(57)【要約】【課題】  波長多重伝送システムに適用可能な低損失で広帯域でリップルが少なく、小型で低消費電力の分散補償器を提供することである。【解決手段】  片側反射率１００％のエタロンと凹面ミラー、凸面ミラー、あるいは多角ミラーを平行、あるいはわずかに角度を与えることでコリメータから出射される光がエタロンに複数回反射された後、他方のコリメータへ入射する構成とする。さらに、ヒータ等により温度を変化させることにより、可変機構を設ける。そして、これらの分散補償部を多段に設け、凹面ミラー、凸面ミラー、あるいは多角ミラーの角度とエタロンの反射率を最適にすることで、広帯域でリップルの少ない波長多重光伝送システムに適した可変分散補償器の実現が可能になる。【選択図】  図２６
2008310196.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する第１および第２の平面を有する板状の第１のエタロンの前記第２の平面と、
第１の反射面を有する第１のミラーの前記第１の反射面とが、第１の角度θ1（但し、θ1≠0）を成し、かつ、対向して配置される第１の可変分散補償部と、
対向する第３および第４の平面を有する板状の第２のエタロンの前記第４の平面と、
第２の反射面を有する第２のミラーの前記第２の反射面とが、第２の角度θ2（但し、θ2≠0）を成し、かつ、対向して配置される第２の可変分散補償部とを具備して成り、
前記第１の平面の反射率の値は１００％以下で、かつ９０％以上であり、前記第２の平面の反射率は第１の平面の反射率より低く、
前記第３の平面の反射率の値は１００％以下で、かつ９０％以上であり、前記第４の平面の反射率は第３の平面の反射率より低く、
前記第２の平面の反射率が９０％以下の反射機能を有する面であり、
前記第４の平面の反射率は９０％以下の反射機能を有する面であって、
前記第１のミラーの反射面の反射率は１００％以下で、かつ９０％以上であり、
前記第２のミラーの反射面の反射率は１００％以下で、かつ９０％以上であり、
前記第１のミラーの前記第１の反射面は、前記入射光の進行方向に向かって凸面状になっているか、凹面状になっているか、または前記第１のエタロンの前記第２の平面との成す角度が不連続的に変化する多角形状になっており、
前記第２のミラーの前記第２の反射面は、前記入射光の進行方向に向かって凸面状になっているか、凹面状になっているか、または前記第２のエタロンの前記第４の平面との成す角度が不連続的に変化する多角形状になっており、
前記第２の平面と前記第１の反射面との間から光ビームを入射させ、前記光ビームを前記第１のエタロンと前記第１のミラーとの間を１回又は複数回交互に反射させた後、
前記第２の平面と前記第１の反射面との間から前記光ビームを出射させ、前記第４の平面と前記第２の反射面との間から光ビームを入射させ、
前記光ビームを前記第２のエタロンと前記第２のミラーとの間を１回又は複数回交互に反射させた後、
前記第４の平面と前記第２の反射面との間から前記光ビームを出射させることにより、
一つまたは波長の異なる複数の信号光に波長分散を与えるように構成され、
前記第１のエタロンに対する前記第１のミラーの取り付け角度αが正の場合は、前記第２のエタロンに対する前記第２のミラーの取り付け角度は−αであり、前記第１のエタロンに対する前記第１のミラーの取り付け角度αを負の場合は、前記第２のエタロンに対する前記第２のミラーの取り付け角度は−αであることを特徴とする可変分散補償器。
【請求項２】
前記多角形状の前記第１のミラー面と前記第１のエタロンの前記第２の面との成す角度θ0，θ1，θ2，…はθ0≦θ1≦θ2≦…の関係を満たし、かつ、これら”≦”のうちの少なくとも１つは”≦”ではなくて”＜”であることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
【請求項３】
前記第２のエタロンと前記第２のミラーとの間に入射光を入射させ、その間で反射させ、出射させた後、その出射光を前記第１のエタロンと前記第１のミラーとの間に入射させ、その間で反射させ、出射させることを特徴とする請求項２記載の可変分散補償器。
【請求項４】
前記第１のエタロンに温度変化を与える第１の温度調節手段が前記第１のエタロンに近接して設けられ、
前記第２のエタロンに温度変化を与える第２の温度調節手段が前記第２のエタロンに近接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
【請求項５】
前記第１と第２のエタロンのうち、少なくとも１つがマルチキャビティエタロンであることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
【請求項６】
前記第１または前記第２のエタロンの少なくとも一方をリングキャビティに置換したものであることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
【請求項７】
前記第１と第２の角度がそれぞれ、１度（ｄｅｇｒｅｅ）以下で、かつ、0度以上であることを特徴とする請求項１記載の可変分散補償器。
【請求項８】
前記第１と第２の温度調節手段のうち、少なくとも１つの温度制御範囲が５℃以上であることを特徴とする請求項４記載の可変分散補償器。
【請求項９】
前記第１と第２のエタロンのうち、少なくとも１つの基板の熱膨張係数が１０−４以下１０−６以上のガラス部材で構成されていることを特徴とする請求項４記載の可変分散補償器。
【請求項１０】
前記第１と第２のエタロンのうち、少なくとも１つの基板が波長範囲１．２〜１．７μｍにおいて透過率が４０％以上の透明度が高い材料である、光学ガラス材料あるいは半導体材料シリコン、Ｇｅ、ＣｄＳｅ又はＺｎＳｅのいずれかであることを特長とする請求項４記載の可変分散補償器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変分散補償器に関し、特に光ファイバを用いた光伝送システムや、波長多重による光伝送方式を採用したシステムに適用して好適な光分散補償器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光増幅器を中継器として用いる長距離光伝送システムの研究・実用化が盛んである。特に、インターネットを中心としたマルチメディアサービスに対応するために、波長の異なる複数信号光を通信伝送路である１本の光ファイバに多重化するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）による大容量化が有効な技術と考えられている。このような長距離光伝送システムにおいては、光ファイバの波長分散という現象により伝送速度や伝送距離が大きく制限される。波長分散とは、波長の異なる光が光ファイバ中を異なる速度で伝播する現象である。高速で変調された光信号の光スペクトルは異なる波長成分を含むため、これらの成分は光ファイバを伝播する際に波長分散の影響により異なる時刻に受信機に到達する。この結果、ファイバ伝送後の光信号波形は歪みを生じることになる。このような分散による波形劣化を抑えるために、分散補償という技術が重要となる。分散補償とは、伝送路に用いられる光ファイバと逆の波長分散特性を持った光学素子を光送信機、受信機、あるいは中継器などに配置することで光ファイバの波長分散特性を打ち消し、波形劣化を防ぐ手法である。このような光学素子、すなわち分散補償器としては、分散補償ファイバや光ファイバグレーティングなどの逆分散特性を持つデバイスの研究や実用化が行われてきた。
【０００３】
分散耐力とは、ある基準の伝送品質を満たす残留分散（伝送路ファイバと分散補償器による分散量の総和）の範囲を示す。分散耐力は光信号のビットレートの２乗に反比例して小さくなるため、分散補償技術は伝送速度が上がるにつれて、より重要となる。例えば、１０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送システムでは光信号の分散耐力はおよそ１０００ｐｓ／ｎｍ程度であり、シングルモードファイバの分散量がおよそ１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであることを考慮すると、分散補償技術を用いないと６０ｋｍ程度しか伝送できないことになる。さらに、４０Ｇｂｉｔ／ｓ伝送における分散耐力は、この１／１６の６０ｐｓ／ｎｍ程度であり、シングルモードファイバ４ｋｍ程度に相当する。現在、光中継器を用いた幹線系光ファイバ伝送の伝送距離は数十ｋｍから数千ｋｍ程度であるが、伝送距離に応じて分散補償器の分散量を変える必要がある。例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送システムでは、分散耐力を考慮し１００ｐｓ乃至数１００ｐｓ程度の刻みで、あらかじめ固定補償量の分散補償器を用意しておき、伝送距離に応じインストール時に補償量を決定し、設置するなどの方法がとられてきた。この場合の分散補償器としては、伝送路と逆符号の波長分散を持つ分散補償ファイバを用いる方法が代表的である。次に、４０Ｇｂｉｔ／ｓの伝送システムでは、同様に１０ｐｓ乃至数１０ｐｓ程度の刻みで、補償分散量が変化できる分散補償器が必要と考えられる。しかも、この場合には伝送路ファイバの温度による波長分散量の変化が無視できなくなる。このため、分散量を可変に制御できる分散補償器が必要となる。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２２１６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これら従来の分散補償器にも様々な問題がある。固定量の分散補償を行う場合、分散補償ファイバでは数ｋｍ〜数１００ｋｍにもわたる長大な補償用ファイバが必要となるためファイバの収納スペースが大きくなる。また分散補償ファイバの損失を補償するために余分の光増幅器が必要となる可能性がある。さらに分散補償ファイバは一般にモードフィールド径が小さく、大きな光ファイバ非線型効果を生じ、伝送波形の歪みを引き起こす可能性がある。
【０００６】
光ファイバグレーティングの場合、透過特性や波長分散特性上に波長に対するリップルが存在するため、わずかな波長変化に対して補償特性が大きく変化する。従って分散補償に用いた場合の伝送特性は分散補償ファイバに比べて劣ることが知られている。また、製造上の問題から分散量や波長帯域の大きなものは作りにくく、狭帯域のものは温度や波長の安定化が必要になるなどの問題点がある。また分散補償ファイバでは原理的に、連続的に分散量を可変することができず、伝送路の分散量の変化に応じて連続的に分散量を変化させるような可変分散補償を実現することは難しい。
【０００７】
光ファイバグレーティングの場合、連続的な可変分散補償を実現する方法としては例えば、光ファイバグレーティングの長手方向に温度勾配を作ることにより、チャープトグレーティングを生成し、分散補償伝送を行う方式が報告されている。この場合、温度勾配を制御することにより可変量の分散補償を行うことが可能となる。しかしながら、この方式では均一な温度勾配を得ることが難しく、波長分散にリップルが発生するなど十分な性能の分散補償ができないなどの問題点があり、実用性に問題がある。なお、複数の小型ヒータによって温度勾配を設けて分散補償する公知例、例えば、特許文献１があるが、微細加工を伴う構造あるいは複雑な制御方法が必要となる。本発明の目的は、上記のような問題点を解決した広帯域でリップルの少ない分散補償器を提供することにある。さらには、小型で低消費電力の分散補償器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、例えば、次の構成により達成可能である。
【０００９】
対向する第１および第２の平面を有する板状の第１のエタロンの前記第２の平面と、
第１の反射面を有する第１のミラーの前記第１の反射面とが、第１の角度θ1（但し、θ1≠0）を成し、かつ、対向して配置される第１の可変分散補償部と、
対向する第３および第４の平面を有する板状の第２のエタロンの前記第４の平面と、
第２の反射面を有する第２のミラーの前記第２の反射面とが、第２の角度θ2（但し、θ2≠0）を成し、かつ、対向して配置される第２の可変分散補償部とを具備して成り、
前記第１の平面の反射率の値は１００％以下で、かつ９０％以上（これらの数値は実用的な観点から定めたものである。以下同じ。）であり、前記第２の平面の反射率は第１の平面の反射率より低く、
前記第３の平面の反射率の値は１００％以下で、かつ９０％以上であり、前記第４の平面の反射率は第３の平面の反射率より低く、
前記第２の平面の反射率が９０％以下の反射機能を有する面であり、
前記第４の平面の反射率は９０％以下の反射機能を有する面であって、
前記第１のミラーの反射面の反射率は１００％以下で、かつ９０％以上であり、
前記第２のミラーの反射面の反射率は１００％以下で、かつ９０％以上であり、
前記第１のミラーの前記第１の反射面は、前記入射光の進行方向に向かって凸面状になっているか、凹面状になっているか、または前記第１のエタロンの前記第２の平面との成す角度が不連続的に変化する多角形状になっており、
前記第２のミラーの前記第２の反射面は、前記入射光の進行方向に向かって凸面状になっているか、凹面状になっているか、または前記第２のエタロンの前記第４の平面との成す角度が不連続的に変化する多角形状になっており、
前記第２の平面と前記第１の反射面との間から光ビームを入射させ、前記光ビームを前記第１のエタロンと前記第１のミラーとの間を１回又は複数回交互に反射させた後、
前記第２の平面と前記第１の反射面との間から前記光ビームを出射させ、前記第４の平面と前記第２の反射面との間から光ビームを入射させ、
前記光ビームを前記第２のエタロンと前記第２のミラーとの間を１回又は複数回交互に反射させた後、
前記第４の平面と前記第２の反射面との間から前記光ビームを出射させることにより、
一つまたは波長の異なる複数の信号光に波長分散を与えるように構成され、
前記第１のエタロンに対する前記第１のミラーの取り付け角度αが正の場合は、前記第２のエタロンに対する前記第２のミラーの取り付け角度は−αであり、前記第１のエタロンに対する前記第１のミラーの取り付け角度αを負の場合は、前記第２のエタロンに対する前記第２のミラーの取り付け角度は−αであることを特徴とする可変分散補償器。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、広帯域，低群遅延リップル，可変分散量の大きな特性のよい可変分散補償器が得られた。さらには、小型で低消費電力の分散補償器を提供することである。それにより、波長多重伝送時に各信号光に対して一括で分散補償を行うことができ、伝送システムにおける伝送距離を拡張することができる。そして、高次分散についても一括で分散補償を行うことができる。本発明分散補償器を用いることで、伝送特性の優れた簡易で安価な光通信システムを構築できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。エタロンについて説明する。図１にエタロンの構造を示す。エタロンとは、精度よく平行にした平面板１０の両面に反射膜１１，１２をコーティングしたものである。反射膜には、反射率の高い金や銀などの金属膜、あるいは誘電体多層膜などが用いられる。特に、理想的には片側の反射率を１００％としたエタロンを提案者ＧｉｒｅｓとＴｏｕｒｎｏｉｓの名前にちなみＧＴエタロンと呼ぶ。ただし、実際には１００％の反射率を実現することは難しいので、９０％程度以上の反射率を有する反射膜を用いるということでも構わない。また、他方の面の反射膜の反射率は、分散補償に用いる場合はさほど高い必要なく、後で具体的な数値を示すように９０％を超えることはない。このようなＧＴエタロンにおいては、透過率は波長に対して一定（つまり、透過率の値が入射光の波長に実質的に依存しない。）となるためオールパスフィルタと呼ばれている。しかし、位相（群遅延時間）については波長依存性を有する。この時の群遅延時間τは次式で表される。
【００１２】
【数１】
2008310196.tif 000003
【００１３】
ここで、ｒは振幅反射率、ωは光の角周波数、ΔＴは平行平面板を１往復することによって生じる光学的な距離を示す。波長分散Ｄは、群遅延時間τを波長で微分したものである。
【００１４】
【数２】
2008310196.tif 000004
【００１５】
しかし、高速信号、特に４０Ｇｂｉｔ／ｓ長距離光伝送システムにおける分散補償器には、有効帯域が広いこと（４０ＧＨｚ以上）、大きな可変範囲をとれること、分散のリップルが小さいことが重要となる。そこで、分散補償器として所望の特性を得るためには、図２に示すように、ミラーを用いて複数回反射させる方法が有効である。図２の構成では、エタロン（１０，１１，１２）に対して、ミラー（２０，２１）を平行あるいはわずかに角度をつけて配置する。後で具体的な数値を示すように、この角度は大体１度以下であれば、本発明による有効帯域拡大の効果が得られる。ここで、ミラー（２０，２１）はミラー基板２０に高反射率の反射膜２１をコーティングすることによって構成される。コリメータ３０から出射した光は、エタロン（１０，１１，１２）とミラー（２０，２１）を交互に反射して、コリメータ３１に入射する。コリメータとは、光ファイバを伝播する光を平行ビームとして空間に放射する光部品のことである。エタロン（１０，１１，１２）は温度変化素子４０（この素子は、その素子自体が冷却または加熱されるものをいう。印加電圧等により冷却および加熱される素子をTEC(Thermo Electric Cooler)という。一例としてペルチェ素子  （Peltier device）がある。加熱機能のみを有する素子をThermo Electric heaterという。）によって温度を制御することができる。
【００１６】
このとき、エタロンの熱分布を均一にするために温度変化素子４０とエタロン（１０，１１，１２）の間に伝熱剤４１を介する。この伝熱剤としては、伝熱シートやサーマルグリースを用いる。
【００１７】
群遅延特性を数式によって説明するために、図３を用いて説明する。ミラー（２０，２１）とエタロン（１０，１１，１２）の角度をΔθとすると、エタロンに対して入射角θ0で入射した光はミラーとｉ回反射した後θｉ＝θ0＋２ｉΔθの角度で再びエタロンに入射する。ミラーの全反射回数をｋとすると，補償部全体の群遅延時間τtotalは，各反射時のエタロン群遅延時間τiを（ｋ＋１）回合計することで求められる。
【００１８】
【数３】
2008310196.tif 000005
【００１９】
ここで、ΔＴｉはエタロンの各反射において平行平面板を１往復することによって生じる光学的な距離である。さらに、入射角度を考慮するとΔＴｉは以下の式で表される。
【００２０】
【数４】
2008310196.tif 000006
【００２１】
【数５】
2008310196.tif 000007
【００２２】
ここで，ｃは光速、Θｉはエタロン中での入射角、ｎは屈折率、Ｌはエタロン反射膜間隔である。エタロン中での入射角Θｉとエタロン入射角θiの関係は（数５）で表される。
【００２３】
エタロン（１０，１１，１２）、ミラー（２０，２１）、コリメータ３０、３１を光学部品固定部材２００に対して固定する方法を図４に示す。ここで、光学部品固定部材２００には、熱膨張率の低い金属やガラスを用いて実現する。光学部品固定部材２００は、その内部が中空になっている。この中空部分は、超音波ドリル等を用いて加工することで作成できる。光学部品固定部材２００の上面図を図５に、斜め上から見た図を図６に示す。図５に示すように、光学部品固定部材２００の中空穴は、ビームを通すための楕円状の穴と、コリメータ３０，３１を固定するための丸状の２つの穴を合わせたような形となっている。また、図６に示したように、部品固定部材２００の上部を斜めに研磨して角度Δθをもつ傾斜面を作る。この傾斜面にミラー（２０、２１）を固定することにより、このミラーの一平面とエタロンの一の平面とのなす角度をΔθとすることができる。また、コリメータ固定用の穴をこの傾斜面にあけ、コリメータ（３０、３１）をこの穴に固定し、コリメータ３０からエタロン（１０，１１，１２）への入射角θ０を精密に制御する。これらの光学部品は、光学部品用の接着剤等を用いて固定する。
【００２４】
温度制御を用いた可変分散補償方式について図７を用いて説明する。この可変分散補償器１００は、入力ポート１１０、出力ポート１２０を持ち、内部はプラス側可変分散補償部１３０とマイナス側可変分散補償部１４０の２つの補償部から構成される。各々の補償部は、図２に示したエタロン（１０，１１，１２）の一平面とミラー（２０，２１）の一平面とを図２に示すようにわずかな、かつ、所定の角度を持たせて固定するか、あるいはこの二つの平面が平行になるように対向させる。さら、コリメータ３０から出射したレーザビームをエタロンとミラーとの間から斜めに入射させ、エタロンとミラーとの間で斜めに複数回反射させる構成で実現される。プラス側可変分散補償部は、図に示すように分散と波長の関係が正の傾きを持ち、マイナス側可変分散補償部は負の傾きを持ち、それぞれが１次関数となっている。エタロンの温度を変えると、エタロン基板の熱膨張によりエタロンにおける共振波長が変化する。このため、図７に示した分散特性線は波長方向にシフトする。
【００２５】
このとき、エタロン基板の熱膨張係数が１０−４以下１０−６以上のガラス部材で構成されていることが、共振波長を所望に制御する上で望ましい。例えば、今回評価した条件では、光学ガラスとして広く使われている硼珪酸光学ガラスで、熱膨張係数が０．８７×１０−５／℃のものを基板として用いると、１００ＧＨｚ（光の波長で約０．８ｎｍ）分散特性をシフトさせるには６０℃の温度変化が必要となる。
【００２６】
あと、エタロン基板（平面板１０）の材料としては、高屈折率ガラス、透明セラミクス、半導体材料があげられる。高屈折率ガラスは、金属を含有させることで作製することが可能である。高屈折率ガラスを作製させるために含有させる金属として、かつては鉛（Ｐｂ），カドミウム（Ｃｄ），トリウム（Ｔｈ）などが用いられていたが、環境問題に対する配慮から、これらの物質に代り、Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｌａ，Ｙ，Ｃｓなどの金属やＴｉＯ２，Ｎｂ２Ｏ５，ＷＯ３，Ｌａ２Ｏ３，ＢａＯ，ＷＯ３，Ｎｂ２Ｏ５，Ｙ２Ｏ３，Ｇｄ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５といった化合物が用いられている。高屈折率ガラスや透明セラミクスを用いることにより、屈折率２以上のエタロン基板を実現できる。
【００２７】
また、半導体もエタロン基板（平面板１０）の材料として有効である。例えば、Ｇｅ，ＣｄＳｅ，Ｓｉ，ＺｎＳｅなどが光学材料として用いられる。ここで、半導体にはバンドギャップがあり、このバンドギャップのエネルギーより高い光子エネルギーを持つ光が入射すると、その光を吸収して価電子帯から伝導帯への電子の遷移が起きる。エタロン基板には、透明性が高い材料であることが必要である。なぜなら、基板材料の吸収がわずかでも共振現象によって光学損失が大きくなり、共振波長での損失の増加、すなわち損失リップルが生じる。分散補償器に応用する場合には、この損失リップルは好ましくない。よって、バンドギャップによる吸収波長より長い波長で用いることが必要となる。例えば、Ｓｉの場合には、素材の内部吸収の少ない１．２〜６μｍの赤外線波長帯域で用いることが好ましい。光通信で用いる約１．２〜１．７μｍの波長におけるこれらの半導体材料の屈折率の値は、Ｇｅが４．０，Ｓｉが３．５，ＺｎＳｅが２．５である。また、他の高屈折率な光学材料としては、Ｓｂ２Ｓ３、ＣｄＴｅ，ＣｄＳ、ＣｅＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＳ、Ｔｚ２Ｏ５などの化合物が考えられる。よって、このような高屈折率ガラスや半導体材料を用いることにより、屈折率の値が2以上４以下のエタロンを実現できる。ここでいう透過率とは、ある板状材料に光を入射した時、通過もしくは反射した光の合計を考え、入射光と合計光のパワーの比とする。そこで、透過率が４０％以上の透明度の高い材料を用いることによって、特性の良いエタロンを作成できる。
【００２８】
プラス側可変分散部１３０、マイナス側可変分散補償部１４０は、各々独立に温度制御できる構成とする。このとき、可変分散補償器全体の分散特性は２つの補償部の合計となる。正の傾きを持つ直線部分と負の傾きを持つ直線部分の重なりが大きければ、上側の平らな部分が広く低い形状となり（図７右上）、逆に重なりが小さければ、上側の平らな部分が狭く高い形状（図７右下）となる。このように、プラス側、マイナス側可変分散補償部に温度制御をかけることで、分散量を変化することができる。
【００２９】
プラス側、マイナス側可変分散補償部の理想的な特性を実現するための、ミラー角度Δθとエタロンの振幅反射率ｒを最適化するための方法を述べる。そのために、まず、振幅反射率ｒが異なるときのエタロン単体での分散特性について説明する。数式（３）でｋ＝０として  ｒ＝５，２０，４０％とした時、波長に対する分散特性を図８に示す。まず、図８（ａ）に示すように、ｒ＝５％の場合は，分散の振幅は小さく、ｓｉｎ関数に近い形状を示す。次に、図８（ｂ）に示すように、ｒ＝２０％の場合は，分散の振幅は図８（ａ）に比べやや大きくなり、三角波的な形状を示す。これは、先に述べたプラス側可変分散補償部の特性に近い形状と言える。以後の説明では、正の傾きを持つ部分と負の傾きを持つ部分に分け、分散が最小（極小）から最大（極大）となる範囲を「正の傾きの帯域」、最大（極大）から最小（極小）になる範囲を「負の傾きの帯域」と呼ぶことにする。最後に図８（ｃ）に示すように、ｒ＝４０％の場合には、分散の振幅が大きくなり、図８（ｃ）に示すように、図８（ｂ）ではほぼ直線であった特性線は歪んだ形状となる。
【００３０】
尚、図８からわかるようにＧＴエタロンを用いた分散補償器においては、群遅延および分散特性において波長依存性を示す。この周期はＦｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ（ＦＳＲ）と呼ばれ、この図では１００ＧＨｚ（約０．８ｎｍ）である。このような波長周期性を持つことは波長多重伝送において特に有効となる。ＦＳＲを波長多重伝送時の波長間隔と等しくすれば、ＧＴエタロンは全ての波長の信号に対して同じような効果（可変分散補償の効果）を与えることができる。よって、このような可変分散補償器は波長多重伝送システムにおいて極めて有効である。
【００３１】
以上の性質を踏まえ、本発明によるプラス側可変分散、マイナス側可変分散補償部を実現する構成を述べる。まず、プラス側であるが、図８（ｂ）で示したように、エタロン単体の特性が既に理想的な特性に近い。この特性は、簡単には図９に示したミラーとエタロンを平行にする構成で実現できる。ここで、特性線の直線性を評価する指標として、数式（６）に示すピアソンの積率相関係数の２乗値Ｒ２を用いた。式中のｍｔｏｔａｌは評価に用いた全データ数、
2008310196.tif 000008
は分析に用いたデータ値、
2008310196.tif 000009
は回帰分析で求めた近似直線による予想値である。
Ｒ２は近似直線の予想値が実際のデータにどの程度近いかを示すもので０から１の範囲をとる。この場合、Ｒ２値が１に近いほど直線に近い形状となる。
【００３２】
【数６】
2008310196.tif 000010
【００３３】
可変分散補償器全体が図７に示すように有効帯域内で平坦な特性を持つためには、プラス側可変分散補償部とマイナス側可変分散補償部の直線の傾きが、符号が反対で大きさが同じとなる必要がある。よって、マイナス側可変分散補償部の構成を決定した後に、プラス側可変分散補償部を構成要素であるところのエタロンの反射率と、エタロンとミラーとの間の入射光の反射回数を決定する。
【００３４】
マイナス側可変分散補償部は、図８に示した伝達関数が理想的な特性と著しく異なるため、本発明により以下のようにこの特性の問題を解決する。マイナス側可変分散補償部で理想的な特性を実現するために、図１０に示す三角波の基本的な性質を応用する。正の傾きの帯域が広い三角波を少しずつシフトさせて足し合わせると、負の傾きの帯域を拡大することができる。この場合、負の傾きの帯域を最大とするための最適なシフト量は、三角波を足し合わせる回数と、正の傾きの帯域とから一意的に決まる。この性質を考慮し、負の傾きを持つ狭い部分を、エタロン斜め反射方式でピーク位置をずらしながら足し合わせ、広帯域化を実現する。簡単にピーク位置をずらす方法としては、図９に示したプラス側可変分散補償部を多段につなぎ合わせて、その各々に温度制御部を設け、各段での分散特性を少しずつシフトさせればよい。ただし、この方法では、簡単に実現できるものの段数が多くなると、損失も増える、部品数が増えてしまうという欠点がある。次に、ピーク位置をずらす方法としては、ミラーとエタロンとを平行に位置させるのではなくて、ミラーの一の平面とエタロンの一の平面とが、わずかに角度をもって対向するようにすることも一案である。図１１にその構成を、図１２に、その構成で得られた分散特性を示す。このとき、三角波の検討により、あらかじめ足し合わせ回数と正の傾きの帯域から求めた最適なシフト量を目安に、エタロン斜め反射方式におけるミラー角度の候補を絞り、計算の効率化を図ることが可能となる。
【００３５】
次に、図１１に示した構成よりもさらにマイナス側可変分散補償部の理想的な特性を実現するための方法を説明する。図１２で得られた分散特性は、理想的な特性（図１２中のまっすぐな点線）に比べると、やや歪みを生じている。それは、図８に示したもともとのエタロンの特性が、三角波と異なる歪みを持っているためである。特に、エタロン斜め反射方式で大きな分散量を稼ぐためには、（１）エタロンの反射率ｒを高くする、（２）エタロン斜め反射方式を多段にする、といった方法が考えられるが、損失の点で前者の方が好ましい。しかし、エタロンの反射率ｒを高くすると三角波と比べた歪み成分も大きくなるので、図１０に示した三角波の性質を利用する方法がうまく適用できなくなる。図１２では、エタロンの振幅反射率ｒ＝４０％の分散特性を示したが、このとき、Ｒ２＝０．９９８３１であった。
【００３６】
そこで、さらに工夫し、マイナス側可変分散補償部で負の傾きの部分の直線性を向上する方法を示す。ここでは、斜め反射方式１段で得られた特性（図１２）と理想的な直線との差分（以後、この差を高次分散リップルと呼ぶ）がｓｉｎカーブに近い形状であることに着目した。この差分は図８で示したエタロンの反射率が低い場合（例えば、ｒ＝５％）に近い形状と考えられる。しかし、前述のようにエタロン反射率が低い場合は分散の振幅も小さい。そこで、反射率の低いエタロンで補正を行うには、エタロンとミラーを平行に配置して複数反射を行い振幅を倍増させる。以上の考察と改善方法を図１３に模式的に示した。次に、この方法によるマイナス側可変分散補償部の具体的な構成と計算結果を各々図１４および図１７に示す。図１５に示した結果を得るための可変波長分散補償器の構成条件としては、図１４のエタロン１０−１の一の平面とミラー２０−１の一の平面とのなす角度を０．０５１°とし、エタロン１０−２の一の平面とミラー２０−２の一の平面とは平行とし、エタロン１０−１、１０−２の振幅反射率ｒはそれぞれ４０％と１０％とし、反射回数は各々５回と４回とする。この結果、帯域５８ＧＨｚ，Ｒ２＝０．９９９９６となり、直線性を大幅に改善できる。本発明の実施例における分散補償器では、光の入射と出射の順番を逆にしても構わない。すなわち、図１４に示した構成で、光を通す向きは、コリメータ３０−１→３１−１→３０−２→３１−２でも、コリメータ３１−２→３０−２→３１−１→３０−１のどちらでも構わない。また、エタロン１０−１，１０−２も、どちらを先に光を入射させても構わない。
【００３７】
ここで、反射率値の低いエタロンで上記の補正を行うには、図２０に示すように、入射光をエタロンに入射させ、その反射光を出射光として利用するようにしてもよい。この場合、エタロン表面では複数回の反射をさせないので、エタロンに対向するミラーは不要となる。また、図１４に示した構成同様に、光を通す向きは、コリメータ３０−１→３１−１→３０−２→３１−２でも、コリメータ３１−２→３０−２→３１−１→３０−１のどちらでも構わない。また、エタロン１０−１、１０−２も、どちらを先に光を入射させても構わない。さらに、この考え方を発展させて、このような高次分散リップルを補正するための分散補償には、エタロン以外の素子を用いても構わない。その構成を図２１に示す。図中では可変分散補償部１５０によって、高次分散リップルを補正する。可変分散補償部１５０は比較的小さな分散量を稼ぐ素子でよい。例えば、従来の光ファイバグレーティング、マルチキャビティエタロン、リングキャビティを用いてもよい。あるいは近年、分散補償素子への応用が期待され活発に研究されているフォトニック結晶やフォトニック結晶ファイバを用いても構わない。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる物質を光の波長以下のサイズで規則正しく周期的に配列させた構造体で、結晶の周期によって特定の波長領域の光が透過できないため、光を閉じ込めることが可能となり、所望の分散特性を与える素子への応用が期待されている。また、フォトニック結晶ファイバとは多数のエアホールが規則正しく配列した構造のクラッドを持つ光ファイバであり、これも通常のファイバに比べ、大きな波長分散を持たせることが可能となることが知られている。
【００３８】
また、図１で示したエタロンは、反射膜１１と１２に囲まれた１つの共振構造を持つシングルキャビティの構成であるが、これを図１７に示す複数の共振構造を持つマルチキャビティエタロンに置き換えて分散補償器を構成しても構わない。図１７に示すマルチキャビティエタロンにおいては、平面板１０と反射膜１１を交互に何段も積層した構造となっており、各々の反射率を変えることでシングルキャビティエタロンに比べ自由度が増えるので、所望の分散特性を実現することが可能となる。マルチキャビティエタロンの温度制御については、部品数削減という意味では、１組の伝熱剤４１と温度変化素子４０を反射膜１２に張り合わせる構造がよい。しかし、微細に温度制御を行うという観点からすると、マルチキャビティエタロンの層数ｎに対し、ｎ組の伝熱剤４１と温度変化素子４０を各々の平面板１０に張り合わせる構造がよい。平面板１０の端の部分に温度制御素子が接触しているが、さらに言えば、平面板１０のまわりを取り囲むように温度制御素子が接触している方が好ましい。また、本発明の別の実施例として、エタロンの代りにリングキャビティを用いても構わない。リングキャビティの遅延特性を表す式はエタロンの場合と同じなので、本発明による概念を適用することが可能である。リングキャビティの構造を図１８に示す。この図で示されるリングキャビティは、光基板３００とリング共振部３１０と光導波路３２０と光カプラ部３３０から構成される。光導波路では、基板よりも光の屈折率が高くなっており、光は導波路中に閉じ込められ基板にはもれない。導波路の左側から入射した光は導波路中を右側に進み、光カプラ部３３０で光導波路３２０をそのまま直進していく光と、分岐して一部リング共振部３１０に進んでいく光とに分かれる。リング共振部３１０を１周した光は、光カプラ部３３０で一部は光導波路３２０を直進し、残りは再びリング共振部３１０を回周する。このように、リング共振部３１０を何周かした光が合わさって導波路３２０に出て行き、共振器が実現される。
また、図１９に示すように、リング共振部４１０と光カプラ部４３０を多段構造にとることが可能である。このようにすることにより、１段の構成よりも自由度が増えるので、所望の分散特性を実現することが可能となる。
【００３９】
以上に述べた、マイナス側可変分散補償部の構成方法を、さらに簡便に実現する方法について説明する。そのために、ミラー２０を凹面あるいは凸面ミラーとする構成を、図２２および２３に示す。図２２及び図２３の構成を接続してマイナス側可変分散補償部とする。また、さらにエタロンへの各入射角度に自由度を持たせるため、凹面あるいは凸面ミラーを多角ミラーとした構成を図２４および２５に示す。図２４及び図２５の構成を接続してマイナス側可変分散補償部とする。および、その鳥瞰図を図２６に示す。
【００４０】
この効果を説明するために、エタロン入射角と多角ミラーの角度との関係を図２７に示す。
図２７（ａ）は、ミラーが平面の場合を示している。この図は、前述の図３と等価なものであるが、以後の説明をわかりやすくするため、ミラー角度の変数をαとした。この時は、図３と同様、ミラーとエタロンの入射角度は、αずつ増えていくことがわかる。次に、図２７（ｂ）に、ミラーが入射側（図中、左側）でαの角度を持ち、出射側（図中、左側）でβの角度を持つ場合を示している。ここで、図２７（ｂ）はβが正の値を持つ時に、多角ミラーが凸面ミラーと等価になる状態、図２７（ｃ）はβが正の値を持つ時に、多角ミラーが凹面ミラーと等価になる状態を示している。一方、エタロン入射角については、βのとり方によって、図２７（ｂ）の場合には、θ，θ＋２α，θ＋４α＋２β，…，図２７（ｃ）の場合には、θ，θ＋２α，θ＋４α−２β，…，となる。この入射角の関係をθ0，θ1，θ2，…，と考え、数式（３）に代入することで、エタロンの群遅延時間さらには分散特性を求めることができる。このモデルを用いて、分散特性の結果を図２８に示す。
【００４１】
図２８の(a)〜(d)は、それぞれ、図２７（ａ）の状態，図２７（ｂ）の状態，図２７（ｃ）の状態，およ多角ミラーで各角度を最適化した状態を示してある。エタロンへの反射回数は、全６回反射、（ａ）〜（ｃ）の状態では，（1〜3回反射でのミラー角度α，4〜6回反射でのミラー角度βとした。αは0.22°，βは0.05°とした。入射角θは、各状態で次の通りとした。
（ａ）の場合、4.20，4.64，5.08，5.52，5.96，6.40。
（ｂ）の場合、4.20，4.64，5.08，5.57，6.06，6.55。
（ｃ）の場合、4.20，4.64，5.08，5.47，5.86，6.25。
（ｄ）の場合、3.98，4.56，4.91，5.35，5.67，6.09。
この条件で、分散特性の直線性を示すＲ２を評価したところ、（ａ）  ０．９９１９６，（ｂ）  ０．９８０３８，（ｃ）  ０．９９６７９，（ｄ）  ０．９９９６６であった。この結果、多角ミラーを用いてエタロン入射角を最適化することで、分散リップルを改善することができる。さらには、マイナス側可変分散補償部で補正部を設けることなく、エタロンとミラーの対からなる段を一つ減らした構成で、分散補償器が実現できる。それによって、エタロンおよびペルチェ素子を一組減らすことができ、小型化、低消費電力化においても有効となる。このように多角ミラーによって実現した入射角の最適化は、凹面ミラー、凸面ミラーによっても実現できる。ここでいう、凹面ミラー、凸面ミラーは、図２９で示される形で定義される。図のようにｘ，ｙ，ｚ軸を規定すると、ここでいう凹面ミラー，凸面ミラーは次式で定義される。ｍ＞１は、正の偶数とし、
ｙ＝ａ ｘｍ  ・・・・・・・・・・・（数７）
ただし、凹面ミラー：  ａ＞０，凸面ミラー：  ａ＜０。
【００４２】
前述した多角ミラーを、（数７）による凹面ミラー、凸面ミラーで近似することで、本発明の実施例による可変分散補償器を簡便に実現することができる。さらに言えば、本発明者の研究により、マイナス側可変分散補償部として望ましい分散特性を得るためには、エタロン入射角θ0，θ1，θ2，…，が広義の単調増加関数、すなわち、θ0≦θ1≦θ2≦…  （但し、これらの”  ≦”の少なくとも１つは  ”＜”である。）の関係であることがわかった。
以上に述べたように、本発明によって、広帯域で、低分散リップル（あるいは低群遅延リップル）、かつ可変分散量が大きく、小型・低消費電力で、特性良好な可変分散補償器が得られた。
【００４３】
なお、図面中の符号の説明は以下の通りである。
１０…平面版、
２０…ミラー（基板）、
２５…凹面ミラー、
２６…凸面ミラー、
２７…多角ミラー、
１１,１２,２１…反射膜、
３０,３１…コリメータ、
４０…温度変化素子、
４１…伝熱剤、
１００…可変分散補償器、
１１０…入力ポート、
１２０…出力ポート、
１３０…プラス側可変分散補償部、
１４０…マイナス側可変分散補償部、
１５０…可変分散補償部、
２００…光学部品固定部材、
３００…光基板、
３１０，３１１，３１２…リング共振部、
３２０…光導波路、
３３０，３３１，３３２…光カプラ部。
４００…光基板、４１０，４１１，４１２…リング共振部、４２０…
光導波路、４３０，４３１，４３２…光カプラ部。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の基本素子であるエタロンを示す図。
【図２】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の第一の構成を示す図。
【図３】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の第一の構成を詳細に説明するための図。
【図４】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の第一の構成を立体的に示した図。
【図５】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の第一の構成における光学部品固定部材の上面図。
【図６】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の第一の構成における光学部品固定部材の中空穴の構造を示す図。
【図７】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の原理と構成を示す図。
【図８】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の基本素子であるエタロンの群遅延特性を示す図。
【図９】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のプラス側可変分散補償部の構成を示す図。
【図１０】本発明の一実施例を説明するための図であって、三角波の基本的な性質を示す図。
【図１１】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の構成を示す図。
【図１２】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の第一の構成の分散特性を示す図。
【図１３】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の原理を示す図。
【図１４】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の第二の構成を示す図。
【図１５】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の第二の構成の分散特性を示す図。
【図１６】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のプラス側可変分散補償部の原理を示す図。
【図１７】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の基本素子であるマルチキャビティエタロンを示す図。
【図１８】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の基本素子であるリング共振器を示す図。
【図１９】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の基本素子である多段型リング共振器を示す図。
【図２０】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の第三の構成を示す図。
【図２１】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のマイナス側可変分散補償部の第四の構成を示す図。
【図２２】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の一括型マイナス側可変分散補償部の第一の構成を示す図。
【図２３】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の一括型マイナス側可変分散補償部の第二の構成を示す図。
【図２４】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の一括型マイナス側可変分散補償部の第三の構成を示す図。
【図２５】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の一括型マイナス側可変分散補償部の第四の構成を示す図。
【図２６】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の一括型マイナス側可変分散補償部の第一の構成の鳥瞰を示す図。
【図２７】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器のミラー形状と入射角の関係を示す図。
【図２８】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器の一括型マイナス側可変分散補償部の分散特性を示す図。
【図２９】本発明の一実施例を説明するための図であって、本発明における可変分散補償器で用いる凹面および凸面ミラーの曲面の定義を示す図。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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