(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ通信システムにおいて色分散を補償するための分散補償装置からなる製品であって、
a)入力ポートとなる第１のポート、第２のポート、及び出力ポートとなる第３のポートを有している方向性転送デバイス、
b)所定の第１及び第２の軸を有し、10-6又はそれ以上の真性ファイバ複屈折を有し、そして前記方向性転送デバイスの第２のポートに信号透過的に結びついている偏光保持光ファイバ、及び
c)前記偏光保持光ファイバに配置されたチャープブラッグ回折格子
とを含む製品において、
d)チャープブラッグ格子は前記方向性転送デバイスの第２のポートから離れており、前記第２のポートと前記チャープブラッグ格子の間の偏光保持ファイバの長さLは、波長λの放射に対して、第３のポートの色分散が対応する第１のポートの色分散より小さくなるよう選ばれており、さらにLは、Ｂ［2(z±L)／Vg＋Dλ］を最小化するよう、Dλが2L／Vgに少なくとも近似的に等しくなるように選ばれており、ここでzはチャープブラッグ格子への信号放射λの浸透の深さで、Vgは偏光保持ファイバにおける信号放射の群速度で、格子分散が負のときLがzに加えられ、格子分散が正のときzからLが引かれ、Dはチャープブラッグ格子における分散であることを特徴とする製品。
【請求項２】
前記真性ファイバ複屈折は10-3と10-5の間である請求項１記載の製品。
【請求項３】
前記偏光保持ファイバと接続されたPMD遅延デバイスを更に含む請求項１記載の製品。
【請求項４】
PMD遅延デバイスは前記偏光保持ファイバの一部を含む請求項３記載の製品。
【請求項５】
前記チャープブラッグ回折格子は断熱的に変化する強度を示すようアポダイズされる請求項１記載の製品。
【請求項６】
光ファイバ伝送路により送信機に接続された送信機及び受信機を含み、前記方向性転送デバイスは、前記伝送路中に配置される請求項１記載の製品。
【請求項７】
前記方向性転送デバイスは、サーキュレータ又は光ファイバカプラーである請求項１記載の製品。
【請求項８】
前記光ファイバは第１及び第２の長さの間の接続部で、第１の長さの偏光の第１の軸が、第２の長さの偏光の第２の軸に本質的に平行であり、第１の長さの偏光の第２の軸が、第２の長さの偏光の第１の軸に本質的に平行で、Lがzだけ減じているように配置された第１及び第２の長さの偏光保持ファイバを、方向性転送デバイスの２番目のポートとチャープブラッグ回折格子の間の偏光保持ファイバが含む請求項１記載の製品。
【請求項９】
前記分散補償装置が、そこに配置されているチャープブラッグ回折格子を有する一つの偏光保持光ファイバを含む請求項１記載の製品。
【請求項１０】
前記分散補償装置が、そこに配置されているチャープブラッグ回折格子を有する前記一つの偏光保持光ファイバが、介在する一方向性の素子なしに前記第２のポートに接続されている、請求項９記載の製品。
【請求項１１】
第２のポートとチャープブラッグ格子の間のPMD遅延手段が前記偏光保持光ファイバの所定の長さを含む請求項１記載の製品。
【請求項１２】
第２のポートとチャープブラッグ格子の間のPMD遅延手段が鏡と２つの偏光分離／結合キューブを含む請求項１記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本発明の分野】
本発明は分散補償回折格子（ＤＣＧ）及びＤＣＧを含む製品（たとえば光ファイバ通信システム）に係る。
【０００２】
【本発明の背景】
分散補償回折格子（ＤＣＧ）は知られている。たとえば、エンサー（Ｅｎｎｓｅｒ）ら、アイイーイーイー・ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス（ＩＥＥＥ  Ｊ．ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）第３４巻、７７０−７７８頁（１９９８）を参照のこと。簡単に言うと、ＤＣＧはブラグ回折格子で、少なくともその長さの一部においてチャープを示し、そのため入射光に対し異なる光路長、従って波長の関数として異なる遅延を与える。このことは図１に概略的に示され、この図で数字１０はシングルモード光導波路（典型的な場合、従来のシリカを基本とする光ファイバ）を、１１はファイバ中のチャープブラグ回折格子をさす。数字１２は導波路中を回折格子方向に伝搬する多波長放射をさし、１３および１４は反射された放射をさす。回折格子間隔が回折格子の入力端からの距離の関数として減少すると仮定すると、放射１３の波長は放射１４の波長より大きい。放射１４は放射１３より回折格子中を長い距離伝搬するため、前者は典型的な場合、後者より長い遅れをもつ。
【０００３】
上の記述から明らかなように、ＤＣＧにより色分散が生じる。色分散の符号及び量は、（たとえばチャープの選択により）任意に選択でき、ＤＣＧは通信システム中の色分散を補償するために使用できる。
【０００４】
原理的には非常に有用であるが、従来技術のＤＣＧはそれらを広く利用することを妨げてきた不利な性質をもつ。具体的には、従来技術のＤＣＧは本質的に予測できない比較的高い偏光モード分散（ＰＭＤ）をもつ。
【０００５】
与えられた波長において放射（波長にかかわらず“光”とよぶ）の１つの偏光が、同じ波長における光の他の偏光より、デバイス中で異なる遅延をもつ時、ＰＭＤが起こる。“デバイス”というのは、広くたとえば従来の光ファイバを含むと理解することにする。
【０００６】
ほとんどのデバイスはある程度のＰＭＤをもち、ファイバそれ自身が特にファイバを引張る間のねじれ、あるいはファイバ屈折率の方位角方向の非対称のため、固有のＰＭＤをもつ。光ファイバのＰＭＤを約２×１０−７以下に保つことは、一般に困難である。
【０００７】
例として、光デバイスに対してしばしば求められる指定は、ＰＭＤによる１ｐｓ以下の遅れである。光ファイバの１ｍの部分は、５ｆｓのＰＭＤをもち、本質的に許容される最大値より小さい。しかし、１．５５μｍ波長領域において１０００ｐｓ／ｎｍの分散をもつ回折格子を有するファイバの同じ長さは、１．５ｐｓ以上のＰＭＤをもち、これは許容最大値以上である。
【０００８】
上の例は、ファイバ中にＤＣＧが存在することにより、ファイバの真性ＰＭＤが著しく悪化しうることを示している。
【０００９】
ファイバを引張る間のねじれ及び方位角方向の非対称が、唯一のＰＭＤ−生成機構ではない。もう１つのそのような機構は、ＵＶ誘導複屈折で、それは回折格子作製中、光ファイバがＵＶに非対称に露出されることによる。ＵＶ誘導複屈折は典型的な場合、約１０−６で、固有のファイバ複屈折のほとんど２倍である。
【００１０】
回折格子を含むデバイスの制御されないファイバ複屈折と制御されないＵＶ誘導複屈折が組合わさるということは、デバイスのＰＭＤが本質的に予測できず、容易に打ち消せないことを意味する。
【００１１】
従来技術では、回折格子中の複屈折を最小にすることにより、ＤＣＧ中のＰＭＤの問題を扱おうとする試みがある。しかし、約１０−６より小さい複屈折を達成することは困難で、従ってＤＣＧ中で約１０ｐｓより小さいＰＭＤを達成することは困難である。
【００１２】
上の考察は、以下のように定量化できる。ファイバ複屈折Ｂを有するファイバの長さＬｆ中の偏光モード遅延τＰＭＤ 及びファイバ群速度Ｖｇは、ほぼ以下のとおりである。
τＰＭＤ ＝ＢＬｆ／Ｖｇ
【００１３】
一方、反射前の侵入長がＺ、分散がＤである場合のＤＣＧ中の波長λの光に対する偏光モード遅延τＰＭＤ は、ほぼ以下のとおりである。
Ｂ［（２Ｚ／Ｖｇ）＋Ｄλ］
【００１４】
後者の表式において、分散項ＢＤλはほとんど常に侵入深さの項  ２ＢＺ／Ｖｇを支配し、回折格子のＰＭＤ遅延は分散項により支配されるであろう。
【００１５】
明らかに、ＤＣＧ中の複屈折を最小にすることに依存しないＤＣＧ中のＰＭＤを減らす技術が必要である。本明細書はそのような技術を明らかにする。
【００１６】
【用語及び定義】
ここでは、“複屈折”は従来の意味で用いられる。与えられた波長の光の２つの（非縮退）伝搬モードを、媒体が支持するなら、媒体は複屈折を示し、モードは偏光状態に依存して、異なる実効屈折率をもつ。
【００１７】
“分散”はここでは伝送媒体の色分散をさす。伝送媒体はもしその中の光の速度が、光の波長に依存するなら、色分散を示す。分散の符号及び光のパルスのチャープ（波長成分）に依存して、分散はパルスの持続時間を長くするか短くするであろう。
【００１８】
ＤＣＧはここでは、もし回折格子の屈折率変化の大きさが、回折格子の入力端から比較的ゆっくり増加し、それによってＤＣＧを本質的にアポダイズするなら、“断熱的に増加する強度”をもつ。たとえば、上で引用したエンサー（Ｅｎｎｓｅｒ）らによる論文を参照のこと。
【００１９】
“偏光保持”（ＰＭ）ファイバということで、ここでは１０−６又はそれ以上実効屈折率が異なる光の２つの良く規定された垂直伝搬モードを支持する複屈折ファイバを意味する。
【００２０】
【本発明の要約】
広く言うと、本発明は従来技術のＤＣＧに比べ、比較的低いＰＭＤを有するＤＣＧを含む製品を実現する。
【００２１】
より具体的には、製品は一定の長さの光ファイバ及びファイバ中のチャープブラグ回折格子（ＤＣＧ）を含む。重要なことは、光ファイバは、１０−６又はそれ以上、好ましくは１０−５又はそれ以上の複屈折を有するあらかじめ決められた第１及び第２の偏光方向をもつ偏光保持（ＰＭ）ファイバを含むことである。本発明の好ましい実施例において、製品は更に、ＤＣＧのＰＭＤを本質的に消去するように選択されたＰＭＤ補償器を含む。更に好ましい実施例において、ＤＣＧは断熱的に変る強度をもつ。
【００２２】
たとえばＤＣＧを含む製品は、分散補償デバイス（典型的な場合ケース内に封入されている）又は送信機及び受信機間の光信号伝送路中に配置された１ないし複数のＤＣＧをもつ光ファイバ通信システムである。
【００２３】
【詳細な記述】
図２は従来の光ファイバ１０中のＤＣＧ１１により、分散補償をした従来技術の光ファイバ通信システムの一部を、概略的に描いたものである。入力光２０はサーキュレータ２２の入力部２３に入り、サーキュレータポート２４を出て、ＤＣＧ１１方向に伝搬し、そこでそれは反射され、サーキュレータポート２４に入り、ポート２５でサーキュレータを出る。理想的な場合、ＤＣＧ１１は出力放射２１が分散補償され、最小のＰＭＤであるように選択される。しかし、実際には、最小のＰＭＤは達成が困難で、異なる方式の必要性が生じる。
【００２４】
サーキュレータは“方向性転送デバイス”と命名された一連のデバイスの特定の部分で、それは一方向に伝搬する光を、相対する方向に伝搬する光から分離する働きをする。本発明を実施するのに使用できるもう１つの方向性転送デバイスは、カプラである。
【００２５】
本発明の実施例は比較的高い複屈折を有するあらかじめ決められた偏光の第１及び第２の方向をもつ光ファイバを用いること及び典型的な場合、ＤＣＧの前に適当な量のＰＭＤを加えることにより、従来技術の実施例とは異なる。
【００２６】
あらかじめ決められた第１及び第２の偏光方向と比較的高い複屈折を有する光ファイバは、一般に偏光保持（ＰＭ）ファイバと呼ばれ、よく知られている。簡単に言うと、ＰＭファイバの複屈折は、軸の１つに沿って偏光を有するＰＭファイバ中に入った光は、その軸に沿って偏光したままに保たれるように、軸系を規定する。
【００２７】
ＰＭファイバの必要な複屈折は、特に、先に述べたＵＶ誘導複屈折及びデバイスのパッケージ中導入された複屈折の量により決められ、両方より著しく大きくすべきである。多くの場合、有用な複屈折の下限は１０−６で、複屈折は１０−５又はそれ以上が好ましい。Ｂ＞１０−３を有する光ファイバは典型的な場合、作製が難しく、Ｂ＞１０−３を有するファイバ中の回折格子は約１ｎｍの回折格子幅を消耗する。従って、有用な複屈折の上限は、典型的な場合約１０−３である。
【００２８】
本発明に従う製品の重要な特徴は、高複屈折（ＰＭ）ファイバ中にＤＣＧを設けることである。回折格子中のＰＭＤは良く規定された軸上で起こり、良く規定された値を有するから、ＰＭＤを補償することは可能である。この状況は、以下の表式で定量化される。ここで、Ｌは回折格子の前のＰＭファイバの長さで、他のすべての項は、先のように定義される。
【数１】
0003634205.tif 000002
【００２９】
ＰＭＤを所望のように減らすために、ＬはＤλが本質的に等しい大きさと
【外１】
0003634205.tif 000003
と相対する符号をもつように、選択される。
【００３０】
従って、ＰＭファイバの長さＬを通って伝搬する光は、ＰＭＤの量Ｘを経験する。次に、光はＤＣＧで反射され、その過程でＰＭＤの量−２Ｘを経験し、全ＰＭＤは−Ｘになる。ＰＭファイバの長さＬを通って、光が後に伝搬するとともに、光はＰＭＤのもう１つの量Ｘを経験し、正味のＰＭＤはゼロになる。
【００３１】
上の表式で、Ｌの符号はＤの符号と相対するように選択され、そのため打ち消しが行える。従って、もしＤＣＧが負の分散をもつなら、ＬはＺに加えられ、回折格子の前にＰＭファイバの軸を回転する必要がないことを示している。他方、回折格子が正の分散を持つなら、ＬはＺから差し引かれ、回折格子の前にＰＭファイバの軸を９０度回転させる必要があることを示している。そのような回転はたとえば接続又は回折格子の前の整合されたＡＰＣ（角度をあわせた物理的接触）ファイバコネクタにより、容易に実現される。
【００３２】
ＰＭファイバ項２Ｌ／Ｖｇ  により回折格子分散項Ｄλを打ち消すことにより、残りのＰＭＤは典型的な場合小さく保たれ、それはＤＣＧ中の光の侵入長に比例する。この残りのＰＭＤの大きさは、現在の典型的な要件より著しく小さい約０．１ｐｓより、容易に小さくできる。
【００３３】
図３は本発明に従う製品の例を概略的に示し、数字３２はＰＭファイバをさす。“ＰＭＤ遅延”３１は典型的な場合、上述のようにＤＣＧのＰＭＤを打ち消すよう選択されたあらかじめ決められた長さのＰＭファイバを含む。
【００３４】
あるいは、好ましくない実施例において、ＰＭＤ遅延３１は所望の打ち消しをするために、従来のバルク光学手段を含む。図６はバルク光ＰＭＤ遅延手段３１の例を概略的に示し、数字６１はサーキュレータ又は他の方向性転送デバイスからの光をさし、６２はＤＣＧに伝搬する光をさし、数字６３は偏光分離キューブをさし、６４は可動ミラーをさす。容易に理解できるであろうが、光の２つの偏光は偏光結合器（図示されていない。また、光ファイバからバルク光学系に行くためのビームエキスパンダのようないくつかの従来の要素も示されていない。）中で再び結合される前に、異なる光路長を伝搬する。光結合器の出力は、ＰＭファイバ中に配置されたＤＣＧ中に入れられる。所望のＰＭＤは２つの偏光間の光路長差を選択することにより、すなわち二重の矢印６５で示されるように、可動ミラー６４の位置を選択することによって得られる。
【００３５】
図４は本発明に従う光ファイバ通信システム４０の例を、概略的に示す。送信機４１及び検出器４３は従来のもので、光ファイバ伝送路により、信号を伝送するように接続され、伝送路は分散をシステム中に導入する一定の長さ（たとえば約５０ｋｍ）の光伝送ファイバ４２を含む。便利な位置（たとえば検出器のすぐ上流）に、サーキュレータ２２が配置されている。波長λ（たとえば１５５０ｎｍ）の光は、サーキュレータのポート２３に入り、ポート２４でサーキュレータを出て、ＰＭファイバ３２を通ってＤＣＧ１１まで伝搬し、回折格子によって反射され、ＰＭファイバを通ってポート２４まで後方に伝搬して、ポート２４を通ってサーキュレータに入り、ポート２５でサーキュレータを出て、検出器４３により検出される。サーキュレータ以外の方向性転送デバイスも、使用できる。
【００３６】
図５は本発明に従う光ファイバ通信システムの別の例を、概略的に示す。図５のシステムは、図４のシステムと本質的に類似であるが、前者が正の分散をもつＤＣＧ１１０（すなわち、より短い波長がより長い波長より前に反射される回折格子）を有するのに対し、後者は負の分散をもつ回折格子を有することが異なり、前者は更に、ＰＭファイバの２つの偏光軸を交換する９０度接続５１を含む。スプライスは回折格子のすぐ前に置かれる。好ましい実施例において、ＤＣＧは本質的に強さが変る回折格子が生じるよう、アポタイズされる。偏光方向を交換するために、ＡＰＣファイバコネクタを使用することができる。
【００３７】
実施例１
光ファイバ通信システムにおいて、従来の送信機は６０ｋｍの標準的な５Ｄファイバにより、従来の受信機に接続される。ファイバリンクは１５５０ｎｍ帯に１０２０ｐｓ／ｎｍの名目上の色分散をもつ。チャープブラグ回折格子は、色分散を補償するために用いられる。
【００３８】
Ｇｅドープコアを有するシングルモードＰＭファイバ（１０−５の値の真性ファイバ複屈折と２．０５×１０−４ｍ／ｐｓの群速度をもつ）には、従来の方式で重水素が添加され、位相回折格子を通してＵＶ露光することにより、ファイバコア中にチャープブラグ回折格子が書かれる。回折格子は波長１５５０ｎｍに中心をもち、長さ８ｃｍとチャープ速度１０．４５５ｃｍ／ｎｍを有する。回折格子は回折格子の中心からＰＭファイバ端までのファイバ長が１６２ｍであるように、ＰＭファイバ中に配置され。
【００３９】
図４に本質的に示されるような構成において、送信機からの１５５０ｎｍの光は、３つの部分のサーキュレータの第１の部分に入る。光は第２の部分を出て、ＰＭファイバに入る。光は回折格子に伝搬し、回折格子により反射され、第２のサーキュレータポートまで後方に伝搬し、第２のポートに入り、第３のサーキュレータポートを出る。
【００４０】
チャープ回折格子は波長１５５０ｎｍの光に対し、１０２０ｐｓ／ｎｍの分散を生じ、従って６０ｋｍの５Ｄファイバの色分散を補償するように、設計される。回折格子と、回折格子及びサーキュレータ間の１６２ｍファイバの両方にＰＭファイバを使用することにより、サーキュレータはＤＣＧからの全ＰＭＤを約１０ｆｓより小さくし、従ってこの構成では蓄積されるＰＭＤは最小のまま、システム中の信号分散が本質的にとり除かれる。
【００４１】
実施例２
光通信システムは本質的に上述のとおりであるが、ＤＣＧが断熱的に変化する強度をもつことが異なる。
【００４２】
実施例３
システムは本質的に実施例１のとおりであるが、ＤＣＧは正の分散をもち、ＤＣＧのＰＭファイバは、回折格子とサーキュレータを接続するＰＭファイバに対し９０゜回転している。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のＤＣＧを概略的に描いた図である。
【図２】ＤＣＧを有する従来技術の通信システムの関連部分を示す図である。
【図３】本発明の実施例を概略的に示す図である。
【図４】本発明の実施例を概略的に示す図である。
【図５】本発明の実施例を概略的に示す図である。
【図６】バルク光ＰＭＤ遅延手段を概略的に描いた図である。
【符号の説明】
１０          シングルモード光導波路、光ファイバ
１１                    チャープブラグ回折格子、ＤＣＧ
１２                    多波長放射
１３，１４        放射
２０                    入力光
２１                    出力放射
２２                    サーキュレータ
２３                    入力部、ポート
２４                    サーキュレータポート、ポート
２５                    ポート
３１                    ＰＭＤ遅延、遅延手段
３２                    ＰＭファイバ
４０                    光ファイバ通信システム
４１                    送信機
４２                    光伝送ファイバ
４３                    検出器
５１                    接続
６１，６２        光
６３                    偏光分離キューブ
６４                    可動ミラー
６５                    矢印
１１０                ＤＣＧ
【図１】
0003634205.tif 000004
【図２】
0003634205.tif 000005
【図３】
0003634205.tif 000006
【図４】
0003634205.tif 000007
【図５】
0003634205.tif 000008
【図６】
0003634205.tif 000009