光の強度を所望の値に設定する可変光減衰器であって、前記信号光が前記第１の光干渉計を通過する際の位相差を調整する第１の位相差調整手段と、前記信号光が前記第１の光干渉計を通過する際の第１の位相差と前記第２の光干渉計とを通過する際の第２の位相差の関係を、前記信号光の中心波長での前記第１の光干渉計の透過光強度の波長微分量と前記第２の光干渉計の透過光強度の波長微分量との和が零となるように、前記第２の位相差を前記第１の位相差の二次関数として近似し、前記第１の位相差を調整したのち、前記第２の位相差を前記二次関数から一義的に求めた位相差に調整する第２の位相調整手段を備えたものである。
【００２７】
（７）前記手段（６）の可変光減衰器において、前記位相差は２π以内である。
【００２８】
（８）前記手段（６）または（７）の可変光減衰器において、前記光干渉計は、屈折率の高いコア部と該コア部を囲み該コア部より屈折率の低いクラッド部とから形成された平面型光導波路で構成される、２本の入力光導波路と、２入力２出力である２つの光合分波器と、該光合分波器の光分波器の２本の出力光導波路と光合波器の２本の入力光導波路を接続する２本のアーム光導波路と、該アーム光導波路に設けられた位相調整器と、２本の出力光導波路から構成されるマッハツェンダ干渉計である。
【００２９】
（９）前記手段（６）または（７）の可変光減衰器において、前記光干渉計は、屈折率の高いコア部と該コア部を囲み該コア部より屈折率の低いクラッド部とから形成された平面型光導波路で構成される、１本の入力光導波路と、１入力２出力であるＹ分岐器と、２入力１出力であるＹ分岐器と、Ｙ分岐器の２本の出力光導波路と２本の入力光導波路間を接続する２本のアーム光導波路と、該アーム光導波路に設けられた位相調整器と、１本の出力光導波路から構成されるマッハツェンダ干渉計である。
【００３０】
（１０）前記手段（８）の可変光減衰器において、前記マッハツェンダ干渉計の一方の入力光導波路を入力端とし、入力端に斜めに対向する出力光導波路を出力端とするクロス型マッハツェンダ干渉計で構成するものである。
【００３１】
（１１）前記手段（８）の可変光減衰器において、前記マッハツェンダ干渉計の一方の入力光導波路を入力端とし、入力端に平行に向かい合う出力光導波路を出力端とするバー型マッハツェンダ干渉計で構成するものである。
【００３２】
（１２）前記手段（８）の可変光減衰器において、第１及び第２のマッハツェンダ干渉計のうち一方をクロス型マッハツェンダ干渉計とし、他方をバー型マッハツェンダ干渉計で構成するものである。
【００３３】
本発明の可変光減衰方法及び可変光減衰器のポイントは、光干渉計の位相を調整することにより光干渉計からの光出力強度を所望の値に設定する可変光減衰方法及び可変光減衰器において、光干渉計を２個縦列に接続し、第１の光干渉計の動作波長範囲内の中心波長における透過光強度の波長微分量と第２の光干渉計の中心波長における透過光強度の波長微分量の和が零となる関係を保ちながら第１及び第２の光干渉計の位相調整器を駆動することにある。
【００３４】
すなわち、本発明の可変光減衰方法及び可変光減衰器は、将来実現するであろう広帯域波長多重光通信に必要な、広帯域な光減衰特性を満足するものであり、広波長域において、本質的に発生する光干渉計の光減衰量の波長依存性を、２段の光干渉計とその位相制御方法の組み合わせにより、本質的に、抑制するものである。つまり、第１の光干渉計の動作波長範囲内の中心波長における透過光強度の波長微分量に対し、第２の光干渉計の中心波長における透過光強度の波長微分量が逆符号で等しい値になるように、第２の光干渉計の位相を調整することにより、２つの光干渉計を透過した光信号において、中心波長における透過光強度の波長微分量の和が零となる関係を保つことができる。
【００３５】
また、中心波長における透過光強度の波長微分量の和が零の関係を保つ位相制御を施すことにより、動作中心波長における透過光強度の波長微分量を零、すなわち、動作中心波長において透過光強度の波長依存性を解消することができる。その結果、動作波長範囲における透過光強度の波長依存性が最小となる。
【００３６】
また、波長微分量の和が零の関係を保つ位相制御方法を実現する上で、位相制御を二次関数に近似する方法も、波長依存性を効果的に低減することができる。
【００３７】
この二次関数の近似を用いれば、簡単なアナログ制御回路により、効果的に波長依存性を低減することができる。
【００３８】
さらに、本発明の可変光減衰器に用いる干渉計としては、ＰＬＣ型マッハツェンダ干渉計が効果的である。これは、ＰＬＣが先に述べたように、小型、集積性、量産性に優れているからであり、さらに、なかでもマッハツェンダ干渉計は、リング共振器などの他の干渉回路に比べそれ自体の波長依存性が小さいからである。  また、本発明の可変光減衰器は、波長依存性を低減するに当たり、簡単な基本回路であるマッハツェンダ干渉計を２個用いる構成であり、装置の複雑化・大型化は最小限である。つまり、二次関数で近似した位相制御方法と２段のＰＬＣマッハツェンダ干渉計を用いることにより、簡単な装置構成で、小型で、しかも、波長依存性の小さい可変光減衰器を実現することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照して、本発明による実施形態（実施例）とともに詳細に説明する。
なお、本実施形態（実施例）を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００４０】
（実施形態１）
図１は、本発明による実施形態１の可変光減衰器の概略構成を示す模式図である。本実施形態１では、光干渉計としてマッハツェンダ干渉計を用い、位相制御方法としては二次関数による近似を用いる例を示す。これは、マッハツェンダ干渉計が他の光干渉計に比べ光減衰量の波長依存性が少なく、広帯域な動作における波長依存性の低減に効果的であるためである。また、二次関数による近似は、この位相制御方法が簡単なアナログ回路で構成可能であり、かつ、この近似を用いたとしても、波長依存性低減に効果が大きいためである。
【００４１】
本実施形態１の可変光減衰器は、光導波路を用いており、図１に示すように、２本の入力光導波路１０１と、２入力２出力である２つの光合分波器１０２と、光合分波器１０２の光分波器の２本の出力光導波路と光合波器の２本の入力光導波路を接続する２本のアーム光導波路１０３Ａ，１０３Ｂと、アーム光導波路１０３Ａ，１０３Ｂにそれぞれ設けられた位相調整器１０４Ａ，１０４Ｂと、二本の出力導波路１０５とで構成されるマッハツェンダ型干渉計１００Ａ，１００Ｂの２個から構成されている。前記マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂをクロス型マッハツェンダ干渉計で構成することを基本とする。ここで、クロス型マッハツェンダ干渉計とは、マッハツェンダ干渉計の２本の入出力光導波路のうち入力端と出力端が対角の位置にあるものである。
【００４２】
本実施形態１では、マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂは、対称型、つまり、２本のアーム導波路の長さは等しいとする。つまり、マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂのそれぞれの位相量は、あらかじめ０に設定されている。また、図１に示すように、出力端に光分岐器１０６を設け、分岐光をフォトディテクタ１０７でモニタし、フィードバック制御回路１０８でフィードバック制御することにより、ＡＬＣ機能を実現することも可能となっている。前記位相調整器１０４Ｂによる位相調整量は、制御回路１０９により制御される。前記制御回路１０９は、前記位相調整器１０４Ｂによる位相調整量を前記位相調整器１０４Ａによる位相調整量に対して二次関数で与える制御を行うものである。
【００４３】
図２は、光減衰の波長無依存化を実現するための位相制御方法を説明するための図である。横軸は前段または後段の一方（第１）のマッハツェンダ干渉計（例えば１００Ａ）の位相量であり、縦軸は他方（第２）のマッハツェンダ干渉計（例えば１００Ｂ）の位相量である。黒丸印はマッハツェンダ干渉計（１００Ａ，１００Ｂ）を構成する光合分波器１０２の結合率が波長１５００ｎｍで５０％の場合、黒三角印はマッハツェンダ干渉計を構成する光合分波器１０２の結合率が波長１４００ｎｍで５０％の場合、黒四角印はマッハツェンダ干渉計（１００Ａ，１００Ｂ）を構成する光合分波器１０２の結合率が波長１６００ｎｍで５０％の場合を示す。また、それぞれプロットは波長依存性が最小となる厳密解であり、曲線はそれぞれ二次関数による近似を示す。厳密解を用いた位相制御方法は、光減衰量の波長依存性を最小限にできる。
【００４４】
厳密解を用いた制御方法を実現するには、２段のマッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂのそれぞれの位相量をメモリに記憶させ、ファームウェアなどソフト的な処理によりこの位相情報にのっとって制御する。
【００４５】
また、二次関数による近似解を用いた位相制御方法は、簡単なアナログ回路を用いることで、一方の位相量に対して他方の位相量を二次関数近似として与えることができる。次に、マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂを構成する光合分波器１０２の結合率が変動する場合の位相制御方法について説明する。
【００４６】
まず、光合分波器１０２の結合率が理想的に作製され、想定する動作波長域１４００〜１６００ｎｍのうち中心波長である１５００ｎｍで結合率５０％を満足する場合について考える。この場合、一方のマッハツェンダ干渉計（例えば１００Ａ）の位相の増加に対して他方のマッハツェンダ干渉計（例えば１００Ｂ）の位相を図２に示したような二次関数で近似されるように減少させる制御を行うことにより、波長依存性を最小限にすることができる。
【００４７】
次に、マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂを構成する光合分波器１０２の結合率が作製誤差によってずれることを考える。例えば、結合率５０％となる波長が１４００ｎｍ、あるいは、１６００ｎｍにずれた場合において、図２に示す黒三角印、あるいは、黒四角印で示したような二次関数で近似される制御を行うことにより、波長依存性を最小限にすることができる。このことは、位相制御回路１０４Ａ，１０４Ｂの設定を調整することによって、可変光減衰器の作製誤差を許容できることを示しており、可変光減衰器の製造における歩留まり向上に大きな効果がある。
【００４８】
以上説明したように、マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂを２段直列に連結し、一方のマッハツェンダ干渉計（例えば１００Ｂ）の位相を、他方のマッハツェンダ干渉計（例えば１００Ａ）の位相の二次関数で制御した場合の光減衰量のスペクトルのシミュレーションを図３に示す。なお、参考までに、従来の１段のマッハツェンダ干渉計（図９）を用いた場合の光減衰量の波長依存性を細線で示す。前記図３から、本実施形態１の可変光減衰器の波長依存性は、減衰量１０ｄＢにおいて０.５ｄＢ以内に抑制されている。これは、従来の１段のマッハツェンダ干渉計の場合、減衰量１０ｄＢにおいて波長依存性が４ｄＢ程度であったことから、約１／８に抑制されていることがわかる。従って、位相制御方法を二次関数で近似したにも係わらず、光減衰量の波長依存性を効果的に低減できることが明らかとなった。このように、本実施形態１の可変光減衰器は、広波長域において波長依存性の少ない光減衰特性を実現できることが判明し、広帯域波長多重通信への適用に有効な光減衰器であると結論できる。
【００４９】
本実施形態１では、前段のマッハツェンダ干渉計１００Ａの位相調整器１０４Ａの位相に対して、後段のマッハツェンダ干渉計１００Ｂの位相調整器１０４Ｂの位相を二次関数として与えたが、逆の場合、つまり、後段のマッハツェンダ干渉計１００Ｂの位相調整器１０４Ｂの位相に対して、前段のマッハツェンダ干渉計１００Ａの位相調整器１０４Ａの位相を二次関数として与えても同様な効果が得られることは自明である。また、位相調整器としては、石英系光導波路の場合金属薄膜ヒータが一般的であり、ヒータの位置は対称型マッハツェンダ干渉計の２つのアーム光導波路１０３のどちらに設けても良い。
【００５０】
（実施形態２）
図４は、本発明による実施形態２の可変光減衰器の概略構成を示す模式図である。本実施形態２の可変光減衰器は、図４に示すように、前記図１に示す実施形態１の２つの対称型マッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂのうち一方を非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃとし、あらかじめ２πの位相量を設けておくものである。前記一方（第１）のマッハツェンダ干渉計１００Ａは対称型であり、２本のアーム光導波路１０３の長さを等しくし、他方（第２）のマッハツェンダ干渉計１００Ｃは非対称型であり、２本のアーム導波路１０３の長さを光路長差として２π分異なるものとしたものである。位相２πを実際の導波路長に換算すると、例えば、屈折率１.４５程度である石英系ガラスを光導波路の材料とし、動作波長１５５０ｎｍ帯を想定した場合、２本のアーム光導波路１０３Ａ，１０３Ｂの長さの差は約１０３４ｎｍとなる。さらに、非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃの位相調整器１０４Ｃは短いアーム光導波路１０３Ａに設ける。これは、一般的に位相調整器は、駆動電気信号強度に対して屈折率が上昇するものであるためであり、あらかじめ非対称構成で２π設けた位相差を位相調整器で減少させる動作を実現するためである。例えば、石英系光導波路では、ヒータを位相調整器として用い、ヒータを短い側のアーム光導波路１０３Ａに搭載することにより、駆動電力の上昇に伴い非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃの位相は減少する。
【００５１】
さらに、回路構成として、図４に示したように、主出力光導波路１０５に光分岐器１０６を設け、分岐光をフォトディテクタ１０７でモニタし、フィードバック制御回路１０８でフィードバック制御することにより、ＡＬＣ機能を実現することも可能となっている。
【００５２】
図５は、光減衰の波長無依存化を実現するための位相制御方法を説明するための図である。横軸は対称型マッハツェンダ干渉計１００Ａの位相調整器１０４Ａの位相調整量であり、縦軸は非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃの位相調整器１０４Ｃの位相調整量である。また、黒丸印はマッハツェンダ干渉計を構成する光合分波器の結合率が波長１５００ｎｍで５０％の場合、黒三角印はマッハツェンダ干渉計を構成する光合分波器の結合率が波長１４００ｎｍで５０％の場合、黒四角印はマッハツェンダ干渉計を構成する光合分波器の結合率が波長１６００ｎｍで５０％の場合を示す。さらに、それぞれのプロットは波長依存性が最小となる厳密解であり、曲線はそれぞれ二次関数による近似を示す。厳密解を用いた位相制御方法は光減衰量の波長依存性を最小限にできる。
【００５３】
厳密解を用いた制御方法を実現するには、２段のマッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｃのそれぞれの位相量をメモリに記憶させ、ファームウェアなどソフト的な処理によりこの位相情報にのっとって制御する。また、二次関数による近似解を用いた位相制御方法は、簡単なアナログ回路を用いることにより、一方の位相量に対して他方の位相量を二次関数近似として与えることができる。
【００５４】
以下に、マッハツェンダ干渉計１００Ａ及び１００Ｃを構成する合分波器１０４Ａ及び１０４Ｂの結合率が変動する場合の位相制御方法について説明する。
【００５５】
まず、光合分波器１０２の結合率が理想的に作製され、想定する動作波長域１４００ｎｍ〜１６００ｎｍのうち中心波長である１５００ｎｍで結合率５０％を満足する場合について考える。この場合、対称型マッハツェンダ干渉計１００Ａの位相調整器１０４Ａの位相調整量の増加に対して、非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃの位相調整器１０４Ｃの位相調整量を図２に示したような厳密解、あるいは、二次関数で近似されるように増加させる制御を行うことにより、波長依存性を最小限にすることができる。これは、図４に示す位相調整器１０４Ｃの位相調整量IIが図２に示した位相量IIを２πから引いた値となっており、可変光減衰器上で、あらかじめ非対称構成で２πの位相量を設けこれに対し図５の位相調整量IIを加えることにより、非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃの位相調整量は、図２に示した位相量IIと等価になるためである。
【００５６】
次に、マッハツェンダ干渉計を構成する光合分波器１０２の結合率が作製誤差によってずれることを考える。例えば、結合率５０％となる波長が１４００ｎｍ、あるいは、１６００ｎｍにずれた場合において、図２に示す黒三角印、あるいは、黒四角印で示したような二次関数で近似される制御を行うことにより、波長依存性を最小限にすることができる。このことは、前記実施形態１と同様に、位相中整器１０４Ｃの設定を調整することによって、可変光減衰器の作製誤差を許容できることを示しており、可変光減衰器の製造において、歩留まり向上に大きな効果がある。
【００５７】
以上に説明したように、対称型マッハツェンダ干渉計１００Ａと非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃを組み合わせた可変光減衰器の光減衰量の波長依存性は図３に示すものとなり、本実施形態２の可変光減衰器は、図１に示した可変光減衰器の構成と等価である。さらに、本実施形態２の可変光減衰器の構成は、図１に示した可変光減衰器の構成に比べて低消費電力化に有効である。これは、図５と図２の位相IIを比べれば明らかである。つまり、図１の構成では、図２より位相IIがπから２πであるのに対し、図４構成では、図５より位相調整量IIが０からπと小さい。それ故に、位相調整器（１０４Ｂ，１００Ｃ）の消費電力を抑制することができるという効果を有する。つまり、本実施形態２の可変光減衰器は、前記実施形態１と同様に、二次関数による近似を用いたにもかかわらず、光減衰量の波長依存性を効果的に抑制できることが明らかとなった。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態２の可変光減衰器は、広帯域において波長依存性の少ない光減衰特性を実現できることが判明し、広帯域波長多重通信において有効な光減衰器であると結論できる。
【００５９】
本実施形態２では、前段のマッハツェンダ干渉計１００Ａを対称型、後段のマッハツェンダ干渉計１００Ｃを非対称型としたが、逆に、前段のマッハツェンダ干渉計１００Ａを非対称型、後段のマッハツェンダ干渉計１００Ｃを対称型としても同様な効果が得られることは自明である。この場合、後段の対称型マッハツェンダ干渉計１００Ｃの位相調整器１０４Ｃの位相に対して、前段の非対称型マッハツェンダ干渉計１００Ａの位相調整器１０４Ａの位相を二次関数として与えることになる。また、位相調整器としては、石英系光導波路の場合金属薄膜ヒータが一般的であり、対称型マッハツェンダ干渉計のヒータの位置はの２つのアーム導波路１０３のどちらに設けても良い。
【００６０】
以上の本実施形態２では、クロス型マッハツェンダ干渉計を２段連結した構成について具体的に述べたが、一方、または、両方をバー型マッハツェンダ干渉計としても、一方のマッハツェンダ干渉計の位相調整器の位相量を他方のマッハツェンダ干渉計の位相調整器の位相量の二次関数に近似して駆動することにより、同様な効果が得られる。ただし、方向性結合器の結合率の５０％からのずれに対して光減衰量が影響を受けないクロス型マッハツェンダ干渉計を用いる方がより大きい光減衰量を達成でき、効果的である。
【００６１】
（実施形態３）
図６は、本発明による実施形態３の可変光減衰器の概略構成を示す模式図である。
【００６２】
本実施形態３の可変光減衰器は、図６に示すように、前記図１に示す実施形態１の２つのマッハツェンダ干渉計をＹ光分岐器１０２Ａで構成されるマッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂとしたものである。本実施形態３の可変光減衰器は、光導波路を用いており、１本の入力光導波路１０１と、１入力２出力であるＹ分岐器１０２Ａと、２入力１出力であるＹ分岐器１０２Ｂと、Ｙ分岐器１０２Ａの２本の出力光導波路とＹ分岐器１０２Ｂの２本の入力導波路間を接続する２本のアーム光導波路１０３と、アーム光導波路１０３に設けられた位相調整器１０４Ａ，１０４Ｂと、１本の出力導波路１０５から構成されるマッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂの２個から構成され、第１及び第２のマッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂを縦列に連結して構成する。ここで、２つのマッハツェンダ干渉計１００Ａ，１００Ｂは、対称型であり、２本のアーム光導波路１０３の長さは等しいとする。さらに、回路構成として、図６に示すように、出力端に分岐回路１０６を設け、分岐光をフォトディテクタ１０７でモニタし、フィードバック制御回路１０８でフィードバック制御することにより、ＡＬＣ機能を実現することも可能となっている。
【００６３】
本実施形態３の可変光減衰器は、前記実施形態１で説明したとおり、一方のマッハツェンダ干渉計１００Ａの位相調整器１０４Ａの位相調整量Ｉの増加に対して、他方のマッハツェンダ干渉計１００Ｂの位相調整器１０４Ｂの位相調整量IIを二次関数で近似されるように制御することにより、図３に示すように、光減衰量の波長依存性を最小限にすることができる。さらに、前記実施形態２で説明したような対称型マッハツェンダ干渉計と非対称型マッハツェンダ干渉計を組み合わせた場合も波長依存性を低減できることは自明である。
【００６４】
以上説明したように、本実施形態３の可変光減衰器は、広帯域において波長依存性の少ない光減衰特性を実現できることが判明し広帯域波長多重通信において有効な光減衰器である。
【００６５】
以上、本実施形態１〜３で説明した可変光減衰器は、導波路型光部品一般に適用可能な回路構成である。ここで、本実施形態３の可変光減衰器の回路構成を低損失性に優れた石英系光導波路に用いることは好適である。また、石英系光導波路の位相調整器としては、前記実施形態で述べたようにヒータ加熱による熱光学効果を利用するのが良いが、他の手段、例えば電気光学効果を用いることも可能である。また、光導波路の材料として石英系ガラス以外、多成分ガラス、リチウムナイオベート、高分子ポリマーを用い、位相調整機構として電気光学効果や熱光学効果を用いることもできる。また、マッハツェンダ干渉計を構成する２つの合分光波回路は方向性結合器以外にＭＭＩカップラを用いることができる。
【００６６】
さらに、小型なＡＬＣ機能を実現するため、フォトディタクタを導波路基板にハイブリッド集積することは効果的である。
【００６７】
また、波長依存性を極力抑制するため、２段のマッハツェンダ干渉計にあらかじめ設定する位相量を２π以下とすることが望ましい。これは、あらかじめ設定する位相量を２π以下と小さくすることによって、図９に示した一段のマッハツェンダ干渉計を可変光減衰器に用いた場合の光減衰量の波長依存性を小さくでき、その結果、２段のマッハツェンダ干渉計を通過した光強度の波長依存性を最小にできるからである。
【００６８】
（実施形態４）
本実施形態４では、本発明による可変光減衰器を用いた光増幅器の制御の一例を示す。光増幅器の概略構成を図７に示す。本実施形態４の光増幅器２０１は、利得一定制御（ＡＧＣ）光増幅器において、入力信号の光強度に変動がある場合出力信号光強度を一定にするための構成であり、ＡＧＣ光増幅器２０１の後段に本発明の可変光減衰器を用いた自動レベル制御装置（ＡＬＣ）２００を配置する。本光増幅器２０１の動作を簡単に説明する。ＡＧＣ光増幅器２０１のＡＧＣ動作により入力信号光は一定の利得で増幅される。ここで、ＡＧＣ光増幅器２０１を入力信号光強度が異なる状況に適応させる場合、入力信号光強度に応じて出力信号強度が変化する。ここで、本発明の可変光減衰器を用いたＡＬＣ２００をＡＧＣ光増幅器２０１の後段に配置し、出力光強度を一定となるよう制御する。
【００６９】
本実施形態４では、ＡＧＣ光増幅器２０１の後段にＡＬＣ２００を配置したが、ＡＧＣ光増幅器２０１の前段にＡＬＣ２００を配置する構成、或いは、２段のＡＧＣ光増幅器の間にＡＬＣ２００を配置する構成が考えられる。ＡＧＣ光増幅器２０１としては、従来、ＥＤＦＡが一般的であったが、この他に、ＥＤＦＡとＧＳＥＤＦＡを組み合わせた光増幅器やラマン増幅器等広帯域光増幅器にＡＧＣを施す場合に適用することが有効である。これは、増幅帯域が広帯域になるほど本発明のＡＬＣ２００の特徴である波長依存性の小さい光減衰特性を活かせるためである。
【００７０】
以上、本発明の可変光減衰器を用いたＡＬＣは、ＡＧＣ光増幅器２０１と組み合わせることにより、入力信号光強度が変動するような場合でも出力信号光強度を一定に制御することが可能となり、広帯域光増幅器への応用として重要である。
【００７１】
（実施形態５）
図８は、本発明による可変光減衰器を用いた光通信装置の実施形態５の概略構成を示す模式図である。本実施形態５の光通信装置は、異なる波長の光信号を発生するＮ個の光送信器３０１、Ｎｘ１光合波器３０２、本発明の可変光減衰器を用いた自動レベル調整装置（ＡＬＣ）３０３から構成される光信号送信装置ＬＴと、１ｘＮ光分波器３０４とＮ個の光受信器３０５から構成される光信号受信装置ＬＲと、前記光信号送信装置ＬＴと光信号受信装置ＬＲの間に配置される伝送用光ファイバ線路３０６と、光増幅器３０７とから構成される。ここで、必要に応じて、光信号送信装置ＬＴのうちＮｘ１光合波器と自動レベル調整装置３０３の間または自動レベル調整装置３０３の後段、及び光信号受信装置ＬＲのうち１ｘＮ光分波器３０４の前段に光増幅器３０７が配置される。本発明の可変光減衰器は、波長依存性が小さいことから、伝送用ファイバ線路３０６へ入力する広帯域な波長分割信号の光強度を一括して制御できる。これより、可変光減衰器を複数台用いる必要がない。
【００７２】
さらに、必要に応じて光信号受信装置ＬＲの光受信器３０５で受信される信号の符号誤り率が最小となるよう可変光減衰器の減衰量を制御する。このようなフィードバック制御を行うと、例えば、本実施形態５の光通信装置を新たに設置し通信を開始するような場合に、光ファイバ線路３０６への信号光強度が最適になるように受信器の誤り率を測定しながら調整することができ、通信開始時における通信の信頼性を確保することができる。
【００７３】
さらに、システム動作中において、波長数を増設あるいは撤去するような場合、波長数の変化に応じて最適な光ファイバ線路３０６への信号光強度を決定することができる。これにより、装置の動作を停止することなく波長数の増減に対応できるという、いわゆる、自立的な光通信装置を提供することができる。
【００７４】
さらに、本発明の可変光減衰器を１ｘＮ光分波器として用いるアレー導波路型回折格子と集積化することも有効である。
【００７５】
以上説明したように、本発明の可変光減衰器は、２００ｎｍに及ぶ広波長域で波長依存性のない光減衰特性を達成できることから、広帯域な波長分割多重方式を用いた光通信システムにおいて、波長分割多重信号光強度を一括して制御するような適用領域において威力を発揮する。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、波長域２００ｎｍにも及ぶ広帯域領域において、波長依存性の小さい光減衰特性を実現することができる。
また、小型・集積化が可能な光導波を用いるので、２段のマッハツェンダ干渉計を組み合わせる簡易な回路構成で小型化することができる。
また、干渉計の位相制御は、一方の位相を他方の位相の二次関数で与える制御回路を用いるので、制御精度を高くすることができる。
また、マッハツェンダ干渉計を構成する光合分波回路の作製誤差に対して、制御回路の設定を調整することのみで対応可能であることから、歩留まり高く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態１の可変光減衰器を用いた自動レベル制御装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態１の可変光減衰器におけるマッハツェンダ干渉計の位相制御方法を説明するための図である。
【図３】本実施形態１の光減衰量のスペルトルのシミュレーションを示す図である。
【図４】本発明による実施形態２の可変光減衰器を用いた自動レベル制御装置の概略構成を示す模式図である。
【図５】本実施形態２の可変光減衰器におけるマッハツェンダ干渉計の位相制御方法を説明するための図である。
【図６】本発明による実施形態３の自動レベル制御装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】本発明による実施形態４の自動レベル制御装置を用いた光増幅器の概略構成を示す模式図である。
【図８】本発明による実施形態５の自動レベル制御装置を用いた光通信装置の概略構成を示す模式図である。
【図９】従来の可変光減衰器の概略構成を示す模式図である。
【図１０】従来の可変光減衰器を用いた光通信装置の概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
Ｌin…入力信号光、Ｌout…出力信号光、１００Ａ，１００Ｂ…対称型マッハツェンダ干渉計、１００Ｃ…非対称型マッハツェンダ干渉計、１０１…入力光導波路、１１，１０２…光合分波器、１２，１０３…アーム光導波路、１３，１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ…位相調整器、１０５…出力光導波路、１０６…分岐器、１０７…フォトディテクタ、１０８…フィードバック制御回路、１０９…位相調整量IIを位相調整量Iに対して二次関数で与える制御回路、２００，３０３…自動レベル調整装置（ＡＬＣ）、２０１…ＡＧＣ光増幅器、３０１…光送信器、３０２…Ｎｘ１光合波器、３０３…自動レベル調整装置（ＡＬＣ）、３０４…１ｘＮ光分波器、３０５…光受信器、３０６…伝送用光ファイバ線路、３０７…光増幅器。
【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】
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【図１０】
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