(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアレングスを有するコア領域と前記コア領域に隣接するクラッド層とからなる光導波路であって、前記コアレングスは、前記コアレングスの少なくとも一部分を形成する一連の隣接するサブレングス群を含み、前記一連のサブレングス群は、交互に高低の屈折率を有してグレーティングを形成する、シングルモード光導波路と、
前記グレーティングを形成する前記サブレングス群の少なくとも一部分に亘って、前記クラッド層に隣接して延在し且つある屈折率を有する材料からなる追加層と、
前記追加層の屈折率を変化させる手段と、を含み、
前記追加層は約10-20から10-19ｍ２/Wの範囲内の非線形定数を有する材料からなり、
前記コア領域及び前記クラッド領域の界面と、前記クラッド領域及び前記追加層の界面との間隔が、５μｍから１０μｍの範囲内にあり、
前記グレーティングは長周期グレーティングであり、且つ前記追加層は、光強度依存屈折率を有する材料からなり、前記追加層の外表面は、前記追加層の屈折率未満の屈折率の材料に包囲されて前記追加層に構造共振を与え、前記構造共振は、前記追加層が伸長する方向と直角方向であって前記追加層へ光源を向けることで誘起されることを特徴とする可変光学フィルタ。
【請求項２】
コアレングスを有するコア領域と前記コア領域に隣接するクラッド層とからなる光導波路であって、前記コアレングスは、前記コアレングスの少なくとも一部分を形成する一連の隣接するサブレングス群を含み、前記一連のサブレングス群は、交互に高低の屈折率を有してグレーティングを形成する、シングルモード光導波路と、
前記グレーティングを形成する前記サブレングス群の少なくとも一部分に亘って、前記クラッド層に隣接して延在し且つある屈折率を有する材料からなる追加層と、
前記追加層の屈折率を変化させる手段と、を含み、
前記追加層は約10-20から10-19ｍ２/Wの範囲内の非線形定数を有する材料からなり、
前記コア領域及び前記クラッド領域の界面と、前記クラッド領域及び前記追加層の界面との間隔が、５μｍから１０μｍの範囲内にあり、
前記グレーティングはブラッグ・グレーティングであることを特徴とする可変光学フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
関連出願
本出願は、1998年3月30日に出願の米国仮出願第60/079,873号を基礎としており、我々は当該出願の日を本出願の優先日として請求する。
発明の属する技術分野
本発明は、可変、すなわちフィルタのスペクトル応答を特徴づける中央波長に関しての調整が可能な光学フィルタに関する。特に、当該フィルタは、光学的若しくは電気的手段によって好ましくは調整される。
【０００２】
【従来の技術】
光学フィルタは、波長多重化通信システム及び光増幅器を使用したシステムにおいて必要不可欠な素子である。このようなフィルタは、選択された波長を加えたり若しくは取り除く素子として使用されている。したがって、信号を透過するとともに広帯域ノイズをブロックし、光増幅器のゲインを平坦化し、若しくは予め選択されたノードに特定波長の信号を送出するために使用できる。より重要なシステムの柔軟性は、ある波長範囲に亘って波長応答が可変であるフィルタを使用することで達成され得る。
【０００３】
多くの選択性フィルタデバイスは、ファブリ・ペロー干渉計若しくはマッハ・ツェンダー干渉計、多層誘電体フィルムフィルタ及び導波路ブラッグ・長周期・グレーティングによるフィルタを含むことが知られている。これらのデバイスの調整は、デバイスの屈折率若しくは寸法を変化させる手段によって達成され得る。例えば、デバイス全体若しくはその一部分を曲げたり、引張ることでデバイスに歪みを与えて、寸法及び屈折率の双方に変化を与えることができる。同様の方法で、寸法若しくは屈折率は、デバイス若しくはその一部分の温度に変化を与えることで変化させることができる。電気的な冷却や加熱は、デバイスの熱補償を施す便利な方法である。それに加えて、光学的若しくは電気的手段が、デバイスの寸法若しくは屈折率、すなわちデバイスのフィルタリング特性を変化させるために使用され得る。上記のうちでは、後者の手段が、通常、好まれる。すなわち、機械的若しくは熱的手段によって調整されるデバイスと比較して、フィルタに高速応答性を与え、より高い信頼性と、デバイスにより高い制御再現性を与えるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記可変フィルタデバイスにおける技術要求は、
- 可変手段に対する高速応答性
- 高度な信頼性
−高度な再現性、である。
【０００５】
定義
− 光ファイバグレーティングは、電磁場放射に対して、周期的若しくは準周期的な摂動を有する導波路である。このグレーティング、すなわちこの摂動は、導波路の屈折率若しくは分布を周期的に変化させる予め選択された長さを有する。
【０００６】
− グレーティングの周期は、グレーティングの２つの隣接する高低の屈折率部分に対応する２点間距離である。
− 長周期グレーティングは、同じ方向に伝搬するクラッドモードとコアモードとの間に共振を与えるものである。
− 例えば光の如き電磁波が多層構造体内部で反射するときに、高低屈折率領域間の境界から全反射若しくは略全反射によって、構造共振が生じ、一回若しくは複数回の反射後に位相が元に戻る。ファブリ・ペロー干渉計は、一次元構造共振の最も単純な例である。横平面導波路で生ずる構造共振において、係る導波路は、導波路の屈折率よりも低い屈折率の媒体によって包囲されていなければならない。光ファイバの如き円形の導波路において、クラッド／空気若しくはクラッド／外層（ジャケット）界面での全反射のために、構造共振は、クラッド領域内で生じるのである。光ファイバの場合、通常の伝播方向と実質的に垂直に入射した光は、クラッド／空気若しくはクラッド／外層界面によって完全に内部反射される。そして、特定の波長では、このような多重反射を経た後、干渉して元の位相に戻るのである。故に、構造共振が生る。（これについての参考文献として、1988年ニュージャージーのWorld Scientific発行のバーバラ氏（P.W.Barber）及びチャン氏（R.K.Chang）監修の「Optical Effects Associated With Small Particles」の中のヒル氏（S.C.Hill）及びバーナー氏（R.E.Benner）による「Morphology Dependent Resonances」がある)。
【０００７】
図５は、光導波路のクラッド層を包囲し且つこれに接する追加層において生じ得る構造共振の例を示す。この例では、当該層の表面と実質的に直角方向であって、係る層内に光を導入するのにレーザが用いられている。当該層で生じる入射光の構造共振は、当該層の屈折率の強度依存条件を変化させ、故に、結合されたグレーティングによってフィルタリングされるピーク波長を変化させる。
【０００８】
− ブラッグ・グレーティングは、コアモード及び反対側に伝搬している反射コアモード間に共振を生じさせる。
− 本明細書の全体に亘って、導波路の語は、他に特に断りのない限り、シングルモード導波路を意味する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本出願の可変フィルタデバイスは、光学的若しくは電気的に長周期ブラッグ・グレーティングデバイスの制御を与えることで高性能な可変フィルタの要求を満たす。
本発明の第１の特徴は、少なくとも導波路コアの一部に刻まれたグレーティングを有するシングルモード光導波路を含む可変光学フィルタである。この可変デバイスは、導波路クラッド層の外表面に与えられる追加層に由来する。当該追加層は、追加層に作用する制御機構によって、屈折率が変化する材料からなる。この最外層の屈折率を変化させることは、導波路を伝搬する電磁場の境界条件を変化させる。境界条件のこの変化は、クラッドモードの伝搬定数に影響を及ぼすだろう。コア／クラッド境界面から追加層までの距離によって、追加層の屈折率変化もコアモードの伝搬定数に影響を及ぼし得る。典型的なシングルモード導波路の場合、この距離は、約5μmから10μmの範囲内である。グレーティングの共振波長は、共振モード伝播定数に直接に依存する。したがって、伝搬定数を変化させて、効果的にグレーティングの共振波長を変えたり、効果的にグレーティングの共振ピークを制御することができるのである。
【００１０】
可変フィルタの実施例は、例えば、LiNbO3の如き電子光材料である追加層を有する。層の屈折率は、層に電圧を付加する手段によって高速且つ高い再現性をもって変化し得る。印加電圧は、効果的にクラッドモードの伝播定数を変化させて、故に、グレーティングの共振波長ピークを変化させる。これは、長周期グレーティングの１つの実施例である。
【００１１】
本発明の態様としての好適な実施例において、層に一つ以上の光源から光を導くことで、構造共振が追加層に生ずる。入射光の進行方向は、層の長手方向と直角方向である。構造共振で光強度は、層内にさらに集中するようになる。光強度は、層の屈折率強度に依存する項を変化させて、クラッドモードの伝播定数を変化させる。強度依存の項は、非線形屈折率項と共通に称される。屈折率は、ｎ =ｎ1 +ｎ2Iとして表される。ここで、ｎ1は線形屈折率、Ｉは光強度である。ｎ2は、非線形屈折率係数である。グレーティングは、入射光強度を制御することによってある波長ピークから他の波長ピークまで効果的に調整される。典型的な光源は、層の長軸と直角方向へ、追加層に光を導く１つ以上のレーザである。
【００１２】
追加層の材料の非線形係数ｎ2が増加すると、追加層に屈折率変化を誘起する構造共振がより大きくなり、故に、クラッド若しくはコアの伝搬モードに対する追加層の変化の効果がより大きくなる。分散シフト導波路の典型的な非線形係数は、約2.3×10-20 m2/Wである。調整バンドの幅によって計測された追加層の効果は、相対的により高い非線形係数を有する層材料において高められると推測される。本発明者は、この時間に少なくとも10-19のオーダーの係数を予測している。非線形屈折率係数を増加させるように設計された分布は、本願明細書において引用したものとする係続中の米国仮出願第60/071732号の実施例において検討されている。典型的調整バンド幅は、約70μmの範囲である。したがって、構造共振が決定される追加層の好適な実施例は、約10-20から10-19 m2/Wまでの範囲の非線形係数を有する材料からなる追加層である。
【００１３】
新規な可変フィルタの他の実施例において、追加層は色素添加された石英ガラスから成る。色素添加されたこの種のガラスの屈折率は、直角方向に光をガラスに入射させることによって変化させ得る。これによってフィルタの波長を調整する。
導波路を伝搬する信号光と直角方向から入射してくる光の相互作用を避けるため、構造共振若しくは色素との相互作用による手段で追加層の屈折率を変化させるために使用される光の波長は、光通信システムの操作バンドである約1300nmから1700nmの範囲の外側であることが好ましい。
【００１４】
可変フィルタの他の実施例において、追加層は圧電材料からなり、これは、例えば、柔らかいポリマー材料である。材料の密度、すなわち材料の屈折率は、材料に電圧を加えることで変化させることが出来る。そして、異なる共振波長にグレーティングを調整する。
新規な可変フィルタの第１の特徴の実施例において、上記の如く、その伝搬定数を変化させるために追加層の境界は、コアを伝搬するモードに十分に近く、グレーティング周期はブラッグ・グレーティングの屈折率と同じになるように選択され得る。
【００１５】
本発明の第２の特徴において、コア及びクラッドを有する導波路及び追加の最外層は、クラッドモードの伝搬定数βcl及びコアモードの伝搬定数βcの差は、モード間の共振を定義する条件式βcl −βc＝ 2π/Λgで表されるように選択された周期Λgのグレーティングを含む。故に、フィルタはβclを変化させることで調整することができる。βclは、上記手段のいずれであっても追加層の屈折率を変えて変化させ得る。
【００１６】
新規な可変フィルタの第３の特徴において、グレーティング定数は、ブラッグ・グレーティングとして適当な定数Λgとして選択され得る。決定される共振は、式βr−βc＝２π／Λbによって定められ、ここで、βrは、反射モードである。この特徴において、フィルタはβｃを変化させることで調整される。したがって、コアモードと追加層／クラッド層境界の間で相互作用を許容するのに十分に小さい厚さがクラッド層の厚さとして好ましくは選択される。そして、βcは、上記第１若しくは第２の本発明の特徴において示された手段のいずれであっても、追加層の屈折率を変化させることで変化させ得るのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
例えば、波長分割多重器若しくは光増幅器を使用する高ビットレート通信リンクでは、波長若しくは波長バンドをフィルタリングするための有効な手段を必要とする。さらに多くの場合、これらは、例えば、ノードへの双方向通信若しくはマルチチャンネル送信を含み、透過若しくはフィルタリングされた波長は、時間とともに変化するのである。したがって、波長特性の変化し得る、すなわち、適度にバンド幅の広い波長に亘って調整できるフィルタを必要とする。本発明の可変バンド幅は、約70μmの範囲内である。
【００１８】
本発明において、導波路グレーティングのフィルタ特性は、グレーティングの共振波長を変化させる手段と共に使用されて、この種の可変波長フィルタを与える。共振波長は、グレーティングの寸法（レングス）、例えば高低の屈折率領域の間隔（サブレングス）を変えることで変化させることができる。選択肢として、共振波長は、グレーティングを含むベースガラスの屈折率を変化させて変えることができる。故に、導波路グレーティングは、応力を導波路に与えて、その屈折率を変化させることで調整できる。また、温度による屈折率変化を共振条件を変化させるために使用してもよい。しかしながら、応答時間が重要である場合、若しくは高度な信頼性及び再現性を必要とする場合では、グレーティングの機械的若しくは熱的な調整以外の調整が必要である。本発明による新規な可変グレーティングは、導波路の予め選択されたモードの伝搬定数を変化させることによって、グレーティングの共振を変化させる。導波路の伝搬定数は、導波路の特定の幾何及びその材料に合わせた境界条件を使用したポテンシャルに対する波動方程式を解くことによって見出される。例えば、コア、クラッド及びコーティングを有する導波路ファイバの場合、波動方程式は、円柱座標系で書けて、解となる場及びその第１の派生項が、コア／クラッド及びクラッド／コーティングの界面で通常の条件を満たすように解くことができる。コーティングは、他のガラス若しくはポリマーであってもよい。また、ガラス若しくはポリマーの追加層は、導波路を機械的ダメージから保護するために加えられ得る。若しくは、追加の所望の特性を導波路に与えることができる。
【００１９】
共振が、前方に向かって伝搬する波とグレーティングによって反射された波との間で起こる場合、グレーティングは、ブラッグ・グレーティングとして構成され得る。一方で、共振が、導波路コアを前方に向かって伝搬する波と導波路クラッドを前方に向かって伝播する波との間で起こる場合、グレーティングは長周期間隔を有し得る。換言すれば、同じ方向に伝搬するコアモードとクラッドモードとの間で共振は生じる。この後者の場合の共振条件は、コア及びクラッドモードの伝搬定数の差がグレーティング周期の逆数を２π倍したものに等しいときである。すなわち、βcl−βc＝２π／Λgである。ここで、βは、クラッド及びコアモードの伝搬定数、Λgは、グレーティング周期である。
【００２０】
この条件が与えられると、グレーティングは伝搬定数の一方または双方を変化させて調整され得る。類似の共振条件を有するブラッグ・グレーティングは、コアモード伝搬定数を変化させることで調整され得る。高速応答時間を有し且つ高い信頼性と高い再現性を有する可変フィルタを与える課題は、導波路のコア若しくはクラッドモード伝搬定数を変化させる高速且つ信頼性の高い手段を見出す課題を減少させてきた。外側層の屈折率を変化させることは、導波路における場を記述する波動方程式の解に変化を与え、故に、導波路の特定の領域、すなわちコア若しくはクラッド若しくは両方を伝搬するモードと関連した伝搬定数を変化させる。
【００２１】
クラッド層の外表面での屈折率変化の効果は、図１で示される。実線２は、波長に対する導波路の伝送特性のチャートである。破線４は、導波路に長周期グレーティングを形成して生じたフィルタ効果を示す。曲線４は、外側クラッド表面が空気と境界を有する場合における計測結果である。さらに、グレーティングを含む導波路を水に沈めて伝送曲線６が計測された。曲線４のフィルタリングされた波長と比べて、約２nm下方へ波長がシフトした外側クラッド表面の屈折率変化を有することに注意されたい。
【００２２】
クラッド表面とクラッド／コア界面までの距離は、この場合では信号波長と比較して大きいので、コアモードの伝搬定数は、外側クラッド表面の境界条件の変化に実質的に影響を受けなかった。屈折率の変化は、１つ以上のクラッドモードの伝搬定数に変化を与えて、グレーティングの共振波長を変化させる。このシフトは、図１のインセット８により明瞭に見ることができる。より低い波長の共振10では、明瞭なシフトがないので、屈折率変化は単一クラッドモードに影響を及ぼすだろう。
【００２３】
図２の断面図は、本発明によるグレーティングを有する導波路ファイバであって、クラッド層14に包囲されたコア領域12を示す。追加層16は、クラッド層14の外表面に形成される。ここにおいて追加層16の屈折率の変化は、伝搬場の境界条件を変化させて、グレーティングの伝搬定数及び共振波長を変化させるのである。追加層16の屈折率変化量及び層16とコア12との間隔に依存して、追加層16の屈折率変化がクラッドモードと同様にコアの伝搬定数を変化させ得る。ここで断面図は、スケール通りに示されていないことを理解されたい。
【００２４】
図２Ａには、本実施例における可変フィルタの他の実施例が示されている。矩形コア19は、クラッド層20に埋め込まれている。クラッド層20のモード伝搬定数は、追加層22の屈折率を変化させることで変化する。前述の如く、クラッドモードへの追加層の影響は、屈折率変化量に依存する。コアモードへの追加層の影響は、屈折率変化量及びコア19と追加層22の間隔に依存する。
【００２５】
コアモードへの追加層の効果を増加させるために、導波路クラッドの製造の間において、若しくはクラッド層が形成された後にエッチング若しくは削りだし若しくは他の方法によってクラッド層の厚さを減じることができる。コアモードに追加層が影響を及ぼすためには、コア／クラッド界面とクラッド／追加層界面との間隔は、約5μmから10μmの範囲内である。
【００２６】
電場の影響によって密度を変化させ、つまり屈折率を変化させる追加層が考慮された。図３において、そのレングス（長さの一部）に沿って電気回路24で印加される電圧を負荷された追加層16を示す。材料の適当な選択を与えられて、印加電圧の変化とともに層16の屈折率が変化する。屈折率の変化は、クラッド外部表面での境界条件を順次、変化させて、１つ以上のクラッド若しくはコアモードの伝搬定数を変化させて可変グレーティングを与える。追加層16の長手方向へ印加された電圧について異なった方向からこれを見ると、図４の回路26として示される。
【００２７】
他の実施例において、追加層16によって形成された１つの構造共振が図４に図示されている。本実施例において、クラッド層14と追加層16の屈折率の差は、追加層の外表面に入射し、追加層で屈折する光が全反射を生じるのに十分に大きい。前述のように、構造共振は、光強度を追加層16に集中させて、追加層の非線形屈折率を変化させる。これによって与えられる可変グレーティングを線28によって図示した。グレーティングの個々のセグメントは、左右対称に交互に形成される必要はない点に注意されたい。グレーティングレングスに沿って幅広い屈折率包絡線を重畳することを含むアポダイゼーション技術が使用され得る。図４の光源30は、例えば、追加層に沿って均一に光強度を計量して分配し得る光学素子32を通過し得る。光源30は、例えばレーザである。光源及び追加層間の光学素子は、図４の34によって図示される如きレンズであってもよい。
【００２８】
構造共振を結果として生ずる層16に接している材料の相対屈折率は、図５でさらに図示されている。クラッド層14は、層16の内面に接する。屈折率線図、すなわち半径対屈折率の図５のチャート図の36、38及び39に示すように、クラッド層は、層16の屈折率と等しいか、これよりも小さい、若しくはより大きい屈折率を有することができる。層16の外表面に曝されている材料若しくは真空の屈折率は、層16の屈折率未満の屈折率を有していなければならない。コア領域12の高められた屈折率は、屈折率線図の曲線40として示される。屈折率の光強度依存部分は、曲線42として示される。この場合において、クラッド層の屈折率は、水平部分44として示される。
【００２９】
本発明は、追加層の屈折率を変化させる手段との組合せを含むと理解されるだろう。例えば、追加層16は、圧電ポリマーであってもよい。電圧は、ポリマー層全体に印可されても良く、その屈折率を変化させ、光源を使用した構造共振が、さらに使用されてもよい。
本発明の特定の実施例が上述の如く開示及び記載されているが、本発明は以下の特許請求の範囲のみによって制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】追加層の屈折率変化の長周期グレーティング共振に対する効果を示すチャート図である。
【図２】追加層を有する光導波路ファイバの断面図である。
【図２Ａ】他の導波路形状の断面図である。
【図３】電圧が印加された追加層を有する導波路ファイバの断面図である。
【図４】構造共振を励起する手段を含む追加層を有する導波路ファイバの長手軸方向の断面図である。
【図５】非線形屈折率の構造共振に対する効果を示すグレーティングを含む導波路の断面図である。
【符号の説明】
12        コア領域
14、20    クラッド層
16、22    追加層
19        矩形コア
24、26    電気回路
30        光源
【図１】
0004504561.tif 000002
【図２】
0004504561.tif 000003
【図２Ａ】
0004504561.tif 000004
【図３】
0004504561.tif 000005
【図４】
0004504561.tif 000006
【図５】
0004504561.tif 000007