(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、
入力光を直交する２つの偏波成分に分離して２つの出力ポートに出力する導波路型偏波分離手段と、
前記導波路型偏波分離手段の２つの出力ポートに接続される一対の光遅延線と、
前記一対の光遅延線を通過した２つの偏波成分を入力し、偏波合成して出力する導波路型偏波合成手段とを備え、
前記一対の光遅延線の少なくとも一方に遅延量を可変する手段を有し、分離した２つの偏波成分の遅延量を調整して前記導波路型偏波合成手段に入力する構成であり、
前記光遅延線の遅延量を可変する手段は、Ｎを正の整数としたときに、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチと、Ｎ組の長さの異なる光導波路対とを交互に接続し、初段の２入力２出力光スイッチの一方の入力ポートを光遅延線の入力ポートとし、最終段の２入力２出力光スイッチの一方の出力ポートを光遅延線の出力ポートとし、各２入力２出力光スイッチの入出力ポート間をスルー状態またはクロス状態に設定することにより各組の光導波路対のいずれか一方の光導波路を選択して遅延量を可変させる構成であることを特徴とする偏波分散補償回路。
【請求項２】
前記Ｎ組の光導波路対の各光路長差が、１：２：４：８：…：２N-1 のように２の階乗の比になっていることを特徴とする請求項１に記載の偏波分散補償回路。
【請求項３】
前記一対の光遅延線の少なくとも一方に光信号の強度を調整する光減衰器を接続したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏波分散補償回路。
【請求項４】
前記導波路型偏波分離手段および前記導波路型偏波合成手段は、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に複屈折を調整する手段を形成した構成であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の偏波分散補償回路。
【請求項５】
前記複屈折を調整する手段は応力付与膜であることを特徴とする請求項４に記載の偏波分散補償回路。
【請求項６】
偏波分散補償回路を構成する光導波路が石英系導波路であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の偏波分散補償回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送路（光ファイバ）の偏波分散によって生じた光信号歪みを整形する偏波分散補償回路に関する。
【０００２】
ここで、光ファイバの偏波分散（ＰＭＤ：Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｏｄｅ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）  とは、光ファイバの複屈折性のために光信号の偏波状態によって伝搬速度が変化する現象であり、これが光信号歪みの要因の一つになっている。
【０００３】
【従来の技術】
光通信の発展に伴い、既設の光ファイバに高速な光信号を伝搬させたいという要求が高まっている。しかし、既設の光ファイバは比較的高い偏波分散を有するので、高速な光信号を伝搬させたときの光信号歪みが大きな問題になる。
【０００４】
これを解決するための偏波分散補償回路としては、２つの偏光プリズム（偏光ビームスプリッタ）および機械的可動鏡を用いたものが知られている（参考文献：Ｆ．Ｈｅｉｓｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．，”ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ  ＣＯＭＰＥＮＳＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＦＩＲＳＴ−ＯＲＳＥＲ  ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ  ＭＯＤＥ  ＤＩＳＰＥＲＳＩＯＮ  ＩＮ  Ａ  １０  Ｇｂ／ｓ  ＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ”，  ＷｄＣ１１，  ＥＣＯＣ’９８，  １９９８）。
【０００５】
図６は、上記文献に記載されている従来の偏波分散補償回路の構成例を示す。図において、入力ポート１０１から入力された光信号は、第１の偏光プリズム１０２に入力される。ここで、光伝送路で遅れたＴＭ光は直進するポートに出力され、進んだＴＥ光は直交するポートに出力され、偏波分離が行われる。ＴＥ光は、２枚の反射鏡を含む機械的可動鏡１０３を介して第２の偏光プリズム１０４に入力され、直接入力されるＴＭ光と偏波合成されて出力ポート１０５に出力される。この機械的可動鏡１０３を移動させることにより、ＴＥ光が空間的に伝搬する光路長が変化し、ＴＥ光とＴＭ光の遅延量が調整されて偏波分散補償が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の偏波分散補償回路には、次のような問題点がある。
第１は、機械的可動鏡１０３を有しているので信頼性に欠けることである。偏波分散は時間的に大きく変動する特性をもつが、従来の偏波分散補償回路では偏波分散の変動に追従するために機械的可動鏡１０３を動かす必要があり、長期的な安定性が問題となる。
【０００７】
第２は、空間的に光学系を構成しているので、各部品（１０２，１０３，１０４）の位置に厳しい精度が要求されることである。特に、従来の偏波分散補償回路では、機械的可動鏡１０３を動かしたときにも光学的な結合量が変化しないように、極めて厳しい位置精度が要求される。
【０００８】
第３は、従来の偏波分散補償回路が個別部品を組み合わせた構成であり、かつ機械的可動鏡１０３を含む可動部材を用いた構成であるので小型化に限界があることである。
【０００９】
本発明は、可動部材を用いず、小型で信頼性に優れた導波路型の偏波分散補償回路を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏波分散補償回路は、基板上に、入力光を直交する２つの偏波成分に分離して２つの出力ポートに出力する導波路型偏波分離手段と、導波路型偏波分離手段の２つの出力ポートに接続される一対の光遅延線と、一対の光遅延線を通過した２つの偏波成分を入力し、偏波合成して出力する導波路型偏波合成手段とを備え、一対の光遅延線の少なくとも一方に遅延量を可変する手段を有し、分離した２つの偏波成分の遅延量を調整して導波路型偏波合成手段に入力する構成である。すなわち、一対の光遅延線は、固定遅延線と可変遅延線の組み合わせ、または可変遅延線と可変遅延線の組み合わせのいずれでもよい。
【００１１】
光遅延線の遅延量を可変する手段は、Ｎを正の整数としたときに、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチと、Ｎ組の光路長の異なる光導波路対とを交互に接続し、初段の２入力２出力光スイッチの一方の入力ポートを光遅延線の入力ポートとし、最終段の２入力２出力光スイッチの一方の出力ポートを光遅延線の出力ポートとし、各２入力２出力光スイッチの入出力ポート間をスルー状態またはクロス状態に設定することにより各組の光導波路対のいずれか一方の光導波路を選択して遅延量を可変させる構成である。
【００１２】
また、可変遅延線を形成するＮ組の光導波路対の各光路長差は、１：２：４：８：…：２Ｎ−１  のように２の階乗の比になるように構成することにより、Ｎ段で単位遅延量の１〜２Ｎ−１倍の遅延量を自由に選択することができる。
【００１３】
また、一対の光遅延線の少なくとも一方に光信号の強度を調整する光減衰器を接続してもよい。光減衰器は、一対の光遅延線（例えば固定遅延線と可変遅延線）の損失が同じになるように調整するためのものである。
【００１４】
導波路型偏波分離手段および導波路型偏波合成手段は、２入力２出力の２つの光カプラと、これらを接続する２本の導波路アームとを備え、一方の導波路アーム上に複屈折を調整する手段を形成した構成である。複屈折を調整する手段は応力付与膜で形成してもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の偏波分散補償回路の実施形態を示す。なお、ここでは、シリコン基板上に形成した石英系光導波路を用いて構成した例について説明する。この石英系光導波路は、光ファイバとの整合に優れた安定な光回路を構成できるからであるが、これに限定されるものではなく、例えば半導体光導波路やフォトニック結晶等の他の光導波路を用いてもよい。
【００１６】
図１において、シリコン基板１０上には、入力用チャネル光導波路１１、導波路型偏波分離素子１２、一対の光遅延線を構成する固定遅延線１３および可変遅延線１４、光減衰器１５、導波路型偏波合成素子１６、出力用チャネル光導波路１７が順次配置される。なお、可変遅延線１４は、短い経路と長い経路のいずれかを選択するパーツをいくつか組み合わせて任意の遅延量を設定できる構成である。
【００１７】
入力用チャネル光導波路１１には導波路型偏波分離素子１２の入力ポートＡが光学的に接続される。導波路型偏波分離素子１２の第１の出力ポートＢ１  には固定遅延線１３の入力ポートＣが光学的に接続され、第２の出力ポートＢ２  には可変遅延線１４の入力ポートＤが光学的に接続される。固定遅延線１３の出力ポートＥには、光減衰器１５を介して導波路型偏波合成素子１６の第１の入力ポートＦ１  が光学的に接続される。可変遅延線１４の出力ポートＧには、導波路型偏波合成素子１６の第２の入力ポートＦ２  が光学的に接続される。導波路型偏波分離素子１６の出力ポートＨには、出力用チャネル光導波路１７が光学的に接続される。
【００１８】
ここで、本発明の偏波分散補償回路を可変遅延線１４、固定遅延線１３および光減衰器１５、導波路型偏波分離素子１２および導波路型偏波合成素子１６に分割し、それぞれの構成および機能について説明する。図２は、可変遅延線１４の構成例を示す。図３は、固定遅延線１３および光減衰器１５の構成例を示す。図４は、導波路型偏波分離素子１２の構成例を示す。なお、図２〜４はそれぞれ原理的な構成を示すものであり、図１の各部をそのまま抜き出したものではない。
【００１９】
（可変遅延線１４の構成）
図２に示す可変遅延線１４は、Ｎ（正の整数：ここではＮ＝７）組の光導波路対２１ａ〜２１ｇと、（Ｎ＋１）個の２入力２出力光スイッチ２２ａ〜２２ｈから構成される。２入力２出力光スイッチ２２ａは、２つの光カプラ２３ａ，２４ａと、それらを接続する２本の導波路アームからなるマッハツェンダ型干渉計構成をとり、一方（または両方）の導波路アーム上にＴＯ移相器として動作する薄膜ヒータ２５ａが形成されている。他の２入力２出力光スイッチ２２ｂ〜２２ｈについても同様である。
【００２０】
第１の２入力２出力光スイッチ２２ａの一方の入力ポートは可変遅延線１４の入力ポートＤとなり、２つの出力ポートに光導波路対２１ａが接続される。光導波路対２１ａの他端には、第２の２入力２出力光スイッチ２２ｂの２つの入力ポートが接続され、その２つの出力ポートには次の光導波路対２１ｂが接続される。同様に、各組の光導波路対２１ａ〜２１ｇの前後に２入力２出力光スイッチ２２ａ〜２２ｈが接続され、各２入力２出力光スイッチの設定に応じて各組の光導波路対の短い光導波路または長い光導波路のいずれかが選択されるようになっている。第８の２入力２出力光スイッチ２２ｈの一方の出力ポートは、可変遅延線１４の出力ポートＧとなる。
【００２１】
また、各組の光導波路対２１ａ〜２１ｇは短い光導波路と長い光導波路が対になっており、その間の光路長差が、
ΔＤ，２ΔＤ，４ΔＤ，８ΔＤ，…，２Ｎ−１ΔＤ
のいずれかになるように設定されている。なお、各組の光導波路対２１ａ〜２１ｇの光路長差はこの順番に限らず、順番を入れ替えて配置してもよい。図１に示す実際の可変遅延線１４では、回路全体のサイズを小さくするために、光路長差の順番を適当に入れ替えた配置になっている。
【００２２】
このような構成の可変遅延線１４の動作について説明する。ただし、２入力２出力光スイッチ２２は、薄膜ヒータ２５に電力を加えないときに入出力ポートが「スルー状態」となり、電力を加えたときに「クロス状態」になるものとする。なお、２入力２出力光スイッチには、薄膜ヒータ２５に電力を加えないときに「クロス状態」となり、電力を加えたときに「スルー状態」になるものもある。
【００２３】
すべての２入力２出力光スイッチ２２ａ〜２２ｈを「スルー状態」にすると、可変遅延線１４の入力ポートＤに入力された光信号は各組の光導波路対２１ａ〜２１ｇの短い光導波路を通過して出力ポートＧへ至る。このときの可変遅延線全体での遅延量をＤ０  とする。次に、２入力２出力光スイッチ２２ｃ，２２ｄ，２２ｆ，２２ｈを「クロス状態」とすると、光導波路対２１ｃ，２１ｆ，２１ｇの長い光導波路を通過し、その他は短い光導波路を通過して出力ポートＧへ至る。このときの可変遅延線全体の遅延量は、
Ｄ０＋４ΔＤ＋３２ΔＤ＋６４ΔＤ＝Ｄ０＋１００ΔＤ
となる。このように、各２入力２出力光スイッチ２２ａ〜２２ｈを「スルー状態」または「クロス状態」に切り替えることにより、可変遅延線１４の遅延量を一般にＤ０  からＤ０＋（２Ｎ−１）ΔＤまでΔＤ刻みで実現することができる。
【００２４】
なお、以上の説明では、光スイッチとして石英系光導波路の熱光学効果を用いた２入力２出力光スイッチを示した。これは、この組み合わせが消光比に優れた安定な光スイッチを実現できるからであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体光スイッチやマイクロメカニカルスイッチ等の他の光スイッチを用いてもよい。
【００２５】
（固定遅延線１３および光減衰器１５の構成）
図３に示す固定遅延線１３は、図２の可変遅延線１４の各２入力２出力光スイッチ２２ａ〜２２ｈおよび各光導波路対２１ａ〜２１ｇの短い光導波路に沿って配置される。この場合には、固定遅延線１３の全体の光遅延量は、可変遅延線１４が与えうる最小の遅延量Ｄ０  になる。したがって、可変遅延線１４では、固定遅延線１３の遅延量を基準にそれより大きい遅延を与えることになる。
【００２６】
なお、図１の構成における固定遅延線１３は、可変遅延線１４の短い光導波路または長い光導波路のいずれかに沿って配置されるので、固定遅延線１３の遅延量は可変遅延線１４の最小遅延量Ｄ０  より大きくなる。したがって、可変遅延線１４では、固定遅延線１３の遅延量を基準にそれより大小の遅延を与えることができる。ただし、図１の構成では、固定遅延線１３の遅延量が可変遅延線１４の最小遅延量Ｄ０  と等しくなるように、可変遅延線１４の出力ポートＧの直前に調整部分Ｉが設けられている。
【００２７】
光減衰器１５は、可変遅延線１４の光スイッチなどによる損失と同じだけの損失を固定遅延線１３に与えるものであり、固定遅延線１３の出力ポートＥに接続される。光減衰器１５としては、ここでは２つの光カプラ２３ｉ，２４ｉと、それらを接続する２本の導波路アームからなるマッハツェンダ型干渉計構成をとり、一方（または両方）の導波路アーム上にＴＯ移相器として動作する薄膜ヒータ２５ｉを形成して減衰量可変としている。ただし、光減衰器１５はこれに限定されるものではなく、半導体光ゲートや機械式減衰器などを用いてもよい。
【００２８】
（導波路型偏波分離素子１２および導波路型偏波合成素子１６の構成）
導波路型偏波分離素子１２と導波路型偏波合成素子１６は可逆の構成であるので、以下導波路型偏波分離素子１２について説明する。図４に示す導波路型偏波分離素子１２は、２入力２出力の２つの光カプラ３１，３２と、それらを接続する２本のアーム導波路３３ａ，３３ｂと、両アーム導波路３３ａ，３３ｂ上に形成される薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂと、一方のアーム導波路３３ａ上に形成される応力付与膜としてのアモルファスシリコン薄膜３５とにより構成される。アモルファスシリコン薄膜３５は、レーザ照射（いわゆるレーザトリミング）等の手法でアモルファスシリコン間の結合を切れるので、応力量を調整できる利点をもつ（参考文献：Ｍ．Ｏｋｕｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，”Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃａ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｏｎ  Ｓｉ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ａ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ／ｓｗｉｔｃｈ”，  ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．，  Ｖｏｌ．１２，  Ｎｏ．４，  ｐｐ．６２５−６３３，  １９９４）。
【００２９】
光カプラ３１の一方の入力ポートは導波路型偏波分離素子１２の入力ポートＡとなり、光カプラ３２の２つの出力ポートは導波路型偏波分離素子１２の出力ポートＢ１，Ｂ２  となる。アモルファスシリコン薄膜３５による応力誘起によりアーム導波路３３ａの複屈折を調整し、さらに薄膜ヒータ３４ａ，３４ｂを調整し、一対のアーム導波路３３ａ，３３ｂにおけるＴＭ光の位相回転差を（２ｍ＋１）π、ＴＥ光の位相回転差を２ｍπとなるようにする（ｍは整数）。このとき、入力ポートＡから入力された光信号のうち、ＴＭ光は出力ポートＢ１  から出力され、ＴＥ光は出力ポートＢ２  から出力され、互いに偏波分離される。導波路型偏波合成素子１６は、導波路型偏波分離素子１２と逆の経路により偏波合成して出力する構成となる。
【００３０】
なお、ここでは導波路型偏波分離素子として、アモルファスシリコン薄膜と石英系光導波路によるマッハツェンダ型干渉計を用いた構成を示したが、これに限定されるものではなく、例えば溝による応力開放を利用した石英系光導波路によるマッハツェンダ型干渉計、あるいはフォトニック結晶を用いた偏波分離素子を用いてもよい。
【００３１】
（偏波分散補償回路の動作）
以上の構成に基づく偏波分散補償回路の動作について説明する。光伝送路を伝搬した光信号パルスは、光伝送路のもつ偏波分散特性により２つに分離する。ここで、光伝送路の偏波依存性損失が無視できるときには、一方の光パルスの偏波状態がＶ１であれば、他方の光パルスの偏波状態はこれと直交するＶ２で与えられる。
【００３２】
分離した光パルスは、光伝送路の固有偏波状態の遅れた方（ここではＶ１とする）がＴＭ光となり、他方（ここではＶ２とする）がＴＥ光となるように、図外の偏波コントローラで調整され、図１の入力用チャネル光導波路１１を介して導波路型偏波分離素子１２に入力される。導波路型偏波分離素子１２に入力された光パルスのうち、遅れた光パルス（ＴＭ光）は固定遅延線１３に導かれ、進んだ光パルス（ＴＥ光）は可変遅延線１４に導かれる。
【００３３】
上述したように、可変遅延線１４を構成する２入力２出力光スイッチ（図２の２２ａ〜２２ｈ）の動作状態を制御することにより、可変遅延線１４に設定される遅延量を変えることができる。したがって、固定遅延線１３の遅延量と可変遅延線１４の遅延量の差が、分離した２つの光パルスの遅延差にほぼ等しくなるように設定すれば、導波路型偏波合成素子１６で合波される２つの光パルスの遅延差がほぼ０となり、元の光パルス波形に復元される。
【００３４】
また、可変遅延線１４では、複数の２入力２出力光スイッチ（図２の２２ａ〜２２ｈ）を有するので、一般に固定遅延線１３よりも損失が大きくなる。そこで、固定遅延線１３に接続された光減衰器１５の減衰量を調整し、固定遅延線１３と可変遅延線１４の損失を同じくする。
【００３５】
（偏波分散補償回路の作製）
本発明の偏波分散補償回路の作製は、石英系光導波路を用いて行った。まず、シリコン基板上に火炎堆積法によりＳｉＯ２下部クラッド層を堆積し、次にＧｅＯ２をドーパントとして添加したＳｉＯ２ガラスのコア層を堆積した後に、電気炉で透明ガラス化した。次に、図１のようなパターンを用いてコア層をエッチングしてコア部を作製した。続いて、所定の光導波路上に薄膜ヒータ、電気配線、アモルファスシリコン薄膜を蒸着した。最後に、光導波路にレーザを照射して残留応力を開放した。なお、可変遅延線１４は、単位遅延量を１ｐｓｅｃ  とし、段数を７段として遅延量を０〜１２７  ｐｓｅｃ  まで変化できるように設計した。
【００３６】
図５は、作製した偏波分散補償回路に偏波分散により分離した光パルスを入力したときの特性例を示す。光パルスの元の半値全幅は  １００ｐｓｅｃ  である。ただし、偏波分散補償回路に入力する前に、偏波コントローラにより調整して光伝送路の２つの固有偏波状態をＴＥ光とＴＭ光に変換する。
【００３７】
図５（ａ）  は、偏波分散補償回路に入力時の光パルス波形であり、光伝送路の偏波分散により光パルスが２つに分離している。この分離量は約  １２０ｐｓｅｃ  である。図５（ｂ）  は、本発明の偏波分散補償回路により、固定遅延線と可変遅延線の遅延差が  １２０ｐｓｅｃ  となるように設定したときの出力光パルス波形である。例えば図２の構成において、２入力２出力光スイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇを「スルー状態」とし、２入力２出力光スイッチ２２ｄ，２２ｈを「クロス状態」とする。これにより、光パルスの分離による波形劣化が補償される。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、主要部材を光導波路によって構成することができるので、小型で信頼性に優れた偏波分散補償回路を実現することができる。このような本発明の偏波分散補償回路と従来の光ファイバ伝送路と組み合わせることにより、高速な光信号伝送が可能となり、通信品質の向上と経済性を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏波分散補償回路の実施形態を示す図。
【図２】可変遅延線１４の構成例を示す図。
【図３】固定遅延線１３および光減衰器１５の構成例を示す図。
【図４】導波路型偏波分離素子１２の構成例を示す図。
【図５】偏波分散補償回路の特性例を示す図。
【図６】従来の偏波分散補償回路の構成例を示す図。
【符号の説明】
１０  シリコン基板
１１  入力用チャネル光導波路
１２  導波路型偏波分離素子
１３  固定遅延線
１４  可変遅延線
１５  光減衰器
１６  導波路型偏波合成素子
１７  出力用チャネル光導波路
２１  光導波路対
２２  ２入力２出力光スイッチ
２３，２４  光カプラ
２５  薄膜ヒータ
３１，３２  光カプラ
３３  アーム導波路
３４  薄膜ヒータ
３５  アモルファスシリコン薄膜
１０１  入力ポート
１０２，１０４  偏光プリズム
１０３  機械的可動鏡
１０５  出力ポート
【図１】
0003608983.tif 000002
【図２】
0003608983.tif 000003
【図３】
0003608983.tif 000004
【図４】
0003608983.tif 000005
【図５】
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【図６】
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