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WO2004063797A1 - 分散補償素子、光学結晶、分散補償システム、分散補償方法 - Google Patents

分散補償素子、光学結晶、分散補償システム、分散補償方法 Download PDF

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WO2004063797A1
WO2004063797A1 PCT/JP2004/000170 JP2004000170W WO2004063797A1 WO 2004063797 A1 WO2004063797 A1 WO 2004063797A1 JP 2004000170 W JP2004000170 W JP 2004000170W WO 2004063797 A1 WO2004063797 A1 WO 2004063797A1
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WO
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dispersion
optical pulse
waveguide
optical
regions
Prior art date
Application number
PCT/JP2004/000170
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kensuke Ogawa
Mitsuru Fujii
Original Assignee
Bussan Nanotech Research Institute, Inc.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to JP2005507997A priority patent/JP4668065B2/ja
Priority to US10/542,383 priority patent/US7515785B2/en
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    • G02F2203/26—Pulse shaping; Apparatus or methods therefor

Definitions

  • Dispersion compensation element optical crystal
  • dispersion compensation system dispersion compensation method
  • the present invention relates to a dispersion compensator, a dispersion compensation system, and the like for compensating chromatic dispersion generated during optical pulse transmission.
  • the speed at which light travels through a substance is determined by the refractive index of the substance.
  • the refractive index changes according to the frequency of light (wavelength in air), so that the speed of light depends on the wavelength. It is known that the wavelength dependence of the refractive index distorts the waveform of an optical pulse while the optical pulse travels through a substance, which causes the pulse width to be widened.
  • wavelength dispersion Such a characteristic that the light speed varies depending on the wavelength of light.
  • the waveform of the optical pulse is distorted and the time width of the optical pulse is expanded while traveling in the optical fiber, but the time width of the optical pulse is large at the conventional transmission speed. This is not a major problem.
  • the data transmission speed If the intensity increases, crosstalk and transmission errors occur due to interference between the light pulses before and after. For this reason, simply increasing the transmission speed with the current technology cannot achieve higher-speed data communication.
  • a photonic crystal has a structure in which two substances having different refractive indices are periodically arranged, and a specific waveguide is formed by forming a defective waveguide (continuous missing portion) by partially deficient in this arrangement. Only the light of the frequency passes, and a guided mode that gives a specific chromatic dispersion to this light is generated. By using this waveguide mode, the chromatic dispersion of the optical fiber transmission line is compensated (for example, Kazuhiko Hosomi, Toshio Katsuyama, "Light propagation characteristics of photonic crystal coupling defect waveguide (2)"). , "The 3rd Proceedings of the 63rd Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 3rd Volume", The Japan Society of Applied Physics, September 24, 2002, p. ) 0
  • the chromatic dispersion is caused by the wavelength (or frequency, hereinafter simply referred to as wavelength) dependence of the phase of the optical pulse as described above.
  • wavelength or frequency
  • the position of the light wave A phase is represented as a polynomial developed by terms of different wavelengths (power exponents) around a certain wavelength.
  • the coefficient of the second-order term corresponds to the lowest-order chromatic dispersion, followed by the third-order, fourth-, and fifth-order coefficients (for example, Kensuke Ogawa, Optical pulse measurement ",” Ultrafast Optical Electronics Technology, Handbook “, Cypec Co., Ltd., January 31, 2003, Chapter 2, 2.4. :)
  • wavelength dispersion compensation techniques using photonic crystals or optical fiber diffraction gratings can compensate for chromatic dispersion for individual orders such as the second, third, and fourth order.
  • the chromatic dispersion could not be compensated for the order of. This makes it impossible to achieve chromatic dispersion compensation for ultra-high-speed, large-capacity optical communications using a wide spectral band.
  • an ultrahigh-speed and large-capacity optical fiber transmission line is designed by itself so that the transmission characteristics of an optical pulse are optimized. That is, the chromatic dispersion is configured to be zero for the entire transmission line.
  • an optical fiber transmission line laid on the sea floor or the like may deviate from the optimized condition of the optical fiber transmission line due to effects of temperature, pressure, vibration, and the like.
  • the chromatic dispersion in an optical fiber transmission line changes constantly between positive and negative.
  • the present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a dispersion compensating element, a dispersion compensating system, and the like that can realize a high transmission speed of an optical pulse. Disclosure of the invention
  • the dispersion compensating element of the present invention compensates for chromatic dispersion of an optical pulse incident from the outside, and a waveguide for guiding an optical pulse from an incident end to an output end; And a dispersion varying means for varying the absolute value and the sign of the chromatic dispersion given to the optical pulse.
  • any configuration may be adopted, but for example, the following configuration is suitable.
  • the waveguide can be formed by an optical element such as a photonic crystal.
  • a photonic crystal is formed by alternately and periodically arranging two substances having different dielectric constants, and a waveguide is formed by continuously removing the other substance present in one substance. Can be formed.
  • the signs of the chromatic dispersion with respect to the optical pulse are made different from each other, and positive and negative regions can be provided.
  • the wavelength for the light pulse The order of the variances can also be different. In this way, dispersion compensation can be performed for positive or negative or multi-order chromatic dispersion.
  • regions having different signs of chromatic dispersion are provided for each order of chromatic dispersion with respect to the optical pulse, it is possible to cope with positive and negative fluctuations in each order. In such a case, if the dispersion compensating element compensates for chromatic dispersion up to the nth order, 2 (n ⁇ 1) regions are provided.
  • the plurality of regions provided in this manner are preferably provided in an array that minimizes the reflection of the light pulse at the boundary between the adjacent regions.
  • an energy applying member for independently applying energy such as electricity, heat, and pressure from the outside is provided, so that the light pulse is given. It is possible to configure a dispersion varying means for freely varying the absolute value and the sign of the chromatic dispersion.
  • the carrier density of the waveguide can be changed, and the refractive index of the waveguide can also be changed.
  • An energy applying member for applying a voltage is electrically connected to the terminal.
  • the crystal element of the photonic crystal may be an integrated crystal or a combination of a plurality of separate crystals.
  • the present invention relates to a waveguide for guiding an optical pulse from an input end to an output end, and a carrier having a different carrier density from the waveguide.
  • Such a dispersion compensating element can be formed by using a photonic crystal in which a plurality of regions having different combinations of sizes and intervals of the other substance existing in one substance are arranged along a direction in which the waveguide is continuous. Good, but photonics with only one region where the combination of size and spacing of the other material in one material is single A lock crystal may be used.
  • the present invention can be considered as an optical crystal alone such as a photonic crystal. That is, the optical crystal of the present invention includes a periodic array layer formed by alternately and periodically arranging two substances having different dielectric constants. A plurality of regions where the other material arranged in a row is continuously missing and a continuous missing portion is formed, and in the direction in which the continuous missing portion is continuous, the periodic arrangement characteristics of the other material in one material are different. The feature is that is formed.
  • the periodic arrangement characteristics include the size and the interval of the other substance arranged in one substance.
  • the plurality of regions have different absolute values or signs of chromatic dispersion given to the optical pulse when the optical pulse passes through the continuous missing portion.
  • An optical crystal can also be formed by laminating, on the periodic array layer, another layer formed of a material having a different refractive index from one of the substances forming the periodic array layer.
  • the continuous missing portion may be formed three-dimensionally in the periodic array layer, but is preferably formed two-dimensionally in order to enhance the easiness of design and manufacture. For the same reason, it is preferable that the continuous missing portion is formed linearly from one end to the other end of the periodic array layer.
  • a different-density region having a carrier density different from that of the continuous missing portion may be formed in the periodic array layer.
  • the different density region has a higher carrier density than the continuous missing portion.
  • An electrode for applying a voltage to the periodic array layer is connected to such a different density region. That is, this different density region functions as a terminal portion. In this case, in order to suppress electric resistance, it is preferable that the different density region has a larger area than the plurality of regions.
  • the present invention relates to a dispersion compensation system for an optical pulse propagating through an optical pulse transmission line. You can also catch it.
  • the dispersion compensation system extracts an optical pulse propagated through the optical pulse transmission line at an optical pulse extraction unit provided on the optical pulse transmission line, and outputs the optical pulse propagated through the optical pulse transmission line.
  • the chromatic dispersion is compensated by giving chromatic dispersion to the dispersion compensator.
  • the absolute value and sign of the chromatic dispersion given to the optical pulse are feedback-controlled by the dispersion compensating unit based on the optical pulse extracted by the optical pulse extracting unit by the control unit.
  • the dispersion compensator includes a waveguide having a plurality of regions having different wavelength dispersions given to the optical pulse incident from the optical pulse transmission line, and energy for changing a refractive index of the waveguide for each region of the waveguide. And an energy applying unit for applying the energy independently from the outside.
  • the controller controls the absolute value and sign of the chromatic dispersion given to the optical pulse by the dispersion compensator by controlling the amount of energy applied by the energy applying unit.
  • control unit refers to the data storage unit based on the characteristics of the light pulse extracted by the light pulse extraction unit, that is, the characteristics of the light pulse before compensation obtained by monitoring this light pulse, and the energy application unit Obtain data on the amount of energy to be applied. Then, based on this energy amount data, the dispersion compensator controls the absolute value and sign of the chromatic dispersion given to the optical pulse.
  • the present invention provides an optical pulse extracting unit provided on an optical pulse transmission line and extracting an optical pulse propagated through the optical pulse transmission line, and an optical pulse extracting unit provided on the optical pulse transmission line and propagated through the optical pulse transmission line In order to change the refractive index of the dispersion compensator by changing the carrier density of the dispersion compensator based on the dispersion compensator that gives chromatic dispersion to the optical pulse and the optical pulse extracted by the optical pulse extractor, And a voltage control unit that controls the voltage applied to the dispersion compensating unit, and can be regarded as a dispersion compensating system for the optical pulse propagating through the optical pulse transmission line.
  • the present invention provides a switch for extracting an optical pulse propagated through an optical pulse transmission path. Determining the absolute value and the sign of the chromatic dispersion given to the optical pulse propagated through the optical pulse transmission line based on the extracted optical pulse; and Fluctuating the chromatic dispersion applied to the optical pulse propagated through the pulse transmission line.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the dispersion compensating element according to the present embodiment
  • FIG. 2 (a) is a cross-sectional view of the dispersion compensating element
  • FIG. 2 (b) is a plan view of (a)
  • FIG. Fig. 4 is a perspective view of the core layer.
  • Fig. 4 is a frequency-wavenumber characteristic curve.
  • Fig. 5 is a diagram showing the differences in the waveguide modes in the regions (1) and (II).
  • Fig. 5 is the normalized wavenumber.
  • (A) is a diagram showing the case where the branch of the waveguide mode is closest at zero wavenumber
  • (b) is a diagram showing the case where the branch is closest at the Brillouin zone boundary
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a dispersion compensating element when performing multi-order dispersion compensation.
  • FIG. 6 (a) is a plan view of a core layer
  • FIG. 6 (b) is a diagram showing a difference in a waveguide mode in each region
  • FIG. 7 is a diagram showing the principle of compensation when performing multi-order dispersion compensation
  • FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a dispersion compensation system
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of a dispersion compensating element that varies the refractive index by changing the carrier density of the defect waveguide.
  • FIG. 10 is a dispersion compensation having the cross-sectional structure shown in FIG. FIG.
  • FIG. 11 is a plan view showing an example of the element
  • FIG. 11 is a plan view showing another example of the dispersion compensating element having the cross-sectional structure shown in FIG. 9, and
  • FIG. 12 is a cross-sectional structure shown in FIG.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a further example of the dispersion compensating element having the following.
  • FIG. 13 is a view showing another example of the dispersion compensating element.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of a dispersion compensating element constituting a dispersion compensation system according to the present embodiment.
  • the dispersion compensating element (dispersion compensating section) 10 X is composed of a photonic crystal section 20 and an electrode (dispersion) provided on one surface of the photonic crystal section 20. (Variation means, energy applying member).
  • the photonic crystal part 20 is formed by laminating a cladding layer (other layer) 22 and a core layer (periodic array layer) 23 on a substrate 21.
  • the cladding layer 22 is formed of a silicon oxide film (Si 2 ) or a silicon nitride film
  • the core layer 23 is formed of a silicon crystal (S i) as a dielectric.
  • the core layer 23 has holes 24 formed periodically.
  • the core layer 23 is made of a material (for example, gas such as air, or may be filled with another substance) that fills the hole 24 with the base material (for example, Si) of the core layer 23. It is formed by alternately and periodically arranging two types of substances having different dielectric constants (refractive indexes).
  • the holes 24 are formed not only in the core layer 23 but also in the clad layer 22, but this is due to manufacturing reasons, and at least only in the core layer 23. What is necessary is just to be formed.
  • the holes 24 formed in the core layer 23 have a predetermined radius (size) r, are arranged in a triangular lattice shape having an equilateral triangle as a unit cell, and the holes 24 in each unit cell are at a predetermined interval. (The length of one side of an equilateral triangle.) Separates a.
  • the core layer 23 has regions (1) and (II) in which the radius r of the hole 24 and the interval a are set differently.
  • the cladding layer 22 on the lower surface and air on the upper surface exists on the upper and lower surfaces of the core layer 23
  • Light incident from the incident end on one end side of the defective waveguide 25 propagates while being reflected on the upper and lower surfaces of the core layer 23 and exits from the exit end on the other end side of the defective waveguide 25.
  • an electrode 30 is provided on one side of the photonic crystal part 20, specifically, on the side facing the core layer 23 instead of the substrate 21. .
  • the electrode 30 is for externally applying energy for changing the refractive index of the core layer 23.
  • electrodes 30A and 30B are provided independently as electrodes 30 corresponding to regions (I) and (II).
  • a power supply (not shown) and a controller (not shown) for controlling the voltage applied by the power supply are externally connected to the electrodes 30A and 30B.
  • the dispersion variation means is configured.
  • the controller separately controls the voltage applied from the power supply to the electrode 30 in the region (I) and the electrode 30B in the region (1 I), thereby giving the voltage in the regions (I) and (II).
  • the chromatic dispersion is varied independently, and optimal dispersion compensation is thereby performed.
  • the substrate 21 of the photonic crystal 20 impurities formed of silicon containing (S i) in order to have conductivity
  • the cladding layer 22 is a silicon oxidation film (S i 0 2) or
  • the silicon nitride and the core layer 23 were formed of silicon crystal (Si) as a dielectric.
  • the thicknesses of the cladding layer 22 and the core layer 23 were 100 nm and 220 nm, respectively.
  • the thicknesses of the cladding layer 22 and the core layer 23 are under the condition that the transverse mode of the defect waveguide 25 is single (23 nm or more and 240 nm or less with respect to transverse electric (TE) polarized light).
  • a resist is applied on a material forming the core layer 23, and a pattern of predetermined holes 24 is formed on the resist by a technique such as photolithography. Then, a pattern of holes 24 for forming the defect waveguide 25 is formed on the material for forming the core layer 23 by dry etching. Here, the portion of the hole 24 was air.
  • the arrangement of the holes 24 was a triangular lattice having an equilateral triangle as a unit cell, and the period was different between the regions (I) and (II).
  • a 493 nm
  • & 473 nm.
  • the interval d (see FIG. 1) between the adjacent holes 24 at the boundary between the regions (I) and (II) is set to be shorter than the larger value of the period of the triangular lattice, that is, 473 nm.
  • the defect waveguide 25 through which light propagates has a linear shape formed along the line segment Pi-Ps, and the defect waveguide 25 is filled with one hole 24 in the region (I) ( Defective).
  • the width of the defect waveguide 25 in the region (I I) is equal to the width of the region (I).
  • the length of the defect waveguide 25 is 100 m, and the total length of the defect waveguide 25 in the dispersion compensating element 10X is 200 / im.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of dispersion compensation in the dispersion compensating element 10X.
  • the regions (I) and (II) of the photonic crystal part 20 each have the band characteristics that characterize the light wave propagation shown in FIG.
  • the waveguide modes of branches 1 and 2 having different signs of curvature are formed in the photonic gap.
  • the vertical axis and the horizontal axis of the graph of FIG. 4 are the frequency and frequency of light normalized by 1 a.
  • the guided mode is in the transverse electric (TE) polarization state.
  • TE transverse electric
  • the defect waveguide 25 light propagates in a branch 1 or branch 2 mode.
  • the center frequency of the incident light pulse is a specific frequency
  • the mode of the upper branch 2 occurs in the region (I) of the defect waveguide 25, and the lower branch 2 occurs in the region (II).
  • the radius r and the interval a of the holes 24 in the regions (1) and (II) are set to be different from each other so that the mode 1 occurs.
  • the guided mode is divided into two cases: the case where branches 1 and 2 are closest at zero wave number, and the case where the branches are closest at the Brillouin zone boundary as shown in Fig. 5 (b). Yes, both cases are applicable, but the present embodiment is directed to a photonic crystal having the characteristics shown in FIG. 5 (a).
  • the relationship between frequency and wavenumber is important. From this relationship, the speed at which light propagates through the material is determined. This speed refers to the speed at which the center of gravity of the light pulse moves, and is called the group speed.
  • the group velocity is given as the slope (differential coefficient) of the frequency-wavenumber characteristic curve. In vacuum or air, the frequency-wavenumber characteristics are linear, and the group velocity is constant regardless of frequency.For materials such as glass, semiconductor, and metal, the frequency-wavenumber characteristics are not linear, and the group velocity is It changes according to the frequency. Therefore, when light incident from the air passes through a substance, the group velocity changes according to the frequency (which may be referred to as a wavelength) of the light incident from the air.
  • an optical pulse contains not only a single wavelength but also various wavelength components
  • the group velocity depends on the wavelength
  • the width of the optical pulse increases as it propagates through a substance, and the waveform is distorted.
  • the group velocity depends on wavelength or frequency
  • the dependence is called chromatic dispersion.
  • the rate at which the group velocity changes according to the wavelength (or frequency) is called group velocity dispersion.
  • Group velocity dispersion is equal to the second derivative of the frequency-wavenumber characteristic curve.
  • the signs of the group velocity dispersion are inverted from each other in branches 1 and 2. Therefore, the curve is varied by adjusting the bias voltage applied to the regions (I) and (II), so that the defect waveguide 25 as a whole including the regions (I) and (II) has positive, It is possible to generate zero or negative group velocity dispersion.
  • the bias voltages (I) and (I) are generated so that the group velocity dispersion of the optical fiber transmission line is opposite in sign to the group velocity dispersion of the same absolute value. II) to change the chromatic dispersion of the target optical fiber transmission line. Remove it.
  • FIG. 6 is for realizing dispersion compensation for multiple-order terms, while the dispersion compensating element 1 OX shown in FIG. 1 is for realizing positive and negative dispersion compensation.
  • the dispersion compensating element (dispersion compensating unit) 10Y is basically the same as the dispersion compensating element 10X shown in FIG. 1, the same components are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the photonic crystal part 20 is formed by laminating a clad layer 22 and a core layer 23 on a substrate 21.
  • the radius r and the interval a of the holes 24 formed periodically are set to be different for each force region.
  • the dispersion compensating element 10Y corresponding to multi-order dispersion compensation has 2 (n ⁇ 1) regions if dispersion compensation of terms up to n-order is realized.
  • the radius r and the interval a of the hole 24 are set.
  • FIG. 7 is for explaining the case where such dispersion compensation of terms up to the third order is performed.
  • the area (IV) is positive for the second-order term
  • the area (I) is negative for the second-order term
  • the area (III) is positive for the third-order term
  • the area (II) is positive.
  • each equation represents the frequency-wavenumber characteristic curve near the center frequency by approximation by a power of V.
  • k wave number
  • C positive number
  • V frequency expressed with the center frequency as the origin.
  • the coefficient of the second-order term (c, 2 -c2 + c '''' 2 — c,, 2 ) gives the second-order dispersion compensation value in the dispersion compensation element 1OY
  • the above-described dispersion compensating element 10Y has, for example, a configuration including four regions (1) to (IV).
  • the arrangement is such that light attenuation due to reflection caused by a difference in the refractive index is minimized at the boundary between adjacent regions.
  • FIG. 8 shows a configuration of a dispersion compensation system 50 configured using the above-described dispersion compensation element 1OX or 1OY.
  • the dispersion compensation system 50 is provided on the optical fiber transmission line 100.
  • the optical fiber transmission line 100 is laid, for example, over a long distance on the sea floor or the like, so that an optical pulse train incident from the incident side 101 of the transmission server or the like passes through the optical fiber transmission line 100. And is emitted from the emission unit 102 side of the receiving server or the like.
  • the dispersion compensation system 50 is provided in the vicinity of the emission unit 102, and includes a power brush (pulse extraction unit) 51, a monitor device 52, and a control device (control unit, voltage control unit) 53. And a dispersion compensating element 1 OX or 10 Y (hereinafter simply referred to as 1 OX).
  • the coupler 51 extracts an optical pulse from the optical fiber transmission line 100.
  • the monitoring device 52 receives the optical pulse extracted by the coupler 51 via an optical fiber 54 as short as possible, while ignoring the effect of chromatic dispersion, and monitors the waveform of the optical pulse. Specifically, the waveform of the optical pulse taken out of the optical fiber transmission line 100 is monitored (measured) on the time-spectrum plane, and the waveform control is performed. The chromatic dispersion of the target optical pulse is decomposed into coefficients for each order and obtained, and this is output as chromatic dispersion information.
  • This monitoring device 52 is described in, for example, K 0gawa, 'Real-time intuitive spectrogram measurement of ultrashort optica ⁇ pulses using two-photon absorption in a semiconductor', [online], 2004 (2000) March 11, 2011, Optics Express, Vol. 10, No. 5, p. 262-267, Optical Society of America, [Searched in January 2003, January 14, 2003]
  • URL: http: //Temporary.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI 0PEX-10-5-262>
  • the control device 53 receives the chromatic dispersion information output from the monitor device 52 via the short optical fiber 55.
  • the control device 53 includes a database (data storage unit) 56.
  • the database 56 stores the electrodes 30A of the dispersion compensating element 10X according to the sign and the absolute value of the chromatic dispersion. Data of the voltage application amount at 30 B is stored.
  • the chromatic dispersion information (coefficient of chromatic dispersion) received from the monitor device 52 is absolutely referred to by referring to the database 56.
  • Data on the amount of voltage applied to the electrodes 30 A and 30 B for generating the chromatic dispersion having the same value and the inverted sign is generated by the dispersion compensating element 10 X. Then, the obtained voltage application amount data is output to the dispersion compensating element 10 X.
  • the defective waveguide 25 is interposed on the optical fiber transmission line 100, and the optical pulse propagating through the optical fiber transmission line 100 It is provided so that it enters from one end of the incident end and exits from the emission end on the other end to the optical fiber transmission line 100.
  • a power supply (not shown) for applying a voltage to the electrodes 30 A and 30 B of the dispersion compensating element 10 X and a controller (not shown) for controlling the amount of voltage applied by the power supply are provided.
  • the dispersion compensation element is connected to 10X.
  • the data of the applied voltage output from the controller 53 is light:
  • the data is transferred to the controller (not shown) of the dispersion compensating element 1 OX via.
  • the controller changes the refractive index of each of the regions (1) and (II) by applying a predetermined voltage from the power supply to the electrodes 30A and 3OB based on the received voltage application amount data.
  • the optical pulse extracted from the optical fiber transmission line 100 is monitored by the monitor device 52, and based on the chromatic dispersion information, the voltage applied by the dispersion compensation element 10X The amount of application was controlled by the controller 53. This makes it possible to always perform optimal dispersion compensation in the optical fiber transmission line 100 even when conditions change due to temperature, weather, and the like.
  • the dispersion compensating element 100X has a configuration in which positive and negative dispersion compensation can be performed by changing the sign of the chromatic dispersion compensation independently of the absolute value of the chromatic dispersion. Even if the chromatic dispersion at the point continuously changes between positive and negative, dispersion compensation can be performed.
  • the dispersion compensating elements 10 X and 10 ⁇ ⁇ only differ in the radius r and the interval a of the holes 24 in each region, they do not have a particularly complicated structure and have a relatively low cost. The above effects can be realized.
  • the control device 53 controls the amount of voltage applied to the electrodes 30A and 30B by referring to information stored in the database 56 in advance. Since there is no need to perform any complicated processing, the control device 53 itself can be manufactured at low cost.
  • the dispersion compensating element 1 OX or 10 Y is configured to change the refractive index of the photo-Yuck crystal part 20 by applying a bias voltage using the electrode 30.
  • the absorption spectrum (imaginary part of the refractive index) of the photonic crystal part 20 can be changed by injecting holes and applying a bias voltage.
  • FIG. 9 is an example of such a dispersion-capturing element 10 mm.
  • the dispersion compensating element 10Z has a cladding layer 22 and a core layer 23 laminated on a substrate 21, and a cladding layer 60 is laminated on the core layer 23 as a whole. It has a configuration.
  • Substrate 21 is, for example, silicon (S i)
  • the cladding layer 22, 60 is a silicon Sani ⁇ (S i 0 2) or a silicon nitride film
  • the core layer 23 is formed of silicon crystal is a dielectric (S i) I have.
  • the substrate 21 has a thickness of, for example, about 500 ⁇
  • the cladding layers 22 and 60 have a thickness of, for example, 200 nm to 1 ⁇ m, specifically, 300 nm
  • the core layer 23 has a thickness of about 250 nm. have.
  • the dispersion compensating element 10 Z has a cross section orthogonal to the direction in which the defect waveguides 25 are continuous, that is, in the cross section shown in FIG. 9, the substrate 21, the cladding layer 22, the core layer 23, the cladding layer 60 and the force hole 24. (Hereinafter referred to as a photonic crystal region) is formed so as to extend laterally beyond R1. That is, there is a photonic crystal region R1 in which holes 24 are formed on both sides of the defect waveguide 25, and an extended region R2 in which the holes 24 are not formed. It is.
  • the core layer 23 sandwiched between the upper and lower cladding layers 22 and 60 is formed in the extension region R 2 and as a region (different density region) having a carrier density different from that of the defect waveguide 25 in the center (f-terminal region 70). ing.
  • an electrode (dispersion variation means, energy applying member) 80 for applying a voltage is electrically connected to the terminal portion 70, and the bottom side of the substrate 21 is Is electrically connected to a reference electrode 81 for supplying a reference potential.
  • the terminal portion 70 has a carrier density different from that of the defect waveguide 25 by doping or undoping impurities (electrons or holes) contained in the core layer 23.
  • the electrode 80 is electrically connected to the terminal portion 70 and a bias voltage is applied, electrons or holes move due to a difference in carrier density between the portion of the defective waveguide 25 and the portion of the terminal portion 70, As a result, the carrier density of the defective waveguide 25 changes, and the absorption spectrum changes.
  • the carrier density of the terminal portion 70 may be lower than that of the defective waveguide 25, but the carrier density of the terminal portion 70 may be higher than that of the defective waveguide 25, that is, It is preferable to dope impurities by ion implantation or the like.
  • the carrier density of the terminal portion 70 is higher than that of the defective waveguide 25, the electric resistance is reduced at the terminal portion 70 to which the electrode 80 is connected, and the electric power of the defective waveguide portion 25 is further reduced. This is because the resistance is increased and the electric field is concentrated and chewy.
  • Such impurities include the p-type elements B (boron), A 1 (aluminum), G a (gallium), In (indium), T 1 (thallium), and n, which are also used in semiconductors. There are N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), Bi (bismuth) and the like of the type elements. Of these, B (boron) is particularly suitable for the p-type element, since doping can be easily performed.
  • the carrier density (the number of impurity elements) of the defect waveguide 25 is 10 17 Z cm 3
  • the carrier density is preferably 5 ⁇ 10 18 to 5 ⁇ 10 19 Z cm 3 , for example, 1 ⁇ 10 19 cm 3 .
  • the substrate 21 preferably has a carrier density equivalent to that of the defect waveguide 25. If the carrier density differs between the substrate 21 and the defective waveguide 25, these This is because charge distribution occurs in between, and the design becomes complicated.
  • the surface 21 a to which the reference electrode 81 is connected to the substrate 21 be doped with impurities in order to reduce electric resistance, for example, to have a carrier density equivalent to that of the terminal portion 70. .
  • FIG. 10 is an example of a dispersion compensating element 1 O Z having a sectional structure as shown in FIG.
  • the dispersion compensating element 102 ⁇ is mounted on the mount 90, and is formed in the extended region R2 on both sides of the area of the photonic crystal region R1.
  • the terminal portion 70 is formed so as to have a relatively large area, and has a substantially H-shape in a plan view. This is because the area of the terminal portion 70 is made as large as possible to reduce its electric resistance.
  • the dispersion compensating element 10Z has the regions (1), (2), where the radius r of the hole 24 and the interval a are set differently. II). Since a bias voltage is applied to each of the regions (I) and (II) independently, the dispersion compensating element 1 has a terminal portion 70 and an electrode 8 on both sides of the regions (I) and (II), respectively. 0 is provided, and an external electrode 86 provided on the mount 90 is electrically connected to each of the four electrodes 80 via a lead 85.
  • a spherical optical fiber F is arranged so as to oppose both ends of the defect waveguide 25 in the photonic crystal region R1, whereby an optical pulse is guided to the defect waveguide 25, and Derived after receiving Okinae.
  • FIG. 11 shows another example of the dispersion compensating element 10Z having a sectional structure as shown in FIG.
  • the dispersion compensating element 10 Z 2 has a terminal portion 70 and an electrode 80 provided in an extended region R 2 extending on both sides of the photonic crystal region R 1. It is trapezoidal (or fan-shaped). As a result, the area of the terminal portion 70 and the electrode 80 is largely secured while the distance to the photonic crystal region R1 having a smaller area than the terminal portion 70 and the electrode 80 is made as short as possible. can do. This is also effective for reducing the electric resistance of the terminal portion 70.
  • FIG. 12 shows still another example of the dispersion compensating element 10 Z having a sectional structure as shown in FIG.
  • the dispersion compensating element 10 Z 3 has only a substantially H-shaped surface just like the dispersion compensating element 1 shown in FIG.
  • the terminals 70 and the electrodes 80 are formed so that the area of the terminals 70 and the electrodes 80 extending on both sides of the electrode 1 is increased.
  • the upper part of the substrate 21 is substantially H-shaped in plan view, and the lower part is substantially rectangular in plan view.
  • Such a dispersion compensating element 10 Z 3 is formed by laminating a cladding layer 22, a core layer 23, and a cladding layer 60 on a substrate 21 to form a rectangular block in plan view, and then forming a photonic crystal. It can be obtained by removing both ends of the defective waveguide 25 in the region R1 by etching or the like to form a stepped portion 91. At this time, projecting portions 92 are formed at both ends of the defect waveguide 25 in the photonic crystal region R 1, and the optical fiber F faces the projecting portions 92. For this reason, it is preferable that the depth of the step portion 91 be set according to the outer diameter of the optical fiber F.
  • the dispersion compensating elements 10 Z to 10 Z 3 shown in FIGS. 10 to 12 have two regions (1) in which the radius r of the hole 24 and the interval a are set differently. , (II), this may be provided with three or more regions, for example, four, like the dispersion compensating element 10Y shown in FIG. In that case, the terminal portions 70 are provided according to the number of regions.
  • the dispersion compensating system 50 shown in FIG. 8 can be configured.
  • the controller 53 stores, in the database 56, data on the amount of voltage applied to the electrode 80 to the dispersion compensating element 10Z according to the sign and the absolute value of the chromatic dispersion. Then, the control device 53 obtains data of the voltage application amount at the electrode 80 according to the chromatic dispersion information received from the monitor device 52 by referring to the database 56, and disperses the data. Output to element 10 Z. The data of the voltage application amount output from the control device 53 is transferred to the controller (not shown) of the dispersion compensating element 10Z via the optical fiber 57.
  • the controller generates a predetermined voltage from the power supply based on the received voltage application amount data, and applies the predetermined voltage to the terminal portion 70 via the electrode 80, thereby to obtain the region (I) of the defective waveguide 25, (II) Each refractive index is changed.
  • the dispersion compensating system 50 always provides the optimum dispersion compensation even if the optical fiber transmission line 100 is subjected to conditions such as temperature and weather. It can be carried out. As a result, it is possible to achieve chromatic dispersion compensation that is compatible with ultra-high-speed, large-capacity optical communication using a wide spectral band, and it is possible to sufficiently achieve a higher transmission speed.
  • a heater is provided in each region, and a current is supplied to the heater to increase the temperature of the core layer 23. Due to the temperature dependence of the refractive index, the chromatic dispersion of the photonic crystal waveguide can be changed and used for chromatic dispersion compensation.
  • a strain can be applied to change the refractive index.
  • the photonic crystal part 20 has only the cladding layer 22 and the core layer 23 on the substrate 21 and the air on one side of the core layer 23.
  • a cladding layer (another layer) 26 may be further provided on the upper surface side of the core layer 23 as shown in FIG. 13 (b).
  • the cladding layer 2 6, similarly to the cladding layer 2 2 can be used S I_ ⁇ 2.
  • the thickness of the cladding layer 22 is 500 nm. The thickness and the like of other parts are the same as described above.
  • the core layer 23 has a configuration in which the linear defect waveguide 25 is formed.
  • the configuration is not limited to the linear shape, and the core layer 23 may have a bent or curved shape.
  • the defect waveguide 25 has a configuration formed two-dimensionally, but it may be configured to be formed three-dimensionally.
  • the monitoring device 52 and the control device 53 monitor the optical pulses to control the dispersion compensation, but the optical pulse propagation conditions in the optical fiber transmission line 100 are not so large. If the use environment does not fluctuate, the power brassiere 51, the monitor device 52, and the control device 53 can be omitted, and a configuration in which constant dispersion compensation is always performed can be adopted.
  • the servers and various terminals used in the input unit 101 and the output unit 102 normally transmit and receive signals to and from the optical fiber transmission line 100. Since it is preferable that the dispersion compensation system 50 performs dispersion compensation immediately before receiving a signal, it is actually preferable to provide the dispersion compensation system 50 at both ends of the optical fiber transmission line 100. .
  • dispersion compensation system 50 may be configured such that the monitor device 52, the control device 53, and the dispersion compensation element 10X, 10Y, or 10Z may be integrated into one device. It may be a separate unit.
  • dispersion compensation can be performed by changing the chromatic dispersion in each region, it is possible to change the absolute value and the sign of the chromatic dispersion compensation.
  • dispersion compensation can be performed by changing the carrier density of the waveguide by applying a voltage and changing the refractive index of the waveguide.
  • wavelength dispersion compensation corresponding to ultra-high-speed and large-capacity optical communication using a wide spectrum band can be realized, and a further increase in transmission speed can be sufficiently realized.

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Abstract

分散補償素子１０Ｘでは、孔２４の半径と間隔が互いに異なる複数の領域(Ｉ)、(ＩＩ)を設定し、領域(Ｉ)、(ＩＩ)のそれぞれにおいて、電極３０Ａ、３０Ｂで印加する電圧を制御することで、波長分散補償の符号と絶対値を可変できるようにした。このような分散補償素子１０Ｘを用いて構成する分散補償システムでは、光ファイバ伝送路から取り出した光パルスをモニタリングし、その波長分散情報に基づき、分散補償素子１０Ｘで印加する電圧印加量をコントロールすることで、光ファイバ伝送路を伝播される光パルスの分散補償を行うようにした。また、電圧を印加することによって導波路のキャリア密度を変動させ、導波路の屈折率を変化させることによっても、分散補償を行うこともできる。

Description

明 細 書 分散補償素子、 光学結晶、 分散補償システム、 分散補償方法 技術分野
本発明は、 光パルス伝送の際に生じる波長分散を補償する分散補償素子、 分 散補償システム等に関する。 背景技術
近年、データ通信は光ファイバを介したものに移行しつつあり、これに伴い、 データの伝送速度も従来より飛躍的に高まっている。
近い将来、 このような光ファイバを介したデータ通信において、 超短光パル スを用い、 現時点での伝送速度より遥かに高速な 1 6 0 G b i t Z sもしくは それ以上の伝送速度で通信を行うことが検討されている。
ところで、 データ通信を行う場合、 常にクロストークや伝送エラーという問 題がついて回るが、 データの伝送速度が高まると、 自ずと個々の光パルスの幅 と、 互いに前後する光パルスの間隔が狭まってくるため、 この問題は非常に重 要な問題となる。
光が物質中を進行する速度は、 物質の屈折率で決まり、 屈折率が大きいほど 光速度は遅くなる。 ガラス、 半導体、 光学結晶等の物質では、 屈折率は光の周 波数（空気中の波長）によつて変化するため、 光速度は波長に依存することにな る。 この、 屈折率の波長依存性により、 光パルスが物質中を進行する間に光パ ルスの波形を歪ませ、パルスの時間幅が広がる要因となることが知られている。 このように、 光の波長に応じて光速度が異なる、 という特性を、 以下、 波長分 散、 あるいは単に分散と称する。
上記のようにして、 光ファイバ中を進行する間に、 光パルスの波形が歪んだ り、 光パルスの時間幅が広がるわけであるが、 従来の伝送速度では光パルスの 時間幅も大きいため、 特に大きな問題とはならない。 しかし、 データの伝送速 度が高まると、 前後の光パルスどうしが干渉するなどして、 クロストークや伝 送エラーが生じてしまう。 このため、 現状の技術のままで単に伝送速度を高め ようとしたのでは、 より高速度でのデータ通信は実現できないのである。
このような問題に対し、 例えばフォトニック結晶を用い、 波長分散を補償す るという試みが既に行われている。
フォトニック結晶は、 屈折率が異なる二つの物質を周期的に配列した構造を 有しており、 この配列の一部を欠陥させて欠陥導波路 (連続欠落部）を形成する ことで、 特定の周波数の光のみが通過し、 この光に対して特定の波長分散を与 える導波モードが発生する。 この導波モードを利用することで、 光ファイバ伝 送路の波長分散を補償するのである（例えば、 細見和彦、 勝山俊夫、 「フォト- ック結晶結合欠陥導波路の光伝搬特性（ 2 )」 、 "第 6 3回応用物理学会学術講 演会講演予稿集第 3分冊" 、 社団法人応用物理学会、 平成 1 4年 （2 0 0 2年） 9月 2 4日、 p . 9 1 7参照。 ) 0
この他、 フォトニック結晶と類似する構造として、 光ファイバ回折格子を分 散補償素子として利用する技術が実施されている。 回折格子の周期を光フアイ バの長手方向に沿って変化させたチヤープ光ファイバ回折格子を用い、 広いス ぺクトル帯域での波長分散を補償するという試みである（例えば、鈴木明、 若林 信一、 「短パルスの分散補償技術」 、 "ォプトロ二タス" 、 株式会社ォプトロ 二タス、平成 1 4年（2 0 0 2年）、 2 1巻、 4号、 p . 1 6 1— 1 6 5参照。；)。 また、 理化学用の超短パルスレーザーが発生する光パルスを対象とした分散 補償について、 プリズム対や回折格子対を用いた技術が普及している。 これら は、主として正の波長分散を補償するものである（例えば、 J_C Diels, W RudolphN
'Ultrashort Laser Pulse Phenomena 、 米国、 Academic Press、 1996年、 p . 43-99参照。 ）。
しかしながら、 上記したような従来の波長分散補償技術を単純に用いたので は、 伝送速度のさらなる高速化には十分に対応しきれないという問題がある。 すなわち、 波長分散は、 前述したように光パルスの位相の波長（もしくは周波 数、 以下、 単に波長と称する）依存性に起因するものである。 一般に、 光波の位 相は、 ある波長を中心として、 波長の次数 (べき指数）の異なる項によって展開 された多項式として表される。 2次の項の係数が最低次の波長分散に対応し、 それに続く次数項の係数として、 3次、 4次、 5次と続くことが知られている（例 えば、 小川憲介、 「超短光パルス測定」 、 "超高速光エレク トロニクス技術ノ、 ンドブック" 、 サイペック株式会社、 平成 1 5年 （2 0 0 3年） 1月 3 1日、 第 2章 2 . 4参照。 ：)。
現状の光パルスの伝送速度では、 2次の項に対して波長分散を補償すれば十 分であつたが、 伝送速度が高まるにつれて、 データ送信に使用する光パルスの 時間幅はより短くなり、それに反比例して光パルスのスぺク トル幅は増加する。 したがって、 伝送速度が上昇するほど、 広いスペク トル帯域にわたり、 より高 次までの波長分散係数を補償しなければ、 光パルスの波形の歪を除去すること はできない。
ところが、 フォトニック結晶あるいは光ファイバ回折格子を用いた従来の波 長分散補償技術では、 2次、 3次、 4次等、 個々の次数に対し、 波長分散を補 償することができるものの、 複数の次数に対し、 波長分散を補償することはで きなかった。 これでは広いスぺク トル帯域を利用する超高速大容量光通信に対 応する波長分散補償は実現できない。
ところで、 超高速大容量の光ファイバ伝送路は、 それ自体で光パルスの伝送 特性が最適となるように設計される。 すなわち、 伝送路全体として波長分散が ゼロとなるように構成される。
し力 し、 例えば海底等に敷設される光ファイバ伝送路は、 温度 ·気圧 ·振動 等の影響により、光フアイバ伝送路が最適化された条件から外れることがある。 そのような状況では、 光ファイバ伝送路における波長分散は、 正負の間を絶え 間なく変化する。
これに対し、 従来の技術では波長分散が正負に変化する場合において、 波長 分散補償の符号を波長分散の絶対値と独立に可変することは困難であった。 こ のことは、 波長分散値がゼ口の付近で正負の間を絶え間なく変化するような状 況に対応することが困難であることを意味する。 なお、 「正」の波長分散とは、波長が長くなるほど光速度が増すことを指し、 「負」 の波長分散とは、 波長が長くなるほど光速度が減少することを指してい る。
本発明は、 このような技術的課題に基づいてなされたもので、 光パルスの伝 送速度の高速化を実現することのできる分散補償素子、 分散補償システム等を 提供することを目的とする。 発明の開示
かかる目的のもと、 本発明の分散補償素子は、 外部から入射される光パルス の波長分散を捕償するものであり、 入射端から出射端まで光パルスを導く導波 路と、 この導波路において光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を可変と する分散変動手段と、 を備えることを特徴とする。
このように、 分散変動手段にて、 光パルスに与える波長分散の絶対値と符号 を可変とすることで、 この分散補償素子に対し入射される光パルスの波長分散 に変動がある場合も、 これに対応した分散補償を行うことができる。
分散変動手段としては、 いかなる構成のものを採用してもよいが、 例えば、 以下に示すようなものが好適である。
まず、 導波路は、 例えばフォトニック結晶等の光学素子によって形成するこ とができる。
フォトニック結晶は、 誘電率の異なる二つの物質を交互に周期的に配列する ことで形成したものであり、 導波路は、 一方の物質中に存在する他方の物質を 連続して欠落させることで形成できる。 本発明では、 一方の物質中に存在する 他方の物質のサイズと間隔の組み合わせが異なる複数の領域を、 この導波路が 連続する方向に沿って配置するのが好ましい。 また、 製造が可能であれば、 領 域ごとに、 一方の物質と他方の物質の一方または双方を異ならせることも可能 である。
複数の領域では、 光パルスに対する波長分散の符号を互いに異ならせ、 正負 の領域を備えることができる。 また、 複数の領域では、 光パルスに対する波長 分散の次数を互いに異ならせることもできる。 このようにすれば、 正負または 複数次の波長分散に対し、 分散補償することができる。 また、 光パルスに対す る波長分散の次数毎に、 波長分散の符号が互いに異なる領域を備えれば、 それ ぞれの次数において正負の変動に対応可能となる。 このような場合、 分散補償 素子が、 n次までの波長分散を補償するのであれば、 前記の領域は 2 ( n— 1 ) 個設けられる。
このように設けられる複数の領域は、 互いに前後する領域の境界部における 光パルスの反射が最小となる配列で設けるのが好ましい。
そして、 これら複数の領域ごとに、導波路の屈折率を変化させるため、電気、 熱、 圧力等のエネルギーを外部から独立して付与するためのエネルギー付与部 材を備えることで、 光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を自在に変動さ せる分散変動手段を構成することができる。
エネルギー付与部材で電圧を印加することによって導波路のキヤリァ密度を 変動させ、 導波路の屈折率を変化させることもできる。 この場合、 導波路とは キャリア密度が異なる端子部を備えるのが好ましい。 そして、 電圧を印加する ためのエネルギー付与部材は、 この端子部に電気的に接続される。
なお、 上記のような複数の領域を備えるのであれば、 フォトニック結晶の結 晶素子は、 一体の結晶であっても、 複数の別体の結晶を組み合わせることで構 成しても良い。
本発明は、 入射端から出射端まで光パルスを導く導波路と、 導波路とはキヤ リァ密度が異なり、 外部から電圧を印加して導波路の屈折率を変化させること によって、 導波路で光パルスに与える波長分散を可変とする分散変動手段と、 を備え、 外部から入射される光パルスの波長分散を補償する分散補償素子とし て捉えることもできる。
このような分散補償素子は、 一方の物質中に存在する他方の物質のサイズと 間隔の組み合わせが異なる複数の領域を、 この導波路が連続する方向に沿って 配置したフォトニック結晶を用いても良いが、 一方の物質中に存在する他方の 物質のサイズと間隔の組み合わせが単一な、 一つの領域のみを有するフォトニ ック結晶を用いても良い。
本発明は、 フォトニック結晶のような光学結晶単体としても捉えることがで きる。 すなわち、 本発明の光学結晶は、 誘電率の異なる二つの物質を、 交互に 周期的に配列することで形成された周期配列層を含み、 この周期配列層は、 一 方の物質中に周期的に配列される他方の物質が連続して欠落した連続欠落部が 形成されるとともに、 連続欠落部が連続する方向において、 一方の物質中にお ける他方の物質の周期配列特性が異なる複数の領域が形成されていることを特 徴とする。
ここで、 周期配列特性には、 一方の物質中に配列される他方の物質のサイズ や間隔等がある。
このような周期配列層にて、 複数の領域は、 連続欠落部を光パルスが通過す るとき、 光パルスに与える波長分散の絶対値または符号が互いに異なるように するのが好ましい。
また周期配列層に、 この周期配列層を形成する一方の物質とは屈折率が異な る物質で形成された他の層を積層することで、 光学結晶を形成することもでき る。
ところで、 連続欠落部は、 周期配列層に、 三次元状に形成してもよいが、 設 計や製造の容易性を高めるには、 二次元状に形成するのが好ましい。 同様の理 由から、 連続欠落部は、 周期配列層の一端側から他端側に向けて直線状に形成 するのが好ましい。
また、 周期配列層に、 連続欠落部とはキャリア密度が異なる異密度領域を形 成しても良い。 その場合、 異密度領域は、 連続欠落部よりもキャリア密度を高 くするのが好ましい。
このような異密度領域には、 周期配列層に電圧を印加するための電極が接続 される。つまり、この異密度領域は端子部として機能するのである。その場合、 電気抵抗を抑制するため、 異密度領域は、 前記の複数の領域よりも大きな面積 とするのが好ましい。
本発明は、 光パルス伝送路を介して伝播する光パルスの分散補償システムと して捉えることもできる。 この場合の分散補償システムは、 光パルス伝送路上 に設けられた光パルス取り出し部にて、 光パルス伝送路を介して伝播される光 パルスを取り出し、 光パルス伝送路を介して伝播される光パルスに対し、 分散 補償部にて波長分散を与えることで波長分散を補償する。 このとき、 制御部に て、 光パルス取り出し部で取り出された光パルスに基づき、 分散補償部で光パ ルスに与える波長分散の絶対値と符号をフィードバック制御するのである。
分散補償部は、 光パルス伝送路から入射した光パルスに対して与える波長分 散が互いに異なる複数の領域を備えた導波路と、 導波路の領域ごとに、 導波路 の屈折率を変化させるエネルギーを外部から独立して付与するためのエネルギ 一付与部と、 を備えた構成とすることができる。 そして、 制御部は、 エネルギ 一付与部で付与するエネルギーの量を制御することで、 分散補償部で光パルス に与える波長分散の絶対値と符号を制御するのである。
また、 光パルス取り出し部で取り出された光パルスの特性と、 エネルギー付 与部で付与するエネルギーの量とを関連付けたデータを格納するデータ格納部 をさらに備えることも可能である。 その場合、 制御部は、 光パルス取り出し部 で取り出された光パルス、 つまりこの光パルスをモニタリングすることで得ら れる補償前の光パルスの特性に基づきデータ格納部を参照し、 エネルギー付与 部で付与するエネルギーの量のデータを得る。 そして、 このエネルギーの量の データに基づき、 分散補償部で光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を制 御するのである。
本発明は、 光パルス伝送路上に設けられ、 光パルス伝送路を介して伝播され る光パルスを取り出す光パルス取り出し部と、 光パルス伝送路上に設けられ、 光パルス伝送路を介して伝播される光パルスに対し、 波長分散を与える分散補 償部と、 光パルス取り出し部で取り出された光パルスに基づき、 分散補償部の キャリア密度を変動させることによって分散補償部の屈折率を変化させるため、 分散補償部に印加する電圧を制御する電圧制御部と、 を備え、 光パルス伝送路 を介して伝播する光パルスの分散補償システムとして捉えることもできる。
また、 本発明は、 光パルス伝送路を介して伝播される光パルスを取り出すス 、 取り出された光パルスに基づき、 光パルス伝送路を介して伝播され る光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を決定するステップと、 決定され た波長分散の絶対値と符号に基づき、 光パルス伝送路を介して伝播される光パ ルスに与える波長分散を変動させるステップと、 を有することを特徴とする分 散補償方法としても捉えることができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本実施の形態における分散補償素子の構成を示す斜視図、 第 2図 の （a ) は、 分散補償素子の断面図、 （b ) は、 （a ) の平面図、 第 3図は、 コア層の斜視図、 第 4図は、 周波数一波数特性曲線であり、 （1 )、 ( I I )の領 域における導波モードの違いを示す図、 第 5図は、 規格化波数と規格化周波数 の関係を示す図であり、 （a ) は導波モードの分枝が波数ゼロで最近接する場 合を示す図、 （b ) はブリルアンゾーン境界で最近接する場合を示す図、 第 6 図は、複数次の分散補償を行う場合の分散補償素子の構成を示す図であり、（ a ) はコア層の平面図、 （b )は各領域における導波モードの違いを示す図、 第 7図 は、 複数次の分散補償を行う場合の補償原理を示す図、 第 8図は、 分散補償シ ステムの概略構成を示す図、 第 9図は、 欠陥導波路のキャリア密度を変動させ ることで屈折率を可変とする分散補償素子の例を示す断面図、 第 1 0図は、 第 9図に示した断面構造を有する分散補償素子の例を示す平面図、 第 1 1図は、 第 9図に示した断面構造を有する分散補償素子の他の例を示す平面図、 第 1 2 図は、第 9図に示した断面構造を有する分散補償素子のさらに例を示す斜視図、 第 1 3図は、 分散補償素子の他の一例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。 第 1図は、 本実施の形態における分散補償システムを構成する分散補償素子 の概略構成を説明するための図である。 この第 1図、 第 2図に示すように、 分散補償素子 (分散補償部） 1 0 Xは、 フ オトニック結晶部 2 0と、 フォトニック結晶部 2 0の一面側に設けられた電極 (分散変動手段、 エネルギー付与部材） 3 0とを備えている。
フォトニック結晶部 2 0は、 基板 2 1上に、 クラッド層 (他の層） 2 2と、 コ ァ層（周期配列層） 2 3とが積層されたもので、 基板 2 1は例えばシリコン（ S i )で形成され、 クラッド層 2 2はシリコン酸ィヒ膜（S i〇2)または窒化シリコ ン膜、 コア層 2 3は誘電体であるシリコン結晶（S i )で形成されている。
ここで、 基板 2 1には、 導電性を持たせるため、 不純物が添加されている。 また、 第 3図に示すように、 コア層 2 3は、 周期的に孔 2 4が形成されてい る。 これにより、 コア層 2 3は、 コア層 2 3の母材（例えば S i )と孔 2 4の部 分を満たす物質 (一般には空気等の気体、 他の物質を充填しても良い）により、 誘電率 (屈折率）の異なる 2種類の物質が交互に周期的に配列されることで形成 されている。
なお、 第 3図において、 孔 2 4はコア層 2 3だけでなく、 クラッド層 2 2に まで形成されているが、 これは製造上の理由によるものであり、 少なくともコ ァ層 2 3にのみ形成されていれば良い。
コア層 2 3に形成された孔 2 4は、 所定の半径（サイズ） rを有し、 正三角形 を単位胞とする三角格子状に配列され、 各単位胞における孔 2 4どうしは所定 の間隔 (正三角形の一辺の長さ） aを隔てている。
そして、 このコア層 2 3は、 上記した孔 2 4の半径 rと、 間隔 aとが異なつ て設定された、 領域（1 )、 ( I I )を備えている。
このようなコア層 2 3には、 領域（1 )、 ( I I )を貫通する方向において直線 状に連続するよう、 孔 2 4が欠損する（孔 2 4を形成しない）ことで、 いわゆる 欠陥導波路 (導波路、 連続欠落部） 2 5が形成されている。
このような構成のフォトニック結晶部 2 0では、 コア層 2 3の上下面にて、 屈折率が異なる他の物質 (下面側にクラッド層 2 2、 上面側は空気）が存在する ことで、 欠陥導波路 2 5の一端側の入射端から入射した光はコア層 2 3の上下 面で反射しながら伝播し、 欠陥導波路 2 5の他端側の出射端から出射する。 光 が欠陥導波路 25を伝播するとき、 コア層 23の領域（I)を伝播する間に、 こ の領域（I)の孔 24の半径 rと間隔 aに応じた波長分散を受け、続いて領域（I I)を伝播する間に、 この領域（I I)の孔 24の半径 rと間隔 aに応じた波長分 散を受ける。 つまり、 このコア層 23の欠陥導波路 25から出射した光は、 領 域（I)と（I I)を合成した波長分散を受けるのである。
さて、 第 1図および第 2図に示したように、 フォトニック結晶部 20の一面 側、 具体的には基板 21ではなくコア層 23に対向する側には、 電極 30が設 けられている。 この電極 30は、 コア層 23の屈折率を変化させるエネルギー を外部から付与するためのものである。 本実施の形態では、 電極 30として、 前記の領域（I)と（I I)に対応して独立して電極 30A、 30Bが設けられて いる。
そして、 電極 30A、 30Bには、 外部に、 電源（図示無し）と、 電源での電 圧印加量をコント口ールするコントローラ（図示無し）とが接続されるようにな つており、 これにより、 分散変動手段が構成される。
電極 3 OA、 30Bと、導電性を有した基板 21との間に電圧レィァス電圧） を印加すると、 印加された電圧に応じてコア層 23の領域（I)と（I I)の屈折 率が変化する。これを利用し、コントローラで、領域（I)の電極 30 と領域（1 I )の電極 30 Bとに電源から印加する電圧を個別に制御することで、領域（ I )、 (I I)で与える波長分散を独立して変動させ、 これにより最適な分散補償を行 うのである。
ここで、上記したような分散補償素子 10 Xの、好ましい例を具体的に示す。 前述したように、 フォトニック結晶部 20の基板 21は、 導電性を有するた めに不純物を含有したシリコン（S i)で形成し、 クラッド層 22はシリコン酸 化膜（S i 02)または窒化シリコン、 コア層 23は誘電体であるシリコン結晶 (S i)で形成した。そして、クラッド層 22とコア層 23の厚みは、各々 lOOOnm および 220nm とした。 このクラッド層 22とコア層 23の厚みは、 欠陥導波路 25の横モードが単一となる条件 (横電界（transverse electric, TE)偏光に対 して 23nm以上かつ 240nm以下）にある。 空気、 コア層 23、 クラッド層 22の屈折率を、 各々 nair、 nc。re、 ncladと表す ると、 nair=1.00、 ncore=3.50、 nclad=l.45とした。
このようなフォトユック結晶部 20は、 コア層 23を形成する材料の上にレ ジストを塗布し、 フォトリソグラフィ等の手法により所定の孔 24のパターン をレジスト上に形成する。 そして、 ドライエッチングによりコア層 23を形成 する材料上に欠陥導波路 25を形成するための孔 24のパターンを形成する。 ここで、 孔 24の部分は、 空気とした。
孔 24の配列は、正三角形を単位胞とする三角格子とし、領域（ I )および（ I I)で周期を異ならせた。 領域（ I)では a =493nm とし、 領域（I 1)では& = 473nmとした。 各々の領域とも、 r/a=0.4 となるように半径 rを設定した。 また、 領域（I)および（I I)の境界で隣接する孔 24間の間隔 d (第 1図参照） は、 三角格子の周期の大きいほうの値、 すなわち 473nmより短くする。光が伝搬 する欠陥導波路 25は、 線分 Pi— Psを中心としてそれに沿って構成された直 線状とし、 この欠陥導波路 25は領域（I)の孔 24がーつ分埋められた (欠陥し た）ことにより形成される。領域（I I )の欠陥導波路 25の幅は領域（I)と等し く取られている。領域（ 1)、 （I I)それぞれにおける欠陥導波路 25の長さは 100. m,分散補償素子 10Xでの欠陥導波路 25のトータル長さは 200/imとし さて、 第 4図に示すものは分散補償素子 10Xにおける分散補償の原理を説 明するための図である。
フォトニック結晶部 20の領域（I)および（I I)は、 各々第 4図に示した光 波伝搬を特徴付けるバンド特性を有する。欠陥導波路 25中では、 曲率の符号が 異なる分枝 1および 2の導波モードがフォトニックギャップ中に形成される。 第 4図のグラフの縦軸およぴ横軸は、 1ノ aで規格化した光の周波数およぴ 波数である。 導波モードは横電界（transverse electric, TE)偏光状態にある。 欠陥導波路 25中では、光は分枝 1もしくは分枝 2のモードとなって伝搬する。 入射する光パルスの中心周波数が特定の周波数であるときに、 欠陥導波路 2 5の領域（ I )では上側の分枝 2のモードが発生し、 領域（ I I )では下側の分枝 1のモードが発生するよう、 領域（1 )、 ( I I )の孔 2 4の半径 rと間隔 aを互 いに異ならせて設定するのである。
ところで第 5図（ a )に示すように、 導波モードは分枝 1および 2が波数ゼロ で最近接する場合と、 第 5図（b )に示すように、 ブリルアンゾーン境界で最近 接する場合とがあり、 どちらの場合も適用可能であるが、 本実施の形態では、 第 5図（a )の特性を有するフォトニック結晶を対象とする。
光が物質中を伝搬する際の様子を調べる際に、 周波数一波数の関係が重要と なる。 この関係より、 光が物質中を伝搬する際の速度が求まる。 この速度は光 パルスの重心が移動するスピードを指し、 群速度と呼ばれる。 群速度は、 周波 数一波数特性曲線の傾き（微分係数）として与えられる。 真空や空気中では、 周 波数一波数特性は直線となり、群速度は周波数によらず一定である力 ガラス · 半導体 ·金属などの物質中では周波数一波数特性は直線にならず、 群速度は周 波数に応じて変化する。 したがって、 空気中から入射した光が物質を透過する 場合、 空気中から入射する光の周波数 (波長と言い換えてよい）に応じて群速度 は変化する。 光パルスは単一の波長だけでなく、 さまざまな波長成分を含んで いるので、 群速度が波長に依存すると物質中を伝搬するにつれて光パルスの幅 が拡がり、波形が歪んでしまう。群速度が波長ほたは周波数）に依存するとき、 その依存性を波長分散と呼ぶ。 また、 群速度が波長（または周波数）に応じて変 化する割合を群速度分散と呼ぶ。 群速度分散は、 周波数一波数特性曲線の二階 微分に等しい。
第 4図に示した周波数一波数関係を表す曲線において、 分枝 1および 2では 群速度分散の符号が互いに反転している。 したがって、 領域（I )および（I I ) に加えるバイアス電圧を調整することによって曲線を変動させ、 これによつて、 領域（I )および（I I )を含めた欠陥導波路 2 5全体として、 正、 ゼロもしくは 負の群速度分散を発生することが可能となっている。 そして、 ある光ファイバ 伝送路を対象とするとき、 その光フアイバ伝送路のもつ群速度分散と符号が逆 で、 絶対値が等しい量の群速度分散を発生するようにバイアス電圧（ I )および ( I I )を変化させることによって、 対象とする光ファイバ伝送路の波長分散を 除去するのである。
第 6図は、 第 1図に示した分散補償素子 1 O Xが正負の分散補償を実現する ためのものであるのに対し、 複数次の項に対する分散補償を実現するためのも のである。
ここで、 分散補償素子 (分散補償部） 1 0Yは、 基本的に第 1図に示した分散 補償素子 1 0 Xと同様であるため、 共通する構成については同符号を付してそ の説明を省略するが、 フォトニック結晶部 20は、 基板 2 1上に、 クラッド層 22と、 コア層 23とが積層されたものである。
このフォトニック結晶部 20のコア層 23に、 周期的に形成された孔 24の 半径 rと間隔 aと力 領域ごとに異なるように設定されているのである。
複数次の分散補償に対応する分散補償素子 1 0Yは、 n次までの項の分散補 償を実現するのであれば、 2 (n— 1)個の領域を有している。
第 6図に示すように、 例えば 3次までの項の分散補償を行うのであれば、 n = 3であり、 領域は 2 (n— 1)= 2 (3— 1)=4個が設定される。 これら 4個 の領域（1)、 （1 1)、 （1 1 1)、 （I V)において、 2次の項の正負、 3次の項 の正負、 計 4通りの波長分散を与えるよう、 それぞれ孔 24の半径 rと間隔 a が設定されている。
第 7図は、 このような 3次までの項の分散補償を行う場合を説明するための ものである。
この第 7図に示すように、 領域（I V)が 2次の項の正、 領域（I)が 2次の項 の負、 領域（I I I)が 3次の項の正、 領域（I I )が 3次の項の負の波長分散を 与える場合、
領域（I V)では、 k=_ c 2
2 v
領域（I)では、 k= c， 2
2 V
領域（I I I)では、 k=— c， ' 2 v 2~ c 3 v
領域（I I)では、 k = c， ' ， 2 v 2+ c ' 3 V 3,
の式で表される曲線となる。 ただし、 各式は中心周波数付近の周波数一波数特 性曲線を Vのべき乗で近似して表している。 ここで、 k ：波数、 C ：正の数、 V ：中心周波数を原点として表した周波数 である。
そして、 領域（I )〜（I V)をトータルした、
k = ( c ― c , + C .一 C ,) 2 + ( c 3
― C V
の式において、 2次の項の係数： （c， 2 - c 2 + c ' ' ' 2— c， ， 2)が分散補 償素子 1 O Yにおける 2次の分散補償値を与え、 3次の項の係数：（c， 3 - c 3) が分散補償素子 1 0 Yにおける 3次の分散補償値を与える。
ところで、 上記のような分散補償素子 1 0 Yでは、 例えば 4つの領域（1 )〜 ( I V)を備える構成となっているが、 このように 3以上の領域を備える場合、 第 6図（b )に示すように、 互いに隣接する領域間の境界部で、 屈折率の違いか ら生じる反射による光減衰が最小となるような配列とするのが好ましい。 具体 的には、 間隔 aの大小の順で領域（ I )〜（ I V)を配列するのが望ましい。
さて、 第 8図は、 上記したような分散補償素子 1 O Xあるいは 1 O Yを用い て構成する分散補償システム 5 0の構成を示すものである。
分散補償システム 5 0は、 光ファイバ伝送路 1 0 0上に備えられる。
光ファイバ伝送路 1 0 0は、 例えば海底等に長距離にわたって敷設されるも ので、 送信サーバ等の入射部 1 0 1側から入射された光パルス列が、 光フアイ バ伝送路 1 0 0を介して伝送され、 受信サーバ等の出射部 1 0 2側から出射さ れるようになっている。
分散補償システム 5 0は、 出射部 1 0 2の近傍に備えられるもので、 力ブラ (パルス取り出し部） 5 1と、 モニター装置 5 2と、 制御装置 (制御部、 電圧制御 部） 5 3と、 分散補償素子 1 O Xあるいは 1 0 Y (以下、 単に 1 O Xと略称する） と、 を備える。
カプラ 5 1は、光ファイバ伝送路 1 0 0から光パルスを取り出すものである。 モニター装置 5 2は、 カプラ 5 1で取り出した光パルスを、 波長分散の影響 が無視できるなるべく短尺の光ファイバ 5 4を介して受け取り、 その光パルス の波形をモニターする。 具体的には、 光ファイバ伝送路 1 0 0から取り出した 光パルスの時間一スぺクトル面上での波形をモニター（測定）し、 波形制御の対 象となる光パルスの持つ波長分散を次数毎の係数に分解して求め、 これを波長 分散情報として出力する。 なお、 このモニター装置 5 2については、 例えば、 K 0gawa、 'Real-time intuitive spectrogram measurement of ultrashort optica丄 pulses using two-photon absorption in a semiconductor"、 [ o n l i n e ]、 平成 1 4年 （2 0 0 2年） 年 3月 1 1日、 Optics Express, Vol. 10, No. 5, p. 262 - 267、 Optical Society of America, [平成 1 5年 （2 0 0 3年 1月 1 4日 検 索 ] 、 イ ン タ ー ネ ッ ト く URL:http : //暫. opticsexpress. org/abstract. cfm?URI=0PEX-10- 5 - 262 >に記 載された構成を適用できるので、 ここでは特に詳細な説明を行わない。
制御装置 5 3は、 モニター装置 5 2から出力された波長分散情報を、 短尺の 光ファイバ 5 5を介して受け取る。 この制御装置 5 3は、 データベース（データ 格納部） 5 6を備えており、 このデータベース 5 6には、 波長分散の符号と絶対 値に応じた、 分散補償素子 1 0 Xの電極 3 0 A、 3 0 Bでの電圧印加量のデー タが格納されている。
制御装置 5 3では、 モニター装置 5 2から出力された波長分散情報を受け取 ると、 データベース 5 6を参照することで、 モニター装置 5 2から受け取った 波長分散情報 (波長分散の係数）とは絶対値が等しく符号が反転した波長分散を 分散補償素子 1 0 Xが発生するための、 電極 3 0 A、 3 0 Bでの電圧印加量の データを得る。 そして、 得られた電圧印加量のデータを、 分散補償素子 1 0 X に向けて出力する。
ところで、 分散補償素子 1 0 Xは、 その欠陥導波路 2 5が、 光ファイバ伝送 路 1 0 0上に介在し、 光ファイバ伝送路 1 0 0を伝播してきた光パルスが欠陥 導波路 2 5の一端側の入射端から入射し、 他端側の出射端から光ファイバ伝送 路 1 0 0に出射するように設けられている。
そして、 分散補償素子 1 0 Xの電極 3 0 A、 3 0 Bに電圧を印加するための 電源（図示無し）と、電源での電圧印加量をコント口ールするコントローラ（図示 無し）とが、 分散捕償素子 1 0 Xに接続されている。
前記の、 制御装置 5 3から出力された電庄印加量のデータは、 光： 7を介し、 分散補償素子 1 O Xのコントローラ（図示無し）に転送される。 コン トローラでは、 受け取った電圧印加量のデータに基づき、 電極 3 0 A、 3 O B に電源から所定の電圧を印加させることで、 領域（1 )、 ( I I )それぞれの屈折 率を変化させる。
このようにして、 分散補償システム 5 0では、 光ファイバ伝送路 1 0 0から 取り出した光パルスをモニター装置 5 2でモニタリングし、 その波長分散情報 に基づき、 分散補償素子 1 0 Xで印加する電圧印加量を制御装置 5 3にてコン トロールする構成とした。 これにより、 光ファイバ伝送路 1 0 0において、 温 度、 気象等による条件変動が生じても、 常に最適な分散補償を行うことができ る。
そして、 分散補償素子 1 0 Xでは、 波長分散補償の符号を波長分散の絶対値 と独立に可変とすることで、 正負の分散補償が行える構成となっているので、 光ファイバ伝送路 1 0 0における波長分散が、 正負の間を絶え間なく変化する 場合であっても、 分散補償を行うことができる。
なお、 上記の議論は分散補償素子 1 0 Xだけでなく分散補償素子 1 0 Yを用 いた場合にも同様に適用されるものであり、分散補償素子 1 0 Yを採用すれば、 正負だけでなく、 複数次の分散補償を行える。
その結果、 分散補償素子 1 0 X、 1 0 Y、 およびそれを用いた分散補償シス テム 5 0を用いることで、 広いスぺクトル帯域を利用する超高速大容量光通信 に対応する波長分散補償を実現することができ、 伝送速度のさらなる高速化を 十分に実現することが可能となる。
特に、 分散補償素子 1 0 X、 1 0 Υは、 領域毎に孔 2 4の半径 rと間隔 aを 異ならせるのみであるため、 特に複雑な構造となることもなく、 比較的低コス トで上記効果を実現することが可能である。
また、 制御装置 5 3でも、 予めデータベース 5 6に格納された情報を参照す ることで、電極 3 0 A、 3 0 Bで印加する電圧量を制御する構成となっており、 その場で複雑な処理等を行う必要がないため、 制御装置 5 3自体も低コストで 製作することができる。 さて、 上記分散補償素子 1 OXあるいは 10Yは、 電極 30を用いてパイァ ス電圧をかけることでフォトユック結晶部 20の屈折率を変化させる構成とし たが、 コア層 23に不純物であるキャリア（電子あるいは正孔 （ホール） ）を注 入し、 バイアス電圧をかけることによってフォトニック結晶部 20の吸収スぺ クトル (屈折率の虚部）を変化させることもできる。
第 9図は、 そのような分散捕償素子 10 Ζの例である。
この第 9図に示すように、 分散補償素子 10 Zは、 全体として、 基板 21上 に、 クラッド層 22、 コア層 23が積層され、 さらにコア層 23上にはクラッ ド層 60が積層された構成を有している。 基板 21は例えばシリコン（S i)、 クラッド層 22、 60はシリコン酸ィ匕膜（S i 02)または窒化シリコン膜、 コア 層 23は誘電体であるシリコン結晶（S i)で形成されている。 また、 基板 21 は、 例えば 500 μπι程度の厚さを有し、 クラッド層 22および 60は、 例え ば 200 n m〜 1 μ m、 具体例としては 300 n m、 コァ層 23は 250 nm 程度の厚さを有している。
分散補償素子 10 Zは、 欠陥導波路 25が連続する方向に対して直交した断 面、 つまり第 9図に示した断面において、 基板 21、 クラッド層 22、 コア層 23、 クラッド層 60力 孔 24が形成された領域 （以下、 これをフォトニッ ク結晶領域と称する） R1よりも側方に延長するように形成されている。つまり、 欠陥導波路 25を中心として、 その両側に孔 24が形成されたフォトニック結 晶領域 R 1が存在し、 さらにその外側に、 孔 24が形成されていない拡張領域 R 2が形成されているのである。
上下をクラッド層 22および 60によって挟み込まれたコア層 23には、 拡 張領域 R 2に、 中央部の欠陥導波路 25に対しキャリア密度が異なる領域 （異 密度領域） f 端子部 70として形成されている。
そして、 このような分散捕償素子 10 Ζでは、 この端子部 70に、 電圧を印 加するための電極 (分散変動手段、 エネルギー付与部材） 80が電気的に接続さ れ、 基板 21の底面側には、 基準電位を供給するための基準電極 81が電気的 に接続されている。 端子部 7 0は、 コア層 2 3に含まれる不純物 （電子または正孔） をドープま たはアンドープすることによって、 キャリア密度を欠陥導波路 2 5に対して異 ならせたものである。 この端子部 7 0に電極 8 0を電気的に接続し、 バイアス 電圧を印加すると、 欠陥導波路 2 5の部分と端子部 7 0の部分のキャリア密度 の差により電子または正孔が移動し、 これによつて欠陥導波路 2 5の部分のキ ャリア密度が変化し、 吸収スペクトルが変化する。 例えば、 不純物として p型 元素を用いる場合、 + (プラス） のバイアス電圧を印加すると、 正孔が両側の 端子部 7 0から中央部の欠陥導波路 2 5に集まって欠陥導波路 2 5のキャリア 密度が上昇し、 一 （マイナス） のバイアス電圧を印加すると、 正孔が欠陥導波 路 2 5から両側の端子部 7 0に移動して欠陥導波路 2 5のキャリア密度が低下 する。
ここで、 欠陥導波路 2 5の部分に対し、 端子部 7 0のキャリア密度を低くし てもよいが、 欠陥導波路 2 5の部分に対し、 端子部 7 0のキャリア密度を高く する、 つまり不純物をイオン注入等によってドープするのが好ましい。 欠陥導 波路 2 5の部分に対し、 端子部 7 0のキャリア密度を高くすると、 電極 8 0が 接続される端子部 7 0では電気抵抗が小さくなり、 しかも欠陥導波路 2 5の部 分の電気抵抗が大きくなって電界が集中しゃすくなるからである。
このような不純物としては、 半導体でも用いられている、 p型元素の B (ホ ゥ素） 、 A 1 (アルミニウム） 、 G a (ガリウム） 、 I n (インジウム） 、 T 1 (タリウム） 、 n型元素の N (窒素） 、 P (リン） 、 A s (砒素） 、 S b (ァ ンチモン） 、 B i (ビスマス） 等がある。 これらのうち、 p型元素では、 ドー プを容易に行えることから、 B (ホウ素） が特に好適である。
ドープする不純物として、 p型元素の B (ホウ素） を用いる場合、 例えば、 欠陥導波路 2 5のキャリア密度（不純物元素の数）を 1 0 1 7個 Z c m 3とすると、 端子部 7 0のキヤリァ密度を 5 X 1 0 1 8〜5 X 1 0 1 9個 Z c m 3、 例えば 1 X 1 0 1 9個 c m3とするのが好ましい。
この場合、 基板 2 1は、 キャリア密度を欠陥導波路 2 5と同等とするのが好 ましい。 基板 2 1と欠陥導波路 2 5とで、 キャリア密度が異なると、 これらの 間に電荷分布が生じてしまレ、、 設計等が複雑になるからである。
また、 基板 2 1に基準電極 8 1が接続される面 2 1 aにも、 電気抵抗を小さ くするため、 不純物をドープし、 例えば端子部 7 0と同等のキャリア密度とす るのが好ましい。
第 1 0図は、 第 9図に示したような断面構造を有する分散補償素子 1 O Zの 一例である。
この第 1 0図に示すように、分散補償素子 1 0 2^は、 マウント 9 0上に搭載 されており、 フォトニック結晶領域 R 1の面積に対し、 その両側の拡張領域 R 2に形成された端子部 7 0の面積が相対的に大きくなるように形成されて、 平 面視した状態で略 H字状を有している。 これは、 端子部 7 0の面積をなるベく 大きくして、 その電気抵抗を小さくするためである。
また、 この分散補償素子 1 0 Z は、第 1図に示した分散補償素子 1 0 Xと同 様、 孔 2 4の半径 rと、 間隔 aとが異なって設定された領域（1 )、 ( I I )を有 している。 そして、 それぞれの領域 （I ) 、 （I I ) に独立してバイアス電圧 を印加するため、 分散補償素子 1 は、 領域 （I ) 、 （I I ) の両側にそれ ぞれ端子部 7 0および電極 8 0が設けられ、合計 4つの電極 8 0のそれぞれに、 リード 8 5を介し、 マウント 9 0上に設けられた外部電極 8 6が電気的に接続 されている。
そして、 フォトニック結晶領域 R 1の欠陥導波路 2 5の両端に対向するよう に先球型の光ファイバ Fが配置され、 これによつて欠陥導波路 2 5に光パルス が導かれ、 分散ネ翁償を受けた後に導出されるようになっている。
また、 第 1 1図は、 第 9図に示したような断面構造を有する分散補償素子 1 0 Zの他の一例である。
この第 1 1図に示すように、分散補償素子 1 0 Z 2は、 フォトニック結晶領域 R 1に対し、 その両側に広がる拡張領域 R 2に設けられた端子部 7 0および電 極 8 0力 台形状 （あるいは扇形状） とされたものである。 これにより、 端子 部 7 0および電極 8 0に比較して面積が小さいフォトニック結晶領域 R 1まで の距離をなるベく短くしつつ、 端子部 7 0および電極 8 0の面積を大きく確保 することができる。 これも、 端子部 7 0の電気抵抗を小さくするために有効で ある。
第 1 2図は、 第 9図に示したような断面構造を有する分散補償素子 1 0 Zの さらに他の一例である。
この第 1 2図に示すように、 分散補償素子 1 0 Z 3は、 その表面のみが、 第 1 0図に示した分散補償素子 1 と同様に略 H字状とされ、フォトニック結晶 領域 R 1に対し、 その両側に広がる端子部 7 0および電極 8 0の面積が大きく なるように形成されている。 そして、 基板 2 1は、 上部のみが平面視略 H字状 とされ、 それより下方の部分は平面視略矩形状をなしている。
このような分散補償素子 1 0 Z 3は、 基板 2 1上に、 クラッド層 2 2、 コア層 2 3、 クラッド層 6 0を積層して平面視矩形状のプロックを形成した後、 フォ トニック結晶領域 R 1の欠陥導波路 2 5の両端側をェツチング等により除去し て段部 9 1を形成することで得られる。 このとき、 フォト-ック結晶領域 R 1 の欠陥導波路 2 5の両端には、 突出部 9 2を形成し、 この突出部 9 2に、 光フ アイバ Fを対向させる。 このため、 段部 9 1の深さは、 光ファイバ Fの外径に 応じて設定するのが好ましい。
ところで、 第 1 0図〜第 1 2図で示した分散補償素子 1 0 Z 〜1 0 Z 3は、 孔 2 4の半径 rと、 間隔 aとが異なって設定された 2つの領域（1 )、 （I I )を 有する構成としたが、 これを第 6図に示した分散補償素子 1 0 Y等と同様、 例 えば 4つ等、 3以上の領域を備えるようにしても良い。 その場合、 領域の数に 応じ、 端子部 7 0を設ける。
このような分散補償素子 1 0 Zにおいても、 第 8図に示した分散補償システ' ム 5 0を構成することができる。
この場合、 制御装置 5 3は、 データベース 5 6に、 波長分散の符号と絶対値 に応じた、 分散補償素子 1 0 Zに対する電極 8 0での電圧印加量のデータが格 納されている。 そして、 制御装置 5 3では、 データベース 5 6を参照すること で、 モニター装置 5 2から受け取った波長分散情報に応じた、 電極 8 0での電 圧印加量のデータを得て、 これを分散補償素子 1 0 Zに向けて出力する。 制御装置 5 3から出力された電圧印加量のデータは、光ファイバ 5 7を介し、 分散補償素子 1 0 Zのコントローラ（図示無し）に転送される。 コントローラは、 受け取った電圧印加量のデータに基づき電源から所定の電圧を発し、 これを電 極 8 0を介して端子部 7 0に印加させることで、 欠陥導波路 2 5の領域（ I )、 ( I I )それぞれの屈折率を変化させる。
このようにして、 分散補償素子 1 O Zの場合も、 分散補償システム 5 0によ り、 光ファイバ伝送路 1 0 0において、 温度、 気象等による条件変動が生じて も、 常に最適な分散補償を行うことができる。 その結果、 広いスペク トル帯域 を利用する超高速大容量光通信に対応する波長分散補償を実現することができ、 伝送速度のさらなる高速化を十分に実現することが可能となるのである。
なお、 上記実施の形態では、 分散補償素子 1 0 X、 1 0 Y、 1 0 Zにおいて 電極 3 0を用いてバイアス電圧をかけることでフォトニック結晶部 2 0の屈折 率を変化させる構成としたが、 これ以外の手段を分散補償手段として用いるこ とも可能である。
例えば、 各領域にヒータを設け、 ヒータに電流を流してコア層 2 3の温度を 上昇させるのである。 屈折率の温度依存性により、 フォトニック結晶導波路の 波長分散を変化させて波長分散補償に利用することができる。
さらに、 圧電素子によりストレスをフォトニック結晶部 2 0の両面から印加 することでひずみを加え、 屈折率を変化させることもできる。
また、 フォトニック結晶部 2 0は、 第 1 3図（a )に示すように、 基板 2 1上 にクラッド層 2 2、 コア層 2 3のみを備え、 コア層 2 3の一面側には空気が接 する構成としたが、 これに代えて、 第 1 3図（b )に示すように、 コア層 2 3の 上面側にさらにクラッド層（他の層） 2 6を設けるようにしても良い。 この場合、 クラッド層 2 6には、 クラッド層 2 2と同様、 S i〇2を用いることができる。 好ましい態様としてのクラッド層 2 2の厚さは 500nmである。 その他の部分の 厚さ等は前記したのと同様である。
また、 コア層 2 3には、 直線状の欠陥導波路 2 5を形成する構成としたが、 直線状に限るものではなく、 折曲あるいは湾曲した形状とすることもできる。 さらに、 上記実施の形態では、 欠陥導波路 2 5は二次元状に形成された構成と なっているが、 これを三次元状に形成する構成とすることも可能である。
この他、 上記と同様の光に対する分散機能を有するのであれば、 フォトニッ ク結晶以外の光学素材、 光学素子を用いることに何ら問題はない。
加えて、 分散補償システム 5 0では、 モニター装置 5 2、 制御装置 5 3で光 パルスをモニタリングして分散補償を制御する構成としたが、 光ファイバ伝送 路 1 0 0における光パルス伝播条件がさほど変動しないような使用環境であれ ば、 力ブラ 5 1、 モニター装置 5 2、 制御装置 5 3を省略し、 常に一定の分散 補償を行う構成とすることも可能である。
なお、 入射部 1 0 1、 出射部 1 0 2で用いられるサーバや各種端末等は、 光 ファイバ伝送路 1 0 0に対し信号の送出と受信の双方を行うのが通常である。 上記分散捕償システム 5 0は、 信号の受信の直前で分散補償を行うのが好まし いため、 実際には、 光ファイバ伝送路 1 0 0の両端部に分散補償システム 5 0 を備えるのが好ましい。
加えて、 分散補償システム 5 0は、 モニター装置 5 2、 制御装置 5 3と、 分 散補償素子 1 0 X、 1 0 Yまたは 1 0 Zとを一体の装置としても良いし、 それ ぞれを別体のュニットとしても良い。
これ以外にも、 本発明の主旨を逸脱しない限り、 上記実施の形態で挙げた構 成を取捨選択したり、 他の構成に適宜変更することが可能である。 産業上の利用可能性
本発明によれば、 複数の領域を設けることで、 例えば、 正負の分散補償や、 複数次の分散補償を行うことができる。 また、 各領域における波長分散を変動 させることで、 波長分散補償の絶対値と符号を可変することが可能となる。 また、 電圧を印加することによって導波路のキャリア密度を変動させ、 導波 路の屈折率を変化させることによつても、 分散補償を行うことができる。
そして、 光ファイバ伝送路から取り出した光パルスをモニタリングし、 その 波長分散情報に基づき、 波長分散を制御することで、 光ファイバ伝送路におい て、 温度、 気象等による条件変動が生じても、 常に最適な分散補償を行うこと ができる。
その結果、 広いスぺク トル帯域を利用する超高速大容量光通信に対応する波 長分散補償を実現することができ、 伝送速度のさらなる高速化を十分に実現す ることが可能となる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 外部から入射される光パルスの波長分散を補償する分散補償素子であって、 入射端から出射端まで前記光パルスを導く導波路と、
前記導波路において前記光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を可変と する分散変動手段と、
を備えることを特徴とする分散補償素子。
2 . 誘電率の異なる二つの物質を、 前記導波路が連続する方向において交互に 周期的に配列することで形成され、 一方の前記物質中に存在する他方の前記物 質のサイズと間隔の組み合わせが異なる複数の領域が、 前記導波路が連続する 方向に沿って配置されていることを特徴とする請求項 1に記載の分散補償素子。
3 . 複数の前記領域は、 前記光パルスに対する波長分散の符号が互いに異なる ことを特徴とする請求項 2に記載の分散補償素子。
4 . 複数の前記領域は、 前記光パルスに対する波長分散の次数が互いに異なる ことを特徴とする請求項 2に記載の分散補償素子。
5 . 前記分散補償素子は、 n次までの波長分散を補償し、
前記領域が 2 ( n— 1 )個設けられていることを特徴とする請求項 4に記載の 分散補償素子。
6 . 複数の前記領域は、 互いに前後する前記領域の境界部における、 前記光パ ルスの反射が最小となる配列で設けられていることを特徴とする請求項 2に記 載の分散補償素子。
7 . 前記分散変動手段として、 前記導波路の前記領域ごとに、 当該導波路の屈 折率を変化させるエネルギーを外部から独立して付与するためのエネルギー付 与部材を備えることを特徴とする請求項 2に記載の分散補償素子。
8 . 前記エネルギー付与部材は、 電圧を印加することで前記導波路のキャリア 密度を変動させて、 当該導波路の屈折率を変化させることを特徴とする請求項
7に記載の分散補償素子。
9 . 前記導波路とはキヤリァ密度が異なる端子部をさらに備え、
電圧を印加するための前記エネルギー付与部材は、 前記端子部に電気的に接 続されることを特徴とする請求項 8に記載の分散補償素子。
1 0 . 外部から入射される光パルスの波長分散を補償する分散補償素子であつ て、
入射端から出射端まで前記光パルスを導く導波路と、
前記導波路とはキヤリァ密度が異なり、 外部から電圧を印加して前記導波路 の屈折率を変化させることによって、 当該導波路で前記光パルスに与える波長 分散を可変とする分散変動手段と、
を備えることを特徴とする分散捕償素子。
1 1 . 誘電率の異なる二つの物質を交互に周期的に配列することで形成された 周期配列層を含み、
前記周期配列層は、 一方の前記物質中に周期的に配列される他方の前記物質 が連続して欠落した連続欠落部が形成されるとともに、
前記連続欠落部が連続する方向において、 一方の前記物質中における他方の 前記物質の周期配列特性が異なる複数の領域が形成されていることを特徴とす る光学結晶。
1 2 . 前記周期配列層にて、 複数の前記領域は、 前記連続欠落部を光パルスが 通過するとき、 当該光パルスに与える波長分散の絶対値または符号が互いに異 なることを特徴とする請求項 1 1に記載の光学結晶。
1 3 . 前記周期配列層に、 当該周期配列層を形成する前記一方の物質とは屈折 率が異なる物質で形成された他の層が積層されていることを特徴とする請求項
1 1に記載の光学結晶。
1 4 . 前記周期配列層にて、 前記連続欠落部は二次元状に形成されていること を特徴とする請求項 1 1に記載の光学結晶。
1 5 . 前記連続欠落部が、 前記周期配列層の一端側から他端側に向けて直線状 に形成されていることを特徴とする請求項 1 1に記載の光学結晶。
1 6 . 前記周期配列層は、 前記連続欠落部とはキャリア密度が異なる異密度領 域が形成されていることを特徴とする請求項 1 1に記載の光学結晶。
1 7 . 前記異密度領域は、 前記連続欠落部よりもキャリア密度が高いことを特 徴とする請求項 1 6に記載の光学結晶。
1 8 . 前記異密度領域は、 前記複数の領域よりも大きな面積を有していること を特徴とする請求項 1 6に記載の光学結晶。
1 9 . 光パルス伝送路を介して伝播する光パルスの分散補償システムであって、 前記光パルス伝送路上に設けられ、 当該光パルス伝送路を介して伝播される 前記光パルスを取り出す光パルス取り出し部と、
前記光パルス伝送路上に設けられ、 当該光パルス伝送路を介して伝播される 光パルスに対し、 波長分散を与える分散補償部と、
前記光パルス取り出し部で取り出された前記光パルスに基づき、 前記分散補 償部で前記光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を制御する制御部と、 を備えることを特徴とする分散捕償システム。
2 0 . 前記分散捕償部は、 前記光パルス伝送路から入射した前記光パルスに対 して与える波長分散が互いに異なる複数の領域を備えた導波路と、
前記導波路の前記領域ごとに、 当該導波路の屈折率を変化させるエネルギー を外部から独立して付与するためのエネルギー 与部と、 を備え、
前記制御部は、 前記エネルギー付与部で付与するエネルギーの量を制御する ことで、 前記分散補償部で前記光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を制 御することを特徴とする請求項 1 9に記載の分散補償システム。
2 1 . 前記光パルス取り出し部で取り出された前記光パルスの特性と、 前記ェ ネルギー付与部で付与するエネルギーの量とを関連付けたデータを格納するデ ータ格納部をさらに備え、
前記制御部は、 前記光パルス取り出し部で取り出された前記光パルスに基づ き、 前記データ格納部を参照して得た前記エネルギーの量のデータにより、 前 記分散補償部で前記光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を制御すること を特徴とする請求項 2 0に記載の分散捕償システム。
2 2 . 光パルス伝送路を介して伝播する光パルスの分散補償システムであって、 前記光パルス伝送路上に設けられ、 当該光パルス伝送路を介して伝播される 前記光パルスを取り出す光パルス取り出し部と、
前記光パルス伝送路上に設けられ、 当該光パルス伝送路を介して伝播される 光パルスに対し、 波長分散を与える分散補償部と、
前記光パルス取り出し部で取り出された前記光パルスに基づき、 前記分散補 償部のキャリア密度を変動させることによって当該分散補償部の屈折率を変化 させるため、 当該分散補償部に印加する電圧を制御する電圧制御部と、 を備えることを特徴とする分散補償システム。
2 3 . 光パルス伝送路を介して伝播される光パルスを取り出- 取り出された前記光パルスに基づき、 前記光パルス伝送路を介して伝播され る光パルスに与える波長分散の絶対値と符号を決定するステップと、
決定された前記波長分散の絶対値と符号に基づき、 前記光パルス伝送路を介 して伝播される光パルスに与える波長分散を変動させるステップと、 を有することを特徴とする分散補償方法。
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