(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッドに埋め込まれたコアの物理的寸法を変えることによりコアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化する光導波路を反射型の波長分散補償手段として有し、
前記光導波路は、分散補償する波長領域が複数のチャンネルに区切られ、
各チャンネルの波長領域のうちの部分的領域のみで分散が補償される分散補償特性を有しており、
分散が補償される前記部分的領域以外の前記チャンネルの波長領域では波長に対する群遅延の分布が平坦であることを特徴とする光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項２】
前記チャンネルの波長領域は、分散が補償される前記部分的領域以外の波長領域の、波長に対する群遅延の分布及び反射率の分布が、それと近接した分散補償を行う前記部分的領域の群遅延の分布及び反射率の分布とそれぞれ連続し、且つこの近接した分散補償を行う部分的領域から最も離れた波長で前記各分布が隣接するチャンネルの各分布と不連続となる分布構造を有することを特徴とする請求項１に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項３】
前記コアの幅が光伝搬方向にわたって不均一に分布していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項４】
前記コアの幅が、コア中心から幅方向両側が対称となるように光伝搬方向にわたって不均一に分布していることを特徴とする請求項３に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項５】
前記コアの幅が、コア中心から幅方向両側が非対称となるように光伝搬方向にわたって不均一に分布していることを特徴とする請求項３に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項６】
前記コアの幅が、コア中心から幅方向両側のうち一方の側のみが光伝搬方向にわたって不均一に分布していることを特徴とする請求項３に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項７】
前記コアが、前記光導波路内に直線状に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項８】
前記コアが、前記光導波路内に蛇行状に設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項９】
前記コアの幅が、光伝搬方向の中央部に幅変化の小さい分布領域があり、該中央部の両側に幅変化が中央部よりも大きな幅変化極大部を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１０】
前記光導波路の透過端が無反射終端で終端され、反射端でサーキュレータ又は方向性結合器を介して出力を取り出すように構成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１１】
前記光導波路は、所定の波長帯域において、所定の長さの被補償光ファイバの波長分散を打ち消す分散補償特性を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１２】
前記光導波路は、中心波長λｃが１２８０ｎｍ≦λｃ≦１３２０ｎｍ及び１４９０ｎｍ≦λｃ≦１６１３ｎｍの範囲、動作帯域ΔＢＷが０．１ｎｍ≦ΔＢＷ≦６０ｎｍの範囲において、分散Ｄが−３０００ｐｓ／ｎｍ≦Ｄ≦３０００ｐｓ／ｎｍの範囲、分散に対する分散スロープの比ＲＤＳが−０．１ｎｍ−１≦ＲＤＳ≦０．１ｎｍ−１の範囲の特性を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１３】
前記光導波路の光伝搬方向にわたるコアの等価屈折率分布が、Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式において、反射係数のスペクトルデータからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを推測する設計法で設計されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１４】
前記光導波路の光伝搬方向にわたるコアの等価屈折率分布が、光導波路の前方及び後方に伝搬する電力波振幅なる変数を導入した波動方程式より、光導波路の等価屈折率の対数の微分から導かれるポテンシャルを有するＺａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式に帰着させ、反射係数のスペクトルデータからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを推測し、それに基づいて等価屈折率を求め、予め求められた、所定のコアの厚さとコア-クラッド間の比屈折率差を持ったコアにおける等価屈折率とコア寸法との関係から、光導波路の光伝搬方向にわたるコア寸法を算出して設計されることを特徴とする請求項１３に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１５】
前記光導波路の光伝搬方向にわたるコアの等価屈折率分布は、分散補償する帯域の中心波長のスケールではほぼ周期構造であり、中心波長より大きいスケールでは、前記逆散乱問題で決まる非周期構造の二階層構造を有することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光導波路型波長分散補償デバイス。
【請求項１６】
光導波路の下クラッド層を設け、
次いで、前記下クラッド層上に、下クラッド層よりも屈折率の大きいコア層を設け、
次いで、前記コア層に、コアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化するように設計された所定のコア形状を残し、それ以外の部分を除去する加工を施してコアを形成し、
次いで、前記コアを覆うクラッドを設けることによって光導波路を製造し、請求項１〜１５のいずれかに記載の光導波路型波長分散補償デバイスを製造することを特徴とする光導波路型波長分散補償デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの波長分散を補償する小型の光導波路型波長分散補償デバイスに関する。このデバイスは、光ファイバ通信網などに使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、高密度波長多重（ＤＷＤＭ：Dense Wavelength-Division Multiplexing）伝送の広帯域化・高速化が急速に進められている。高速伝送を行うためには、これらの伝送線路として、伝送帯域で波長分散ができるだけ小さく、一方で非線形効果を抑制するために波長分散が零にはならない光ファイバを用いることが望ましい。また、既に広範囲に敷設されている光ファイバにおいて、分散が大きい波長領域で使われることが多い。例えば、波長１．３μｍ付近で零分散を有する標準シングルモードファイバ（Ｓ−ＳＭＦ：Standard Single-Mode Fiber）は、エルビウム添加光ファイバ増幅器が実用化されたことにより、波長１．５３〜１．６３μｍ帯で使われる。また、零分散を波長１．５５μｍ付近にシフトさせた分散シフトファイバ（ＤＳＦ：Dispersion Shifted Fiber）は、Ｃバンドだけでなく、ＳバンドやＬバンドで使われることがある。その他、波長１．５５μｍでゼロ分散にならない各種ノンゼロ分散シフトファイバ（ＮＺ−ＤＳＦ：Non-Zero Dispersion Shifted Fiber）がある。これらの光ファイバをＤＷＤＭで使用する場合、広い波長範囲にわたる残留分散の補償技術が重要である。
【０００３】
分散補償には、様々な技術が用いられている。その中でも、分散補償ファイバ（ＤＣＦ：Dispersion Compensation Fiber）を用いる分散補償が最も実用化された技術である（例えば、特許文献１、２参照。）。ＤＣＦは、所望の分散補償量が得られるように光ファイバの屈折率分布を制御することで実現される。しかし、ＤＦＣは通常、補償の対象となる光ファイバと同程度の長さが必要であり、これをモジュール化した場合、大きな設置スペースが必要となるだけでなく、伝搬損失も無視できなくなる。また、ＤＣＦには正確な屈折率分布の制御が必要であり、作製が難しいという面があるだけでなく、広帯域で要求される分散補償量を満たすことが困難になることも多い。
【０００４】
ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）もよく分散補償に用いられる技術の一つである（例えば、特許文献３参照。）。ＦＢＧは、ファイバにＵＶ光を照射することにより、ファイバコアの屈折率を変化させ、屈折率が異なることによるグレーティングを形成させることで分散補償を行う。これにより分散補償用の小型デバイスが実現可能となるが、屈折率変化の制御が難しく、さらにファイバの屈折率の変化に限度があるため、実現できる分散補償特性に限界がある。また、デバイスの小型化と大量生産にも限界がある。
【０００５】
分散補償を行う領域をチャンネル毎に分けて、各々のチャンネル内で分散補償を行うチャープしたＦＢＧを一箇所に重ね合わせる構造も提案されている（例えば、特許文献４参照。）。これを用いることにより、必要となるファイバの長さが短くなるが、この従来技術では、単に複数のＦＢＧを重ね合わせるように設計されているため、各チャンネルの構造が接近し、各々のチャンネル特性に影響を及ぼすため、実現できる特性に限界がある。また、ＦＢＧを重ね合わせるために要求される屈折率の変化は、ＵＶ照射で得られないため、実現できない構造も生じる。
【０００６】
光平面回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）は、平面に構築される光回路を用いて、分散補償を行うことができる。ラティス型ＰＬＣはその一例である（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、ラティス型ＰＬＣは、結合共振器をカスケード接続して分散を制御しており、デジタルＩＩＲ（Infinite Impulse Response）フィルターの原理に基づいているため、実現する分散量が限られている。
【０００７】
アレイ導波路格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）で分波し、チャンネルごとに行路差を付け、遅延時間を調整した後にコリメートレンズで再び合波する仕組みも考えられているが（例えば、特許文献５参照。）、構造が複雑で作製が難しいだけでなく、必要とするスペースが大きい。
【０００８】
ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）型分散補償器は、薄板の両面に反射膜をコーティングした波長分散素子（ＶＩＰＡ板）、及び反射ミラーにより構成された分散補償デバイスである（例えば、特許文献６参照。）。このデバイスは、３次元の構造で分散を調整しており、構造的に複雑であり、製造上極めて高い精度が要求される。
【特許文献１】特許第３８５７２１１号公報
【特許文献２】特許第３８１９２６４号公報
【特許文献３】特開２００４−３２５５４９号公報
【特許文献４】ＷＯ０３／０１０５８６号パンフレット
【非特許文献１】K. Takiguchi, et. al, “Dispersion slope equalizer for dispersion shifted fiber using a lattice-form programmable optical filter on a planar lightwave circuit,” J. Lightwave Technol., pp. 1647-1656, vol. 16, no. 9, 1998
【特許文献５】特許第３８５２４０９号公報
【特許文献６】特開２００５−２７５１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前述した従来技術における問題点は、次の通りである。
（１）ＤＣＦを用いる分散補償は、長尺ファイバの使用で必要スペースが大きく、小型化が困難である。また実現できる分散補償特性に限界がある。
（２）ＦＢＧを用いる分散補償は、実現できる分散補償特性に限界がある。
（３）ＦＢＧの重ね合わせを用いる分散補償は、実現できる分散補償特性に限界がある。
（４）ラティス型ＰＬＣを用いる分散補償は、実現可能な分散補償量が小さい。
（５）ＡＷＧ使用ＰＬＣは、構造が複雑であり、製造が難しく、コストが高くなってしまう。また、要求スペースが大きく、デバイスの小型化が困難である。
（６）ＶＩＰＡ型分散補償器は、構造が複雑であり、製造が難しく、コストが高くなってしまう。
【００１０】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、小型化でき、優れた分散補償特性を有し、製造が容易で低コスト化が可能な光導波路型波長分散補償デバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は、クラッドに埋め込まれたコアの物理的寸法を変えることによりコアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化する光導波路を反射型の波長分散補償手段として有し、前記光導波路は、分散補償する波長領域が複数のチャンネルに区切られ、各チャンネルの波長領域のうちの部分的領域のみで分散が補償される分散補償特性を有しており、分散が補償される前記部分的領域以外の前記チャンネルの波長領域では波長に対する群遅延の分布が平坦であることを特徴とする光導波路型波長分散補償デバイスを提供する。
【００１３】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記チャンネルの波長領域は、分散が補償される前記部分的領域以外の波長領域の、波長に対する群遅延の分布及び反射率の分布が、それと近接した分散補償を行う前記部分的領域の群遅延の分布及び反射率の分布とそれぞれ連続し、且つこの近接した分散補償を行う部分的領域から最も離れた波長で前記各分布が隣接するチャンネルの各分布と不連続となる分布構造を有することが好ましい。
【００１４】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアの幅が光伝搬方向にわたって不均一に分布していることが好ましい。
【００１５】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアの幅が、コア中心から幅方向両側が対称となるように光伝搬方向にわたって不均一に分布していることが好ましい。
【００１６】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアの幅が、コア中心から幅方向両側が非対称となるように光伝搬方向にわたって不均一に分布した構成としてもよい。
【００１７】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアの幅が、コア中心から幅方向両側のうち一方の側のみが光伝搬方向にわたって不均一に分布した構成としてもよい。
【００１８】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアが、前記光導波路内に直線状に設けられていることが好ましい。
【００１９】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアが、前記光導波路内に蛇行状に設けられた構成としてもよい。
【００２０】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記コアの幅が、光伝搬方向の中央部に幅変化の小さい分布領域があり、該中央部の両側に幅変化が中央部よりも大きな幅変化極大部を有することが好ましい。
【００２１】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記光導波路の透過端が無反射終端で終端され、反射端でサーキュレータ又は方向性結合器を介して出力を取り出すように構成されたことが好ましい。
【００２２】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記光導波路は、所定の波長帯域において、所定の長さの被補償光ファイバの波長分散を打ち消す分散補償特性を有することが好ましい。
【００２３】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記光導波路は、中心波長λｃが１２８０ｎｍ≦λｃ≦１３２０ｎｍ及び１４９０ｎｍ≦λｃ≦１６１３ｎｍの範囲、動作帯域ΔＢＷが０．１ｎｍ≦ΔＢＷ≦６０ｎｍの範囲において、分散Ｄが−３０００ｐｓ／ｎｍ≦Ｄ≦３０００ｐｓ／ｎｍの範囲、分散に対する分散スロープの比ＲＤＳが−０．１ｎｍ−１≦ＲＤＳ≦０．１ｎｍ−１の範囲の特性を有することが好ましい。
【００２４】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記光導波路の光伝搬方向にわたるコアの等価屈折率分布が、Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式において、反射係数のスペクトルデータからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを推測する設計法で設計されることが好ましい。
【００２５】
前記光導波路の光伝搬方向にわたるコアの等価屈折率分布は、光導波路の前方及び後方に伝搬する電力波振幅なる変数を導入した波動方程式より、光導波路の等価屈折率の対数の微分から導かれるポテンシャルを有するＺａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式に帰着させ、反射係数のスペクトルデータからポテンシャル関数を数値的に導く逆散乱問題として解き、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを推測し、それに基づいて等価屈折率を求め、予め求められた、所定のコアの厚さとコア-クラッド間の比屈折率差を持ったコアにおける等価屈折率とコア寸法との関係から、光導波路の光伝搬方向にわたるコア寸法を算出して設計されることが好ましい。
【００２６】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスにおいて、前記光導波路の光伝搬方向にわたるコアの等価屈折率分布は、分散補償する帯域の中心波長のスケールではほぼ周期構造であり、中心波長より大きいスケールでは、前記逆散乱問題で決まる非周期構造の二階層構造を有することが好ましい。
【００２７】
また本発明は、光導波路の下クラッド層を設け、
次いで、前記下クラッド層上に、下クラッド層よりも屈折率の大きいコア層を設け、
次いで、前記コア層に、コアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化するように設計された所定のコア形状を残し、それ以外の部分を除去する加工を施してコアを形成し、
次いで、前記コアを覆うクラッドを設けることによって光導波路を製造し、前述した本発明に係る光導波路型波長分散補償デバイスを製造することを特徴とする光導波路型波長分散補償デバイスの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスは、クラッドに埋め込まれたコアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化する光導波路を反射型の波長分散補償手段として有し、する構成なので、分散補償ファイバ等を用いる従来技術に比べて小型化することができ、設置スペースが少なくて済む。
また本発明の光導波路型波長分散補償デバイスは、従来のＦＢＧを用いた分散補償に比べ、実現できる分散補償特性が広くなるなど、優れた分散補償特性を得ることができる。
また本発明の光導波路型波長分散補償デバイスは、ＰＬＣやＶＩＰＡ等の従来の分散補償デバイスに比べ、構造が簡単で低コストで製造することができる。
また本発明の光導波路型波長分散補償デバイスは、分散補償する波長領域が複数のチャンネルに区切られ、各チャンネルの波長領域のうちの部分的領域のみで分散が補償される分散補償特性を有しているものなので、必要になる最大遅延量を短くすることができ、必要な光導波路の長さが短かくなり、デバイスが小型化できるとともに、光導波路の伝送損失を低くすることができる。
【００２９】
本発明の光導波路型波長分散補償デバイスの製造方法によれば、前述したように優れた分散補償特性を有する小型の分散補償デバイスを、低コストで効率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の分散補償デバイスは、クラッドに埋め込まれたコアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化する光導波路を反射型の波長分散補償手段として有し、この光導波路は、分散補償する波長領域が複数のチャンネルに区切られ、各チャンネルの波長領域のうちの部分的領域のみで分散が補償される分散補償特性を有していることを特徴としている。
【００３１】
以下、図面を参照して本発明の光導波路型波長分散補償デバイス（以下、分散補償デバイスと略記する。）の実施形態を説明する。
図１は、本発明の分散補償デバイスの主な構成要素である光導波路の一実施形態を示す概略斜視図である。本実施形態の光導波路は、コアの等価屈折率を光伝搬方向にわたって不均一に変化させる手段として、コアの幅ｗを長手方向（ｚ）にわたって変化させた非均一幅をもつ平面導波路（Non-uniform Planar WaveGuide；以下、ＮＰＷＧと記す。）である。図１中、符号１０はＮＰＷＧ、１１はコア、１２はクラッドである。
【００３２】
本実施形態のＮＰＷＧ１０は、クラッド１２中に、コア１１を有する構造である。コア１１は、一定の高さｈ３を有するが、その幅ｗは長手方向（ｚ）方向にわたって不均一に変化させ、導波路の伝搬モードの局所等価屈折率を変化させており、これによって反射型の波長分散補償機能を持たせている。
【００３３】
このＮＰＷＧ１０の動作原理は、ＦＢＧのグレーティングと一見類似しているところもあるが、等価屈折率の変化に関し、ＦＢＧではコア媒質の屈折率を変化させるのに対して、本実施形態のＮＰＷＧ１０では、コア１１の幅を長手方向に沿って変化させることで等価屈折率を変化させており、等価屈折率の変化に関して両者は全く相違している。
コア１１の幅を長手方向に沿って変化させることで得られる等価屈折率の変動率は、ＦＢＧの場合に比べて大きい上、細かく正確な制御が容易である。
また、ＮＰＷＧ１０の構造は、平面的となっているため、周知の製造プロセスで大量に製造することができ、低コスト化を図ることができる。
【００３４】
このＮＰＷＧ１０は、石英ガラス系材料を用いることができる。その場合、例えば、クラッドを純石英ガラスで作製し、コアはゲルマニウム添加石英ガラスを用いればよい。また樹脂系材料の使用も可能である。
【００３５】
このＮＰＷＧ１０を用いた分散補償デバイスにおいて、図２に示すように、分散補償の対象とする帯域を複数のチャンネルに区分し、それぞれのチャンネルごとに分散補償を行うこともできる。図２（Ａ）は、ＮＰＷＧ１０の群遅延（Group delay）特性を示すグラフであり、また（Ｂ）は、コア１１における光の波長と反射との関係を模式的に示す図である。
【００３６】
光ファイバの波長分散を補償する場合、要求される分散特性は単調変化することが多い。その結果、補償する帯域が広くなればなるほど、帯域内で絶対遅延量（図２中のτｍａｘ−τｍｉｎ）が高くなる。ＮＰＷＧは図示のように、遅延が早い波長帯（図２中のλ１）の信号をデバイスの手前で反射させ、遅延が遅い波長帯（図２中のλｎ）の信号をデバイスの奥で反射させるように動作するので、絶対遅延量が高い場合、必要とするデバイスの長さが長くなる。つまり、必要とするデバイスの長さＬは、おおよそ次式（Ａ）で見積もることができる。
【００３７】
【数１】
0005193585.tif 000002
【００３８】
ただし、ｃは光速、ｎｅｆｆは導波路の等価屈折率、τｍａｘとτｍｉｎはそれぞれ最大遅延量と最小遅延量を表す。
【００３９】
本発明は、図３に示すように、区分けされたチャンネル全体（例えば、図中の［λ１〜λ２］）で分散補償を行うのではなく、図４に示すように、補償対象のチャンネルが本当に使用する波長領域（例えば、図４中の［λ'１〜λ'２］）のみを補償することを特徴としている。図３に示すように、チャンネル全体［λ１〜λ２］で分散を補償するよりも、図４に示すように、その一部［λ'１〜λ'２］のみを補償するようにすれば、必要になるデバイス内最大遅延量を［τｍａｘ〜τｍｉｎ］の範囲から［τ'ｍａｘ〜τ'ｍｉｎ］の範囲へと短くすることができ、より短いデバイスが実現できる。
【００４０】
実際、補償帯域外（図４中の［λ１〜λ'１］や［λ２〜λ'２］）では、群遅延がτ'ｍａｘとτ'ｍｉｎの範囲を超えないようにすればよいが、境界λ'１とλ'２での反射スペクトルが不連続になると、補償帯域内［λ'１〜λ'２］でも不連続性の影響で特性に乱れが生じる。そこで、本発明では、図５に示すように、補償帯域外における群遅延が平坦で、補償帯域の境界λ'１とλ'２で連続となるようにした。そうすることにより、不連続が実使用帯域に与える影響を抑えることができる。
【００４１】
デバイスの設計は、所望の反射スペクトルから必要な幅分布を得る逆散乱問題の手法を用いる。
まず、導波路に伝搬する電磁界を次のように定式化する（参考文献：J. E. Sipe, L. Poladian, and C. Martijn de Sterke, “Propagation through nonuniform grating structures,” J. Opt. Soc. Am. A, vol. 11, no. 4, pp. 1307-1320, 1994）。電磁界の時間変動をｅｘｐ（−ｉωｔ）と仮定すると、Ｍａｘｗｅｌｌ方程式により、次式（１）、（２）となる。
【００４２】
【数２】
0005193585.tif 000003
【００４３】
【数３】
0005193585.tif 000004
【００４４】
ただし、Ｅ，Ｈはそれぞれ電界と磁界の複素振幅を表し、ｎは導波路の屈折率を表す。ここで、次式（３），（４）
【００４５】
【数４】
0005193585.tif 000005
【００４６】
【数５】
0005193585.tif 000006
【００４７】
で定義されるｚの前方に伝搬する電力波振幅Ａ＋（ｚ）と後方に伝搬する電力波振幅Ａ−（ｚ）を導入する。ただし、Ｚ０＝√μ０／ε０は真空中のインピーダンスを表し、ｎ０は参照屈折率を表す。これらの変数は次式（５），（６）を満たす：
【００４８】
【数６】
0005193585.tif 000007
【００４９】
【数７】
0005193585.tif 000008
【００５０】
ただし、ｃは真空中の光速を表す。この式は、次式（７）
【００５１】
【数８】
0005193585.tif 000009
【００５２】
で変数変換を行うと、次式（８）、（９）に示すＺａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式に帰着される：
【００５３】
【数９】
0005193585.tif 000010
【００５４】
【数１０】
0005193585.tif 000011
【００５５】
ただし、ω０は参照角周波数を表す。
Ｚａｋｈａｒｏｖ−Ｓｈａｂａｔ方程式は、逆散乱問題として解くことができる。すなわち、次式（１０）
【００５６】
【数１１】
0005193585.tif 000012
【００５７】
で定義される反射係数のスペクトルデータから、ポテンシャル関数u(x)を数値的に解くことができる（参考文献：P. V. Frangos and D. L. Jaggard, “A numerical solution to the Zakharov-Shabat inverse scattering problem,” IEEE Trans. Antennas and Propag., vol. 39, no. 1, pp. 74-79, 1991）。これを前記問題に当てはめると、所望の反射スペクトルを実現するためのポテンシャルを求めることができる。ここで、反射スペクトルとは、波長に対する群遅延量と反射率から得られる複素反射データをいう。さらに、不均一とは、物理寸法が導波路の進行方向の場所とともに変化していることをいう。
ポテンシャルu(x)が得られれば、局所等価屈折率n(x)は、次式（１１）のように求められる。
【００５８】
【数１２】
0005193585.tif 000013
【００５９】
さらに、実際作製しようとする導波路におけるコアの厚み、コアの屈折率、およびクラッドの屈折率から求められる、コアの幅に対する等価屈折率との関係から、光の伝搬方向の所定の位置におけるコア幅ｗ（ｘ）を求めることができる。
【００６０】
被補償ファイバの使用波長と使用帯域及び使用長さを考慮し、被補償ファイバの分散と逆になるように（分散補償できるように）スペクトルデータを作成し、前記設計手法を用いて逆問題を解き、光平面導波路を作成すれば、小型分散補償デバイスが実現される。
【００６１】
そして、被補償光ファイバの使用波長と使用帯域及び使用長さを考慮し、被補償光ファイバの分散と逆になるように（分散補償できるように）スペクトルデータを作成し、前記設計手法を用いて逆問題を解き、ＮＰＷＧ１０を作製すれば、小型で高性能の分散補償デバイスが実現される。
本発明で特徴的なことは、所望する分散補償デバイスが示す反射スペクトルを分散補償が必要な波長帯域（チャネル）に分け、その各々の波長帯域内でのみ必要な補償群遅延を示すように設定することである。さらに、上記分散補償が必要ではない波長帯域において、少なくとも分散補償が必要な波長帯域に連続する所定の波長帯域では、波長に対する群遅延が一定となるように反射スペクトルを設定する。なお、この波長に対する群遅延の一定値は、分散補償が必要な波長帯域であって、この分散補償が必要でない波長帯域と連続する帯域の境界値と同一にすることが好ましい。さらに、上記所定の波長帯域よりを超えた波長において、波長に対する群遅延が不連続となるように反射スペクトルを設定する。
【００６２】
前記実施形態では、クラッド１１中に、高さ（厚さ）が一定で幅が長手方向にわたって不均一に変化するコア１１が埋設された構造のＮＰＷＧ１０を例示したが、本発明に用いる光導波路は本例示にのみ限定されず、種々の変更が可能である。
例えば、コア１１の幅分布は、図６（Ａ）に示すように、コア１１中心から幅方向両側が対称となるように光伝搬方向にわたって不均一に分布している構造の他、図６（Ｂ）に示すように、コア１１中心から幅方向両側が非対称となるように光伝搬方向にわたって不均一に分布している構造であってもよい。
また、コア１１は、図１に示すように、ＮＰＷＧ１０の長手方向（ｚ）に沿って直線状に設ける構造の他、図７に示すように、蛇行状にコア１１を設ける構造としてもよい。このように蛇行状にコア１１を設けた構造とすることで、ＮＰＷＧ１０をより小型化することが可能となる。
【００６３】
図８は、本発明の分散補償デバイスの一実施形態を示す構成図である。本実施形態の分散補償デバイス２０は、前述したＮＰＷＧ１０と、その反射端１３側に接続されたサーキュレータ１５とを備えて構成され、またＮＰＷＧ１０の透過端１４は無反射終端１６になっている。サーキュレータ１５には、入力側（input）に図示していない被補償光ファイバが接続され、出力側（output）にも下流側の光ファイバが接続され、光伝送路内で使用される。本発明の分散補償デバイス２０は反射型デバイスであり、被補償光ファイバからサーキュレータ１５の入力側に入力された光信号は、ＮＰＷＧ１０に入って反射され、その反射波がサーキュレータ１５を介して出力されるようになっている。
【００６４】
この分散補償デバイス２０のＮＰＷＧ１０は、前述したように、被補償光ファイバの波長分散を補償できるような反射率特性を有しているので、被補償光ファイバから出力された光信号がＮＰＷＧ１０で反射される際に、その光信号の波長分散が補正されて出力される。そして、分散補償デバイス２０から出力された光信号は、サーキュレータ１５の出力側に接続された下流側の光ファイバに入力され、このファイバ内を伝搬する。
【００６５】
本発明の分散補償デバイス２０の主要構成要素であるＮＰＷＧ１０は、例えば、次のように製造される。
（ａ）まず、ＮＰＷＧ１０の下クラッド層を設け、
（ｂ）次いで、前記下クラッド層上に、下クラッド層よりも屈折率の大きいコア層を設け、
（ｃ）次いで、前記コア層に、コアの等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化するように設計された所定のコア形状を残し、それ以外の部分を除去する加工を施してコア１１を形成し、
（ｄ）次いで、前記コア１１を覆うクラッド１２を設け、ＮＰＷＧ１０を製造する。
【００６６】
また本発明の分散補償デバイス２０は、前述した通りＮＰＷＧ１０を製造した後、該ＮＰＷＧ１０の透過端１４を無反射終端１６で終端し、反射端１３にサーキュレータ１５又は方向性結合器を接続して図８に示す分散補償デバイス２０を作製する工程を行うことで製造される。
【００６７】
ＮＰＷＧ１０のコア１１を形成する際、コア１０の等価屈折率が光伝搬方向にわたって不均一に変化するように設計された所定のコア形状を持ったマスクを用いたフォトリソグラフィー法によってコア１０を形成することが好ましい。このフォトリソグラフィー法に用いる材料や手順は、半導体製造分野等で周知のフォトリソグラフィー法に用いる材料や手順を用いて実施することができる。また、クラッド層やコア層の成膜方法は、一般の光導波路の製造において用いられている周知の成膜技術を用いて実施することができる。
【実施例１】
【００６８】
波長領域［１５４２．１４ｎｍ〜１５５８．１７ｎｍ］において、分散量Ｄ＝−１０００ｐｓ／ｎｍ、分散に対する分散スロープの比ＲＤＳ＝０．００３４ｎｍ−１となる波長分散の補償を実現する分散補償デバイスを設計した。ただし、本実施例では、波長領域を周波数ｆが、１９３．４＋０．１ｎＴＨｚ≦ｆ≦１９３．５＋０．１ｎＴＨｚを満たす２０チャンネルに分けており、それぞれのチャンネル内で中心周波数を中心とした帯域０．０２ＴＨｚの領域でのみ分散補償を行っている。ここで、ｎは−１０≦ｎ≦９を満たす整数を表す。なお、これらのチャンネルはＩＴＵグリッド間隔を満たす。本実施例の分散補償デバイスは、長さ５８ｋｍのＳ−ＳＭＦの残留分散を補償することができる。
【００６９】
図９は、本実施例で作製した分散補償デバイスのＮＰＷＧのポテンシャル分布を表すグラフである。図中の横軸は、中心波長１５５０．１２ｎｍで規格された場所を表す。このポテンシャルを用いると、図１０に示す群遅延特性と図１１に示す反射率特性が得られる。両図には、設計に用いたスペクトルデータ（designed）と得られたスペクトルデータ（realized）が示されている。
【００７０】
図１２は、図１０の一部拡大図であり、図示のようにスペクトル不連続による影響は、群遅延のリップルをもたらすが、分散補償を行う帯域への影響は限定的となっている。
【００７１】
ＮＰＷＧは、高さがｈ３＝６μｍ、比屈折率差Δ＝０．６％となるコアが石英ガラスからなるクラッドに埋め込まれた導波路構造とした場合、波長１５５０ｎｍにおける等価屈折率と導波路の幅との関係は、図１３に示すようになる。なお、この際のクラッドの厚さは、コアに比べて十分大きいものとする。
【００７２】
この導波路構造を用いた場合、図１０と図１１の各特性を実現するＮＰＷＧのコア幅分布は、図１４に示すように、光伝搬方向の中央部に幅変化の小さい分布領域があり、該中央部の両側に幅変化が中央部よりも大きな幅変化極大部を有するようになる。そのときのＮＰＷＧの等価屈折率の分布は、図１５に示すようになる。
【００７３】
図１４の一部を拡大したものが図１６であり、また図１５の一部を拡大したものが図１７である。これらの図示のように、本実施例のＮＰＷＧは、分散補償する帯域の中心波長のスケールでは、周期が中心波長の約１／２になる周期構造となっている。すなわち、このＮＰＷＧは、中心波長のスケールでは周期構造で、波長よりずっと大きなスケールでは、逆問題で決まる非周期構造のような二階層構造となっている。
【００７４】
同じ材料の導波路構造を用いても、導波路全体の平均等価屈折率を示す参照屈折率n(o)を導波路の厚さや材料に応じて設定すれば、異なるコア幅をもつ導波路で同じ特性を実現することができる。図１８は、高いn(0)を使った場合の幅方向分布を示す。その時の導波路の等価屈折率の分布は、図１９に示すようになる。
【００７５】
コアとクラッドの材料は、石英ガラス系に限定されず、シリコン化合物、ポリマー等の光学分野等で従来周知の他の透明材料を用いることもできる。特に、屈折率の高い材料を用いれば、デバイスをさらに小さくし、伝送損失を下げることができる。
【実施例２】
【００７６】
波長領域［１５３４．２５ｎｍ〜１５６６．３１ｎｍ］において、分散量Ｄ＝−１０００ｐｓ／ｎｍ、分散に対する分散スロープの比ＲＤＳ＝０．００３４ｎｍ−１となる波長分散の補償を実現する分散補償デバイスを設計した。ただし、本実施例では、波長領域を周波数ｆが、１９３．４＋０．１ｎＴＨｚ≦ｆ≦１９３．５＋０．１ｎＴＨｚを満たす４０チャンネルに分けており、それぞれのチャンネル内で中心周波数を中心とした帯域０．０２ＴＨｚの領域でのみ分散補償を行っている。ここで、ｎは−２０≦ｎ≦１９を満たす整数を表す。なお、これらのチャンネルはＩＴＵグリッド間隔を満たす。本実施例の分散補償デバイスは、長さ５８ｋｍのＳ−ＳＭＦの残留分散を補償することができる。
【００７７】
図２０は、本実施例で作製した分散補償デバイスのＮＰＷＧのポテンシャル分布を表すグラフである。図中の横軸は、中心波長１５５０．１２ｎｍで規格された場所を表す。このポテンシャルを用いると、図２１に示す群遅延特性と図２２に示す反射率特性が得られる。両図には、設計に用いたスペクトルデータ（designed）と得られたスペクトルデータ（realized）が示されている。
【００７８】
図２３は、図２１の一部拡大図であり、図示のように、スペクトル不連続による影響は、群遅延のリップルをもたらすが、分散補償を行う帯域内への影響は限定的となっている。
【００７９】
高さがｈ３＝６μｍ、比屈折率差Δ＝０．６％となるコアが石英ガラスからなるクラッドに埋め込まれた導波路構造とした場合、図２１と図２２の各特性を実現するＮＰＷＧのコア幅分布は、図２４に示すように、光伝搬方向の中央部に幅変化の小さい分布領域があり、該中央部の両側に幅変化が中央部よりも大きな幅変化極大部を有するようになる。そのときのＮＰＷＧの等価屈折率の分布は図２５に示すようになる。
【００８０】
実施例１と比べると、補償の帯域（チャンネル）が増えた分、ポテンシャルの変動が実施例１より大きくなり、それを実現するＮＰＷＧのコア幅変化量も大きくなった。しかし、デバイスの長さは、実施例１と同じである。
【実施例３】
【００８１】
波長領域［１５３０．３３ｎｍ〜１５７０．４２ｎｍ］において、分散量Ｄ＝−１７００ｐｓ／ｎｍ、分散に対する分散スロープの比ＲＤＳ＝０．００３４ｎｍ−１となる波長分散の補償を実現する分散補償デバイスを設計した。ただし、本実施例では、波長領域を周波数ｆが、１９３．４＋０．１ｎＴＨｚ≦ｆ≦１９３．５＋０．１ｎＴＨｚを満たす５０チャンネルに分けており、それぞれのチャンネル内で中心周波数を中心とした帯域０．０２ＴＨｚの領域でのみ分散補償を行っている。ここで、ｎは−２５≦ｎ≦２４を満たす整数を表す。なお、これらのチャンネルはＩＴＵグリッド間隔を満たす。本実施例の分散補償デバイスは、長さ１００ｋｍのＳ−ＳＭＦの残留分散を補償することができ、Ｃバンドの全域をカバーすることができる。
【００８２】
図２６は、本実施例で作製した分散補償デバイスのＮＰＷＧのポテンシャル分布を表すグラフである。図中の横軸は、中心波長１５５０．１２ｎｍで規格された場所を表す。このポテンシャルを用いると、図２７に示す群遅延特性と図２８に示す反射率特性が得られる。両図には、設計に用いたスペクトルデータ（designed）と得られたスペクトルデータ（realized）が示されている。
【００８３】
図２９は、図２７の一部拡大図であり、図示のように、スペクトル不連続による影響は、群遅延のリップルをもたらすが、分散補償を行う帯域内への影響は限定的となっている。
【００８４】
高さがｈ３＝６μｍ、比屈折率差Δ＝０．６％となるコアが石英ガラスからなるクラッドに埋め込まれた導波路構造とした場合、図２７と図２８の各特性を実現するＮＰＷＧのコア幅分布は、図３０に示すように、光伝搬方向の中央部に幅変化の小さい分布領域があり、該中央部の両側に幅変化が中央部よりも大きな幅変化極大部を有するようになる。そのときのＮＰＷＧの等価屈折率の分布は、図３１に示すようになる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の分散補償デバイスの主な構成要素である光導波路の一実施形態としてＮＰＷＧの構造を示す概略斜視図である。
【図２】ＮＰＷＧにおいて、補償対象の波長帯域を複数のチャンネルに分けて、それぞれのチャンネルで分散補償を行う場合を示し、（Ａ）はＮＰＷＧの群遅延特性を示すグラフであり、また（Ｂ）は、コアにおける光の波長と反射との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】補償対象の波長帯域を複数のチャンネルに分けて、各チャンネル全体で分散補償を行う場合の最大遅延量を示すグラフである。
【図４】本発明において、補償対象の波長帯域を複数のチャンネルに分けて、各チャンネルの波長領域のうちの部分的領域のみで分散補償を行う場合の最大遅延量を示すグラフである。
【図５】本発明において、連続性を維持したチャンネルごとに分散補償するＮＰＷＧの群遅延特性を例示するグラフである。
【図６】コアの幅の分布形状を例示する概略平面図である。
【図７】コアを蛇行状に設けた場合を例示する概略平面図である。
【図８】本発明の分散補償デバイスの一実施形態を示す構成図である。
【図９】実施例１のＮＰＷＧのポテンシャル分布を示すグラフである。
【図１０】実施例１のＮＰＷＧの群遅延特性を示すグラフである。
【図１１】実施例１のＮＰＷＧの反射率特性を示すグラフである。
【図１２】図１０の一部拡大図である。
【図１３】ｈ３＝６μｍ、比屈折率差Δ＝０．６％コアを使用した場合、波長１５５０ｎｍでの等価屈折率とコア幅の関係を示すグラフである。
【図１４】実施例１のＮＰＷＧのコア幅分布を示すグラフである。
【図１５】実施例１のＮＰＷＧの等価屈折率の分布を示すグラフである。
【図１６】図１４の一部拡大図である。
【図１７】図１５の一部拡大図である。
【図１８】実施例１のＮＰＷＧで高い初期屈折率を用いた場合のＮＰＷＧのコア幅の分布を示すグラフである。
【図１９】実施例１のＮＰＷＧで高い初期屈折率を用いた場合のＮＰＷＧの等価屈折率分布を示すグラフである。
【図２０】実施例２のＮＰＷＧのポテンシャル分布を示すグラフである。
【図２１】実施例２のＮＰＷＧの群遅延特性を示すグラフである。
【図２２】実施例２のＮＰＷＧの反射率特性を示すグラフである。
【図２３】図２１の一部拡大図である。
【図２４】実施例２のＮＰＷＧのコア幅分布を示すグラフである。
【図２５】実施例２のＮＰＷＧの等価屈折率の分布を示すグラフである。
【図２６】実施例３のＮＰＷＧのポテンシャル分布を示すグラフである。
【図２７】実施例３のＮＰＷＧの群遅延特性を示すグラフである。
【図２８】実施例３のＮＰＷＧの反射率特性を示すグラフである。
【図２９】図２７の一部拡大図である。
【図３０】実施例３のＮＰＷＧのコア幅分布を示すグラフである。
【図３１】実施例３のＮＰＷＧの等価屈折率の分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８６】
１０…ＮＰＷＧ、１１…コア、１２…クラッド、１３…反射端、１４…透過端、１５…サーキュレータ、１６…無反射終端、２０…分散補償デバイス。
【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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【図３０】
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【図３１】
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