(57)【要約】【課題】消費電力を抑制すると共に、応答速度の速い可変分散補償器を提供する。【解決手段】可変分散補償器１は、基板４と、前記基板の上に保持され、入力される所定波長の光信号をブラッグ反射するグレーティング２が形成されている光導波路８と、前記基板の上に前記グレーティングに近接して設けられたヒータ３と、前記ヒータを制御して前記グレーティングに所定の温度分布を付与する温度制御装置６とを備え、前記基板の熱伝導率ｋは５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下であり、前記基板の厚みは（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲内にあ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】
基板と、
前記基板の上に保持され、入力される所定波長の光信号をブラッグ反射するグレーティングが形成されている光導波路と、
前記基板の上に前記グレーティングに近接して設けられたヒータと、
前記ヒータを制御して前記グレーティングに所定の温度分布を付与する温度制御装置と
を備え、
前記基板の熱伝導率ｋは５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下であり、前記基板の厚みは（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする可変分散補償器。
【請求項２】
前記基板の前記光導波路を保持する面と反対側の面に放熱板を備えることを特徴とする請求項１に記載の可変分散補償器。
【請求項３】
前記基板の前記光導波路を保持する面と反対側の面の温度を計測する感温素子をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変分散補償器。
【請求項４】
前記基板の前記光導波路を保持する面と反対側の面にペルチェ素子を備えることを特徴とする請求項１に記載の可変分散補償器。
【請求項５】
前記基板と前記ペルチェ素子との間に放熱板を備えることを特徴とする請求項４に記載の可変分散補償器。
【請求項６】
前記放熱板の温度を計測する感温素子をさらに備えることを特徴とする５に記載の可変分散補償器。
【請求項７】
前記温度制御装置は、前記ヒータを制御して、前記グレーティングの中心温度が一定の温度分布を前記グレーティングに付与することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の可変分散補償器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速光通信システムにおける分散補償技術に関し、特にチャープグレーティングのチャープ率を変化させて郡遅延時間を制御する可変分散補償器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバケーブルを信号伝送路に用いた光通信システムでは、光ファイバ伝送路の波長分散（単に分散ともいい、以下、「分散」と称す）により光パルスが歪むため、信号の劣化を生じる。これは波長の異なる光パルスの波束の群速度が異なるためで、光パルスの波束がある一定距離を伝播するのに要する時間、すなわち群遅延時間（単位：ｐｓ）が異なるためである。この群遅延時間の波長に対する割合が分散（単位：ｐｓ／ｎｍ）である。通常の光ファイバ伝送路に用いられるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）では、波長１５５０ｎｍ付近で光ファイバ伝送路１ｋｍあたりの分散は、約１６ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）の値を有する。これは波長が１ｎｍのシングルモードファイバを伝播するのに要する群遅延時間の差が１６ｐｓという意味である。例えば、波長が１ｎｍ異なる光パルスが１００ｋｍの光ファイバを伝播した場合の群遅延時間は１００倍の１６００ｐｓとなる。
【０００３】
一方、変調された光パルスは、変調方式やビットレートにより決まる幾つかの線スペクトルの広がりを持ち、その包絡線はガウス分布型となる。例えばＲＺ（ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｚｅｒｏ）変調方式では、それぞれの線スペクトルの間隔は、ビットレート（伝送速度）が１０Ｇｂｉｔ／ｓの場合には０．０８ｎｍであるが、ビットレート４０Ｇｂｉｔ／ｓの場合には０．３２ｎｍとなる。また、ＮＲＺ（ｎｏｎｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｚｅｒｏ）変調方式では、ＲＺ変調方式の線スペクトルの半分の広がりとなる。このようにビットレートが高くなるに従って、光パルスの成分である線スペクトルの間隔は広がる。そのため、光ファイバ伝送路を伝播したときの群遅延時間の差が大きくなり光パルスの歪みが増大する。光パルスが受ける光ファイバ伝送路の分散の影響はビットレートの二乗に比例して大きくなる。この光ファイバ伝送路の分散を打ち消す分散を有するデバイスを伝送路に挿入し、全体として分散を零に近づける技術が分散補償技術である。特に４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上のビットレートでは伝送路の分散を精密に零に近づける必要がある。
【０００４】
このような分散を補償するデバイスとして、本発明者らが提案したチャープグレーティングを用いた可変分散補償器がある（例えば、非特許文献１参照。）。これはチャープグレーティングを３２個の薄膜ヒータ上に設置し、３２個の薄膜ヒータの温度をそれぞれ独立に制御することにより、チャープグレーティングに直線的な温度分布を印加して、チャープグレーティングの分散を可変させるものである。この可変分散補償器では、グレーティング長４０ｍｍのチャープグレーティングを使用し、一次関数的に変化する０〜６０℃の温度分布を設けている。これにより、分散可変幅が１００ｐｓ／ｎｍ以上の可変分散補償器を実現し、４０Ｇｂｉｔ／ｓの光信号伝送を行っている。
【０００５】
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ  ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ  ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１３，ＮＯ．８，８２７項〜８２９項（２００１年８月発行）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、グレーティングに所定の関数に基づいて変化する温度分布を付与し、その温度分布を制御することにより群遅延時間を制御する可変分散補償器は、簡単に分散を制御できるデバイスとして有用である。
【０００７】
一方、ネットワークに用いられる各構成部材には、応答速度が速いこと、具体的にはある条件から異なる条件への変化についての応答時間が８秒以内であることが要求されており、可変分散補償器にも十分な応答速度が要求されている。ここで「８秒以内」とされる理由として、インターネット上のＷＥＢページの表示に要する時間についての「８秒ルール」がある。「８秒ルール」とは、インターネット上のＷＥＢサイトを訪れるユーザは、新たなＷＥＢページの表示に要する時間が８秒を超えるとそのサイトを立ち去るということを意味している。可変分散補償器の場合には、ある分散値から異なる分散値への変化に要する応答時間が十分に短いこと、具体的には８秒以内であることが要求されている。
【０００８】
しかし、これまでの可変分散補償器では、ある分散値から異なる分散値へ変化させるまでの応答時間が長かった。すなわち、グレーティングに異なる温度分布を付与した時から、新たな温度分布になるまでの時間、すなわち分散値が安定するまでの時間が長く、応答速度が遅いという問題があった。
【０００９】
また、高出力のヒータを用いて応答速度を上げようとすると所望の温度に留めることが困難であったり、周辺温度が変化してしまうため、グレーティングに安定して温度分布を付与することが困難になる。さらに、消費電力が余分に必要となってしまいコスト高となる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、消費電力の増大を抑制しながら、応答速度の速い可変分散補償器を提供することである。
【００１１】
【発明を解決するための手段】
本発明に係る可変分散補償器は、基板と、
前記基板の上に保持され、入力される所定波長の光信号をブラッグ反射するグレーティングが形成されている光導波路と、
前記基板の上に前記グレーティングに近接して設けられたヒータと、
前記ヒータを制御して前記グレーティングに所定の温度分布を付与する温度制御装置と
を備え、
前記基板の熱伝導率ｋは５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下であり、前記基板の厚みは（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲内にあることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る可変分散補償器、波長可変フィルタについて、添付図面を用いて説明する。なお、図面においては実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１３】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る可変分散補償器について図１の（ａ）と（ｂ）とを用いて説明する。図１の（ａ）は、この可変分散補償器の構成を示す概略図である。また、図１の（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。この可変分散補償器１は、基板４の上にチャープグレーティング２を有する光導波路８が設けられている。また、この可変分散補償器１は、チャープグレーティング２に温度分布を付与するヒータ３１、３２・・・３Ｎと各ヒータ３ｉに電力を供給する複数の第１電極５１ａ、５２ａ・・・５Ｎａと、第２電極５ｂと、ヒータ制御回路６と、基板４の裏面に設けられたヒートスプレッダ９と、ヒートスプレッダ９を介して設けられたペルチェ素子３３と、ヒートスプレッダ９の上面の温度を計測する感温素子２５と、ペルチェ素子３３を制御するペルチェコントローラ２８とを備える。ヒータ３１、３２・・・３Ｎと各ヒータ３ｉに電力を供給する複数の第１電極５１ａ、５２ａ・・・５Ｎａと、第２電極５ｂと、ヒータ制御回路６とによってグレーティング２に温度分布を付与する温度制御装置を構成している。また、感温素子（サーミスタ）２５と、ペルチェ素子とペルチェコントローラ２８とによって、基板４の下面の温度を一定に保持している。つまり環境温度の変化があった場合にもその影響を受けないようにすることができる。また、基板４の下面を一定温度に保持することによって、定常状態に導くことができる。さらに、基板４の上面でのヒータ３によって発生した熱流を基板４の下面で吸収し、グレーティング２に所望の温度分布を付与できる。
【００１４】
さらに、この可変分散補償器１の構成について説明する。光導波路８は、図１の（ｂ）の断面図に示すように、コア１１と該コア１１の周囲を覆うクラッド１２とからなる光ファイバ８である。また、図１の（ａ）に示すように、グレーティングの長手方向に沿ってグレーティングピッチが線形に変化するチャープグレーティング２が形成されている。この光導波路８は、基板４上に配置されている。なお、ここでは光ファイバを用いたが、これに限られず、平面光導波路（ＰＬＣ）であってもよい。また、ヒータ３には窒化タンタルを用いている。基板４には、厚さ０．１ｍｍの石英基板（熱伝導率１．３８Ｗ／（Ｋ・ｍ））を用いている。ヒートスプレッダ９には、窒化アルミ板を用いているが、これに限られず、例えば、アルミナ板、金属板、金箔、セラミック板等を用いてもよい。また、ヒートスプレッダ９は必ずしも必要ではないが、基板の裏面の温度を一定にするために用いてもよい。感温素子（サーミスタ）２５は、ヒートスプレッダ９の上面又は基板４の下面に配置するのがよい。なお、ヒートスプレッダを用いない場合は、ペルチエ素子３３の上面に配置してもよい。
【００１５】
また、この可変分散補償器１では、基板４の熱伝導率ｋを５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下とし、厚さｄを（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲としている。すなわち、下記式（１）を満たす範囲としている。
【数１】
（０．０１８×ｋ）≦ｄ≦（０．４６×ｋ）      （１）
【００１６】
上記のように基板の厚さｄを（０．４６×ｋ）ｍｍ以下に制限したことにより、ヒータ加熱によってグレーティング２が所定温度に到達するまでの時間が短縮される。そのため、温度分布（分散）を変化させた時から安定するまでの時間、すなわち応答速度が８秒以下と速いことを特徴とする。また、基板厚さｄを（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上に制限したことにより、消費電力を抑制できる。すなわち、基板の表面と裏面との間の温度差が一定であっても基板厚さが薄くなるにつれて基板厚さ方向の温度勾配は大きくなる。そのため定常状態とする場合に、基板の表面から裏面への熱流は、基板の厚さに反比例して薄いほど熱流、即ちヒータ電力が大きくなる。同様に該熱流を吸収するためのペルチェ素子を駆動する電力も大きくなる。そこで、基板の厚さを上記（０．０１８×ｋ）ｍｍ以下とすることによって、消費電力をおよそ１０Ｗ以下とすることができる。
【００１７】
次に、この可変分散補償器による分散の制御方法について説明する。また、この温度制御装置の動作は、以下の手順で行われる。
（１）まず、ヒータ３１、３２・・・３Ｎのそれぞれを制御しながら所定の電力を加えてグレーティング２を加熱する。
（２）ヒートスプレッダ９の上面に設けられた感温素子２５で環境温度変化ΔＴを検出した場合には、温度変化ΔＴをペルチェコントローラ２８に伝える。
（３）ペルチェコントローラ２８で、ヒートスプレッダ９の上面（基板下面）の温度を所定温度に制御するようにペルチェ素子３３へ制御信号を伝達する。
（４）ペルテイエ素子３３によって、ヒートスプレッダ９を冷却、または加熱し、一定温度に保持する。これによって所定の定常状態に保持できる。
【００１８】
（５）グレーティング２に所定の温度分布が付与される。この場合、グレーティング２の中心温度が一定であって温度分布が異なる温度分布を付与することによって中心波長を一定にすることができる。一方、グレーティング２の中心温度を変化させた温度分布を付与することによって中心波長を変化させることができる。
（６）分散を有する光がグレーティング２に入力され、グレーティング２によって分散補償された光が出力される。
以上によって、この可変分散補償器によって入力光の分散を補償することができる。また、入力光の分散が変化した場合や、入力光に異なる分散を付与する場合には、ヒータ３によってグレーティング２に付与する温度分布を変化させる。この場合に、基板４の熱伝導率ｋを５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下とし、厚さｄを（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲とすることによって、応答速度が８秒以下であって、消費電力が１０Ｗ以下とすることができる。
【００１９】
次に、この可変分散補償器の応答速度の測定について、図２と図３とを用いて説明する。図２は、温度分布ａと温度分布ｂのそれぞれの群遅延特性を示す図である。図３は、温度分布を温度分布ａから温度分布ｂへ変化させた場合の波長λ１における群遅延時間変動を示す図である。まず、グレーティングの温度分布を温度分布ａから温度分布ｂへと変化させて、グレーティングの分散値を分散値ａから分散値ｂに変える時を想定する。ここで応答速度とは、グレーティング２が温度分布ａである状態からヒータ３に温度分布ｂの信号を与えた時から温度分布ｂの状態が安定するまで、即ち、分散値ｂの状態で安定するまでの時間として規定する。また、「分散値ｂで安定する」とは、分散値が分散値ｂ±５ｐｓ／ｎｍの範囲になる時点とする。なお、分散値ｂ±５ｐｓ／ｎｍ以内の変動は、光信号特性のアイ開口ペナルティにおいて約±０．１ｄＢの変動に相当する。
【００２０】
ここで、温度分布ａの時の分散値Ｄａと、温度分布ｂの時の分散値Ｄｂとは、それぞれ下記式（２）、式（３）で表される。
Ｄａ＝（Ｔａ−Ｔｃ）／（λｃ−λ１）            （２）
Ｄｂ＝（Ｔｂ−Ｔｃ）／（λｃ−λ１）            （３）
また、分散値ＤａとＤｂとの差ΔＤは、下記式（４）で表される。
ΔＤ＝Ｄｂ−Ｄａ＝（Ｔｂ−Ｔａ）／（λｃ−λ１）
ΔＤ＝ΔＴ／Δλ            ・・・（４）
となる。
【００２１】
また、応答速度は、ある波長λ１での群遅延時間の変動をモニタして測定できる。そのモニタ例を図３に示す。ここで、Ｄｂの変動が±５ｐｓ／ｎｍ以内に相当する群遅延時間変動は、図２でのΔλが今回の測定では０．３ｎｍであるため、式（４）より、±１．５ｐｓとなる。そこで、応答速度は、図３のＲｔで示される時間として測定される。
【００２２】
次に、この可変分散補償器において、基板厚さｄに関する検討について、図４から図７を用いて説明する。図４は、石英基板（熱伝導率１．３８Ｗ／（Ｋ・ｍ））を用いた場合の基板厚さと応答時間との関係を示す図である。図５は、基板厚さと消費電力の関係を示す図である。図６は、異なる熱伝導率を持つ基板の厚さと消費電力の関係を示す図である。図７は、基板厚さ／熱伝導率の比と応答速度との関係を示す図である。ここで、可変分散補償器の基板厚を０．０２ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍと変化させているが、それ以外の構成についてはそれぞれ実質的に同じである。また、合計の消費電力は、ヒータ電力＋ペルチェ電力で表される。さらに、応答時間は、温度分布を＋５０℃から−５０℃、または−５０℃から＋５０℃に変えた場合の最大の時間をプロットしている。
【００２３】
図４に示すように、基板が薄くなるほど応答時間は速くなり、厚くなるほど応答時間は遅くなる。また、図５及び図６に示すように、合計の消費電力は基板が厚くなるとほとんど変わらないが、薄くなるにつれて消費電力は急激に増加する。一方、基板の熱伝導率が低いほど消費電力が急激に増加する基板厚さが薄くなり、熱伝導率が高いほど消費電力の急激に増加する基板厚さが厚くなる。さらに、図７に示すように基板厚さｄ／熱伝導率ｋの比は応答速度と正の相関関係を有している。以上の関係から、基板厚さｄを（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上とすることによって消費電力を１０Ｗ以下とすることができる。また基板厚さｄを（０．４６×ｋ）ｍｍ以下とすることによって、応答速度を８秒以下とすることができる。なお、ここでは熱伝導率１．３８Ｗ／（Ｋ・ｍ）の石英基板を用いたが、熱伝導率５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下の基板を用いれば同様の効果が得られる。また、熱伝導率５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以上の基板を用いると熱容量が小さくなるため、消費電力が高くなってしまう。
【００２４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る可変分散補償器について説明する。この可変分散補償器は、ヒータ３１、３２、・・・３Ｎによって温度分布を変化させるとともに中心温度（中心波長）を一定にし、ペルチェ素子３３によって基板の下面温度を一定にして、グレーティング２に温度分布を付与することを特徴とする。この場合には、ペルチェ素子３３は環境温度の変化を相殺するためにのみ用いられる。ペルチェ素子３３によって中心温度を一定に保つ場合に比べて応答速度が速くなる。
【００２５】
この可変分散補償器による応答速度の向上について、図８を用いて説明する。図８は、参考例と本発明の群遅延時間変動を比較した図である。参考例は、ヒータによって温度分布を変化させ、ペルチェ素子によって中心温度（中心波長）を一定にして、グレーティングに異なる温度分布を付与する場合である。また、本発明は、ヒータによって温度分布を変化させるとともに中心温度を一定にし、ペルチェ素子によって基板下面温度を一定にして、グレーティングに温度分布を付与する場合である。ここでは厚さ１ｍｍの石英基板を用いている。図８に示すように、この可変分散補償器によれば応答速度が大きく向上している。
【００２６】
なお、ペルチェ素子を用いることなくヒータ３１、３２、・・・３Ｎのみによって中心温度（中心波長）を一定にすることも可能である。この場合には、ヒータだけではペルチェ素子のように冷却機能を持たないので、温度分布の最低温度を周辺環境温度以上に設定する必要がある。このためペルチェ素子を使用する場合よりも全体の設定温度は高くなる。
【００２７】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る波長可変フィルタについて図９から図１１を用いて説明する。この波長可変フィルタは、実施の形態１に係る可変分散補償器と比較すると、チャープグレーティングではなく、ピッチが均一なユニフォームグレーティングを用いている点で相違する。また、複数のヒータではなく、一つのヒータを用いている点においても相違する。この波長可変フィルタでは、図９のようにグレーティングに与える温度分布を温度分布ａから温度分布ｂに変化させることで、図１０に示すように中心波長を変えることができる。上記実施の形態１及び２と同様に、基板の熱伝導率ｋを５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下、基板の厚さを（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲とすることによって、中心波長を変化させる場合の応答速度も高速化できる。これにより高速応答の波長可変フィルタを実現できる。
【００２８】
なお、温度分布ａから温度分布ｂへの応答速度の測定は、図１１に示すように波長λ１における群遅延時間がＴａからＴｂに到達するまでの時間として計測できる。
【００２９】
また、実施の形態１と同様に、チャープグレーティングと、複数のヒータを用いて構成してもよい。この場合にもグレーティングに付与する温度分布を変えずにグレーティング全体の温度を一様に変化させることにより中心波長の異なるフィルタとすることができる。すなわち、全体の温度を一様に増加又は減少させることでフィルタの帯域をシフトさせることができる。なおこの場合にも、基板４の熱伝導率と厚さとを実施の形態１と同様に設定することにより高速応答させることができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係る可変分散補償器によれば、基板の上にグレーティングに近接して設けられたヒータと、該ヒータを制御してグレーティングに所定の温度分布を付与する温度制御装置とを備えている。さらに、基板の熱伝導率ｋは５Ｗ／（Ｋ・ｍ）以下であり、該基板の厚みは（０．０１８×ｋ）ｍｍ以上であって、（０．４６×ｋ）ｍｍ以下の範囲内にある。これによって消費電力を１０Ｗ以下に抑制するとともに、温度分布を変化させた場合の応答速度を８秒以内とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る可変分散補償器の構成を示す概略図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る可変分散補償器の応答速度を説明する概略図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る可変分散補償器の応答速度を測定するためにモニタした群遅延時間変動の概略図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る可変分散補償器の基板厚と応答速度との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る可変分散補償器の基板厚と消費電力の関係を示す図である。
【図６】異なる熱伝導率を持つ基板の厚さと消費電力の関係を示す図である。
【図７】基板厚／熱伝導率の比と応答速度との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る可変分散補償器の応答速度を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態３に係る波長可変フィルタのグレーティングに付与される異なる２つの温度分布を説明する概略図である。
【図１０】図９の温度分布ａから温度分布ｂに変化させた場合の波長に対する損失の変化を示す図である。
【図１１】図９の温度分布ａから温度分布ｂに変化させた場合の群遅延時間の変化を示す図である。
【符号の説明】
Ｄａ  温度分布ａの時の分散値、Ｄｂ  温度分布ｂの時の分散値、λ１  応答速度測定波長、λｃ  中心波長、Δλ  λｃ−λ１、Ｔａ  温度分布ａの時のλ１での群遅延時間、Ｔｂ  温度分布ｂの時のλ１での群遅延時間、Ｔｃ  中心波長での群遅延時間、ΔＴ  Ｔｂ−Ｔａ、  １  可変分散補償器、２  チャープグレーティング、３  ヒータ、４  基板、５  電極、６  ヒータ制御回路、７  インターフェース回路、８  光ファイバ、９  ヒートスプレッダ板、１１  コア、１２  クラッド、３３  ペルチェ素子、２５  サーミスタ（感温素子）、２８  ペルチェコントローラ
【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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