(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光通信システムであって、
正規の繰り返しレートを有する入力光学パルストレインを提供するように構成された信号ソースと、
前記信号ソースに光学的に接続され、前記入力光学パルストレインを受信するように構成されたオールパス光学フィルタとを含み、前記オールパス光学フィルタは、時間遅延スペクトラムを前記入力光学パルストレインに加えるように構成された単一のフィードバックパスを有しており、前記オールパス光学フィルタの自由スペクトラムレンジは、前記入力光学パルストレインの前記正規の繰り返しレートにマッチングしており、前記入力光学パルストレインに関して時間的に遅延した出力光学パルストレインを生成する、光通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光通信システムにおいて、前記単一のフィードバックパスは、リング共振器と前記リング共振器の一部を加熱する加熱素子とを含む、光通信システム。
【請求項３】
請求項１に記載の光通信システムにおいて、前記オールパス光学フィルタがマッハツエンダー干渉計と並列に配置される、光通信システム。
【請求項４】
請求項１に記載の光通信システムにおいて、前記オールパス光学フィルタの自由スペクトラムレンジは、前記正規の繰り返しレートに実質的に等しい自由空間スペクトラムにより前記入力光学パルストレインの前記正規の繰り返しレートにマッチングしている、光通信システム。
【請求項５】
請求項４に記載の光通信システムにおいて、光学分離化装置をさらに含み、前記光学分離化装置は、時間多重データを運ぶ第１の光学パルストレインと、前記第１の光学パルストレインから選択パルスを取り除くよう構成されたパルスを運ぶ第２の光学パルストレインとを受信するよう構成された第１の入力を有し、前記オールパス光学フィルタは、前記第２の光学パルストレインを遅延するよう構成され、これにより、前記第２の光学パルストレインのパルスが前記第１の光学パルストレインのパルスと同期する、光学通信システム。
【請求項６】
請求項１に記載の光通信システムにおいて、前記時間遅延スペクトラムは複数の時間遅延ピークを有し、前記オールパス光学フィルタの自由スペクトラムレンジは、前記入力光学パルストレインの各周波数が前記複数の時間遅延ピークのうちの１つのバンド幅内に入る程度十分小さな量だけ、前記正規の繰り返しレートからずれた前記自由スペクトラムレンジにより前記入力光学パルストレインの前記正規の繰り返しレートにマッチングしている、光通信システム。
【請求項７】
請求項６に記載の光通信システムにおいて、前記信号ソースはパルスレーザを含み、前記オールパス光学フィルタは、前記パルスレーザの線形チャープを低減するように構成されている、光通信システム。
【請求項８】
オールパス光学フィルタを動作させる方法であって、
１つの入力と単一のフィードバックパスとを有する１つのオールパス光学フィルタを提供するステップと、
正規の繰り返しレートを有する光学パルストレインを前記入力に提供するステップと、
前記オールパス光学フィルタの自由スペクトラムレンジを前記光学パルストレインの前記正規の繰り返しレートにマッチングさせるステップとを含む、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、前記フィルタの自由スペクトラムレンジは、前記正規の繰り返しレートに実質的に等しい自由空間スペクトラムにより前記光学パルストレインの前記正規の繰り返しレートにマッチングしている、方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法において、前記時間遅延スペクトラムは複数の時間遅延ピークを有し、前記フィルタの自由スペクトラムレンジは、前記光学パルストレインの各周波数が前記複数の時間遅延ピークのうちの１つのバンド幅内に入る程度十分小さな量だけ、前記正規の繰り返しレートからずれた前記自由スペクトラムレンジにより前記光学パルストレインの前記繰り返しレートにマッチングしている、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学通信システムに関し、特に単一段オールパス光学フィルタを含む装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学通信システムは、様々なデバイス（例、光学ソース、光検出器、スイッチ、光ファイバ、増幅器、フィルタ等）を含む。光学通信システムは、光学信号を高速で長距離に亘って伝送するのに有効である。一連の光パルスを含む光学信号は、レーザのような光ソースから光ファイバにそして最終的に検出器に送信される。増幅器とフィルタを用いて光パルスを長距離の光ファイバに沿って光学ソースから検出器に伝播している。今日、大量の長距離通信トラフィックが光ファイバにより搬送されている。光ファイバが幅広く使用され、消費者の市場に行き渡るにつれてより効率的で高速かつ集積化した光学電子デバイスの需要が増加している。
【０００３】
光学システムを開発するには、多くの考慮すべき点および設計上の制約事項が存在する。考慮すべき点としては、波長分割多重化装置あるいは分離化装置および／または光学時分割多重化（optical time-division multiplexer(ＯＴＤＭ））デバイスの信号の同期に関するものである。光学通信システムは、情報信号と共に伝播するポンプ信号を結合し分離しあるいはフィルタ処理するようなデバイスを有している。例えば、図１は、時分割多重化装置（ＴＤＭ）１００を含むＯＴＤＭシステムを表し、このＴＤＭ１００は、複数の低速送信器１０２，１０３，１０４と多重化装置１０５とトランクファイバ１１により接続された光学スイッチあるいは分離化装置１１０と受信機１１５とを有する。
【０００４】
各送信器は、低速の信号（ＳL ）を多重化装置１０５に送り、この多重化装置１０５が高速信号（ＳH ）を分離化装置１１０に出力する。分離化装置１１０は、高速信号からパルスを選択的にドロップして受信機１１５に送る低速出力信号（ＳO ）を生成する。かくして、信号は多重化装置１０５と分離化装置１１０との間を光ファイバに沿って送信され、その後低速で分析され、各送信器から送られた情報を決定する。
【０００５】
このようなＯＴＤＭ通信システムは、同期素子を必要とする。例えば、分離化装置１１０が、高いビットレートの信号を分離化するときには、低いビットレートの制御信号Ｃは、高いビットレートの信号と同期して信号がスイッチ内で時間的に整合する必要がある。このような動作は遅延線を必要とする、例えば、制御信号は、高いビットレートの信号とスイッチ内で同期化するために、遅らせる必要がある。
【０００６】
光学スイッチを設計する際の挑戦的事項は、パルストレインの遅延を達成し、その結果このパルストレインの周波数を同一の時間間隔の間遅延させることである。例えば、図２は、未変調のパルストレインのスペクトラムを表すグラフである。図２においては、光学パルス１０は、波１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…１５ｇのパケットを含む。各波は、バンド幅ｆ内にある振幅と周波数を有し、例えば、パケット内の各波は、異なる周波数と振幅で特徴づけられ、異なる速度で伝播する。
【０００７】
挑戦的事項は、バンド幅ｆ全体に亘って各周波数に対する一定の時間遅延を達成することである。パルストレインのある周波数（１５ａ，１５ｂ）が遅延していないとき、あるいは他の周波数（１５ｃ，１５ｄ）とは異なる遅延期間が与えられたときには、遅延した信号は、元のパルストレインとは位相が合わなくなっている。
【０００８】
オールパスフィルタは、電子の技術分野においては、位相を等しくして歪みを減少させるものとして公知である。電子デバイス用のオールパスフィルタを製造する装置は、米国特許第５，２５８，７１６号（発明者，Kondo et al.,“All-Pass Filter”）に開示されている。オールパスフィルタは、他の種類のフィルタよりも信号の位相のみに影響を及ぼし、振幅には影響を及ぼさない点で利点がある。光学デバイスと共に使用されるオールパスフィルタの構成は、ルーセントテクノロジー社の米国特許出願第０９／１８２，９８０号（発明の名称“All-Pass Optical Filter”、発明者、Kazarinov et al. ）に開示されている。
【０００９】
前掲の特許出願で説明したように（特に図２）、光ファイバを介して送信された光学信号は、光ファイバを伝播する際に、時間と共に歪む即ち広がる。このように信号が広がることは、ノイズ、即ち連続する光学パルス間の干渉を生成するために好ましくない。前掲の特許出願は、このような歪みを取り除くようなオールパス光学フィルタを開示している。さらにまた、前掲の特許出願は、オールパス光学フィルタは、光学パルスを時間的に遅延させるために有益であることを開示している。前掲の特許出願のオールパス光学フィルタは、周波数依存性の時間遅延を光学パルスの各周波数に付加している。
【００１０】
前掲の特許出願は、単一段と複数段のオールパス光学フィルタを開示している。前掲の特許出願による単一段のオールパル光学フィルタの代表的な構成を図３に示す。同図においてフィルタは、入力光学パルス１２０用の入力ポートと、出力ポート１５０とスプリッタ／コンバイナ１４３とフィードバックパス１４５を有し、このフィードバックパス１４５が少なくとも１つのリング共鳴器を有する。図３は、単一段のフィルタ（例、単一共鳴器リング）を示しているが、前掲の特許出願では複数の段（複数の共鳴器リング）を用いたときに最良の結果が得られることを開示している。
【００１１】
事実前掲の特許出願は、任意のブロードバンド信号用に大幅に変更可能な遅延量を生成するためには、数多くのオールパス段が必要であることを教示している。例えば、図４は、任意のブロードバンド信号に付加された４段のオールパル光学フィルタの周波数とグループ遅延時間との関係を表すグラフである。同図から分かるように、１６ａｕ（任意単位）の最大かつ一定の遅延量は、０．４−０．６の正規化した周波数範囲で達成可能である。かくして、ある周波数のみが最大遅延を受けることができる。
【００１２】
単一のオールパス光学フィルタは、非常に狭い範囲の周波数領域（約０．５）の間で一定遅延を達成できるが、これは広いバンド幅（Δｆ）のパルストレインを遅延させるには効率的ではない。他方では、多くのオールパスフィルタ段は、最大値延期間のバンド幅Δｆを増加させ、かつリップルの影響を少なくしている。このことから分かるように、４段（４個）のオールパス光学フィルタにおいては、リップルの影響が遅延期間に亘って形成され、４個の頂点が遅延ピークの最大高さで表れる。
【００１３】
しかし、多くのオールパス段を用いることは、単一段のオールパスフィルタが用いる場合よりも複雑なシステムとなる。好ましくは２個のヒーターをデバイスの各共鳴器リングの上に堆積して、グループ遅延の自由スペクトラム範囲と所望の位相を局部的に変化させている。かくして４段のオールパス光学フィルタを用いて図４に示す遅延ピークを形成している。この構成は、８個のヒーターを用いており、各ヒーターは光学信号と所望の位相応答に応じて周期的に調整する必要がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
通信システムの分野におけるフィルタは、システム性能を上げるためおよびコストを低減するために新たな設計を依然として追求している。特に、本発明の目的は、分散を補正し一定遅延を導入するような単一段のオールパス光学フィルタを有する装置を提供することである。特に、本発明の目的は、複数のオールパス段を使用することなくブロードバンド（広帯域）の信号用に、大幅に調整可能な遅延を生成することができるオールパス光学フィルタを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、単一段のオールパス光学フィルタを含む装置を提供する。本発明のオールパス光学フィルタは、一定の繰り返しレートを有する入力光学パルスを受領する入力ポートと、出力ポートとスプリッタ／コンバイナと１つのフィードバックパスとを有する。本発明のオールパス光学フィルタは、複数の周波数依存性のある時間遅延期間を入力光学パルスに加えるよう構成して、このフィルタが、複数の遅延ピークを有する時間遅延スペクトラムで特徴づけられる。フィルタの自由スペクトラムレンジ（free-spectral range （ＦＳＲ））、即ち遅延ピーク間のスペースは、入力光学パルスの通常の繰り返しレートにマッチングしている。
【００１６】
このマッチングはＦＳＲを繰り返しレートに等しくするかあるいはパルストレインの各周波数が複数の遅延ピークの１つのバンド幅内に入るのに十分小さい程度に繰り返しレートからずらすことにより達成される。好ましくは少なくとも１つのヒーターは、フィルタの時間遅延スペクトラムをチューニングする際に用いられるようフィードバックパス上に堆積される。単一段のオールパス光学フィルタを有する装置は、ＯＴＤＭデバイスあるいはパルスレーザを含む通信システム内で用いられる装置を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、通常の未変調パルストレイン用に大幅に調整可能な遅延量を生成するのに用いられる単一段のオールパス光学フィルタである。信号のパルストレインが通常の繰り返しレートを有するときには（即ち、パルストレインの周波数が別のパルストレインの周波数と等しい量だけ異なる）、単一段のオールパスフィルタを用いて信号用に大きな調整可能な遅延量が生成できることを発明者等は見いだした。さらにまた、発明者は、繰り返し速度が上記に規定された通常のものである場合には、単一段のオールパス光学フィルタは、パルスレーザの線形チャープのようなある種の分散を補正するのに有効であることを見いだした。
【００１８】
これらの機能は、オールパス光学フィルタを、フィルタの自由スペクトラムレンジ（free spectral range (ＦＳＲ)）即ちフィルタにより生成される周波数依存性のある時間遅延ピークの間のスペースが、フィルタに入力される通常の未変調パルストレインの繰り返しレートにマッチングするよう構成することにより達成できる。ここで「マッチングする」とは、ＦＳＲが繰り返しレートに等しいか、あるいは繰り返しレートに対しパルストレインの各周波数が正規化されたグループ遅延のピークのバンド幅内に入る程度少量だけずれていることを意味する。
【００１９】
本発明のオールパス光学フィルタの一実施例は、図３の構造である。オールパス光学フィルタ１３０は、フィードバックパス１４５と入力光学パルス１２０を受領するための入力ポート１４０と出力ポート１５０と入力光学パルスの一部をフィードバックパス１４５内に結合したり、あるいは切り離したりするスプリッタ／コンバイナ１４３とを有する。オールパス光学フィルタのフィードバックパス１４５は、図に示すようなリング共鳴構造を有する。本発明によれば、リング共鳴構造を１つだけ用いるが、大きな幅の遅延あるいはチャープの修正が達成でき、このため前掲の特許出願のフィルタよりも利点がある。ヒーター１８５はリング状に配置されている。
【００２０】
本発明によれば、オールパル光学フィルタに入る光学パルス１２０は、通常の未変調パルストレインである。本明細書でパルストレインを「正規」と定義する意味は、パルストレインは、図２に示すような通常の繰り返しレートを有すること、即ちパルストレインの各周波数は、別の（即ち、隣接する）パルストレインの周波数に図２で“Ｒ”と示す値だけ異なることを意味する。光学パルスがオールパス光学フィルタに入ると、パルスの一部はフィードバックパス１４５に与えられ、その中を巡回する。
【００２１】
光学パルスがフィードバックパス１４５内を通過する毎に、光学パルスの一部はスプリッタ／コンバイナ１４３を介して出力ポート１５０に与えられ、これによりフィードバックパス１４５内に導入される光学パルスの一部を徐々に減らし（incrementally reduces ）、最終的にそれを除去する。フィードバックパス１４５の長さは、光学パルスの長さよりも通常短い。かくして、入力光学パルス１２０がフィードバックパス１４５に沿って繰り返し循環するにつれて入力光学パルス１２０は自分自身と干渉しあう。
【００２２】
即ち、フィードバックパス１４５内を循環する光学信号の先端エッジ部分は、フィードバックパス１４５に入る光学信号の後端エッジ部分と干渉しあう。光学パルスの先端と後端との間の干渉により、周波数依存性の時間遅延が光学パルスの周波数に加えられる。周波数依存性の時間遅延が光学パルスの各周波数に加えられた後、パルスは出力ポート１５０を介してフィルタから出力される。
【００２３】
フィルタにより付加された時間遅延は、フィルタの設計により決定され、フィードバックパス１４５に加えられた熱により調整される。かくして、少なくとも１つのヒーター１８５がフィードバックパス１４５に結合される。スプリッタ／コンバイナ１４３とフィードバックパス１４５の結合比率が、フィードバックパス１４５に結合されあるいは切り離される光学パルス１２０の一部を決定し、加えられる周波数依存性の時間遅延に対する値に影響を及ぼす。
【００２４】
リングに対する結合比率κは、時間遅延ピークの高さと幅を決定し、リングに対する位相φが各遅延ピーク間のＦＳＲの値を決定する。かくして、各遅延ピークの高さと幅は、デバイスの設計に組み込まれた結合係数κにより決定される。
図５は、単一段のオールパス光学フィルタの５つの連続するＦＳＲの周波数と正規化したグループ遅延との関係を表すグラフである。同図から分かるように、フィルタは互いにＦＳＲだけ離間した５個のピークからなる時間遅延スペクトラムを有する。
【００２５】
ＦＳＲに対する値は、共鳴リングの位相φによって決めることができ、そして遅延ピークの高さ“ｈ”と幅“ｗ”は、結合係数κに依存して決定できる。さらにまた熱を加えることによりκとφの値を調整するが、これはオールパス光学フィルタに入力される信号に合わせて行われる。κとφを設計する際の考慮事項は、前掲の特許出願に開示されており、入力信号と所望の遅延期間に依存して当業者が決定できるものである。
【００２６】
本発明の一実施例によれば、オールパス光学フィルタは、時間遅延スペクトラムを有するよう構成され、遅延ピークのＦＳＲ（図５）は、入力パルスの繰り返しレート“Ｒ”（図２）に等しい。ＦＳＲが信号の全帯域ではなく、光学パルスの繰り返しレートに等しい場合には、パルストレインの各周波数は、同一の最大量だけ遅延される、例えば各周波数は、図５の各遅延ピークの最大高さ“ｈ”により表される期間遅延される。したがって、信号全体が同一期間だけ遅延される。
【００２７】
本発明の他の実施例においては、ＦＳＲは入力パルストレインの繰り返しレートから若干ずれている。例えば、図６はフィルタの時間遅延スペクトラムのプロットに重ね合わされたパルストレインの周波数（矢印１５ａ′，１５ｂ′，１５ｃ′…１５ｇ′）を示す。ここでＦＳＲの値は任意単位１を表し、繰り返しレート“Ｒ”の値は１より若干小さい。したがって、パルストレイン１５ａ′の第１周波数は最大ピーク遅延を受け、その後の各周波数は若干異なる遅延（この実施例の場合少ない遅延）を受ける。遅延周期の差が線形のパスに従うとすると、デバイスはパルストレイン上の線形チャープに対し修正することができる。
【００２８】
かくしてこの実施例は、分散補償素子としてレーザキャビティ内で用いることができる。ある種のレーザ例えばパルスレーザは、正規の繰り返しレートを有しチャープを受ける。このようなレーザは、本発明の単一段のオールパス光学フィルタと共に使用するのに適し、そしてフィルタはチャープしたパルスを等化する機能を有する。いずれの場合にも繰り返しレートがＦＳＲからずれている程度は、パルストレインの位相と修正すべきチャープ量と生成すべき分散量に依存する。通常繰り返しレートは、ＦＳＲの値に対し、約１０％ＦＳＲからずれている。
【００２９】
好ましくは、オールパス光学フィルタのフィードバックパスは、図７Ａ、７Ｂに示すようにマッハツエンダー干渉計（Mach-Zehnder interferometer（ＭＺＩ)）に並列に配置される。このＭＺＩは、ボックス領域３００として示している。
この実施例においては、ヒーター１８５，３０５は、導波路アーム３０３，３０４に沿って配置され、一方のヒーター１８５は結合係数κを調整するために用いられ、他方のヒーター３０５はデバイスの位相φを調整するために用いられる。
【００３０】
ＭＺＩの構造は、複数のカプラ３０８を有するがこれらは同一でもよい。ＭＺＩの構造を折り曲げてフィードバックパスの長さの増加を抑えることができる。
図７Ａにおいては、導波路アーム３０３，３０４のパス長さは、若干異なりこれにより波長依存性のフィードバック結合を設計する際のフレキシビリティを与えることができる。図７Ｂにおいては、導波路アーム３０３，３０４のパス長さは交差してほぼ等しくなる。図７Ｂの構造においては、光学信号損失は、導波路アーム対し交差角を増加させることにより減らすことができる。アームが交差することは大きなフィードバック結合が達成できる点で好ましいが、その理由は効率κは製造の許容差に影響を与えることなく大きくすることができるからである。
【００３１】
正規のパルストレインと繰り返しレートを有する信号を図２に示すが、これは光学通信システムで信号を送信するために特にそのこと自体は有利なわけではない。しかし、本発明者等は、本発明の単一段のオールパス光学フィルタは、正規の繰り返しレートを有する信号と共に用いると、光学時分割多重化／分離化システムの制御信号を同期化する点で有利であることを見いだした。このことを示すために図８は、オンチップの同期化を有するオールパス時分割器を示す。
【００３２】
マルチプレクサ（図示せず）から受信した高速光学信号ＳI は、分離化装置１１０またはディマルチプレクサに入力される。入力信号ＳI は、複数の異なるソースから受信した情報に対応して高速で伝播する複数のパルス（１２５）を含む。制御信号“Ｃ”は、制御信号１３５を有する分離化装置１１０に入力される。
入力信号ＳI から選択パルスを取り除くために動作する制御信号“Ｃ”に対しては、制御信号は時間的にオーバラップしなければならない、即ち言い換えると入力信号と同期しなければならず、その結果同時にスイッチ内に到着する。例えば、図８に示すように、制御信号１３５の２つのパルスは、点線ＴS に続く入力信号１２５のパルスと同期している。
【００３３】
本発明のオールパス光学フィルタ１３０を制御ライン上に組み込んで制御信号のタイミングを遅らせその結果入力信号ＳI のパルスと時間的に同期する。本発明の単一段オールパス光学フィルタは、他のデバイス例えば多段オールパス光学フィルタに比べて複雑ではなく、広い周波数範囲に亘って一定の遅延時間を達成でき、振幅ではなく信号の位相にのみ影響を与え、スイッチと同じチップ上に集積することができる。かくして本発明は、高速集積化光学電子デバイスを形成するのに有利である。
【００３４】
【発明の効果】
本明細書では単一段のオールパス光学フィルタは、パルスレーザの線形チャープを修正するアプリケーションおよびＯＴＤＭシステムの制御信号を遅延させる例を用いて説明したが、本発明は他のアプリケーションにも同様に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学時分割多重化／分離化システムを表す図
【図２】様々な周波数を含む光学パルスと各周波数に対する繰り返しレートを表すグラフ
【図３】フィードバックパスがリング共鳴器を含む単一段のオールパス光学フィルタを表す図
【図４】任意のブロードバンド信号に適用される４段のオールパス光学フィルタの周波数と正規化したグループ遅延の関係を表すグラフ
【図５】ＦＳＲが入力パルストレインの繰り返し速度に等しい場合の本発明のオールパス光学フィルタの一実施例の周波数の関数と正規化グループ遅延との関係を表すグラフ
【図６】ＦＳＲが入力パルストレインの繰り返し速度から若干ずれている状態の本発明のオールパス光学フィルタの一実施例の周波数の関数と正規化グループ遅延との関係を表すグラフ
【図７】マッハツエンダー干渉計構造を具備した単一段オールパス光学フィルタを表す図
【図８】オンチップ同期化を具備する全光学時分割ＤＥＭＵＸを表す図
【符号の説明】
１０  光学パルス
１１  トランクファイバ
１５  波
１００  時分割多重化装置（ＴＤＭ）
１０２，１０３，１０４  低速送信器
１０５  多重化装置
１１０  分離化装置
１１５  受信機
１２０  入力光学パルス
１２５  入力信号
１３０  オールパス光学フィルタ
１３５  制御信号
１４０  入力ポート
１４３  スプリッタ／コンバイナ
１４５  フィードバックパス
１５０  出力ポート
１８５，３０５  ヒーター
３００  ボックス領域
３０３，３０４  導波路アーム
３０８  カプラ
【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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