次世代高速通信用分散補償ファイバグレーティング 光電子技術研究所 坂 元 明＊1・木 村 直 樹＊1・奥 出 聡＊2 Dispersion Compensation Fiber Grating for Next Generation High Bit-rate Transmission System A．Sakamoto，N．Kimura & S．Okude 伝送速度が40Gbit/sを超える次世代光通信システムでは，伝送路での波長分散変化を動的に補償するた めの可変分散補償器が必須となる．これを実現するためにわれわれは分散補償ファイバグレーティングの 開発を進めてきた． 今回，製造プロセスの改善により，従来問題となっていた群遅延時間リップルを±3ps以下に抑えること に成功し，40Gbit/s用に適用可能な光学特性を実現した．また，ひずみ分布を用いた独自の分散量可変機 構により，分散量可変範囲±200∼1,500ps/nmを実現し，次世代システムに必要とされる可変範囲を確認し たので報告する． Tunable chromatic dispersion compensators, which can compensate dispersion of transmission line adaptively, are indispensable for the next generation high bit-rate transmission systems of 40Gbit/s or above. To realize the tunable compensator, we have been developing dispersion compensation fiber gratings. In this work, we have achieved a less than ±3ps group delay ripple by employing an advanced fabrication method. In addition, we propose and demonstrate a novel tunable dispersion compensator using our original strain applying method. We have achieved ±200∼1,500ps/nm dispersion tuning range that is large enough for the next-generation transmission systems. 構の確立が課題であった． 1．ま え が き 今回われわれは，これまで培ってきたファイバグレー ティングの作製技術にさらなる改善を加えることで，次 光ファイバ通信システムにおいては，伝送距離が長く なるほど，また，伝送速度が高速化するほど伝送路の波 世代通信システムで使用可能な水準を達成した．また， 長分散によって生じる信号の劣化が顕著になる．近年の 独自の可変機構により，次世代システムに必要とされる 光通信容量の増大に伴い，伝送路で蓄積した波長分散を 可変量を満足する分散量可変範囲±200∼1,500ps/nmを実 補正する分散補償技術がますます重要となっている．特 現したので報告する． に，1波長あたりの伝送速度が40Gbit/sを超えるような超 2．分散補償ファイバグレーティング動作原理 高速伝送システムでは，許容できる残留波長分散量が非 常に小さくなり，これまでは問題とならなかった伝送路 図1に分散補償ファイバグレーティング（DCFG： 周囲の温度などの環境変化による分散量変化により伝送 Dispersion Compensation Fiber Grating）の動作原理を できなくなる場合がある．このため，時間的に変化する 示す．光ファイバ中を伝搬してきた光は光サーキュレー 分散値を補正するための可変分散補償器が必要不可欠と タをかいしてDCFGに入射され，グレーティング部で反射 なる． サーキュレータ 現在，平面導波路型や空間伝搬型など様々な方式の可 変分散補償器が提案されているが DCFG 光ファイバ 光信号 1），2） ，中でもファイバグ IN レーティングを用いた可変分散補償器は，小型，低損失， λmax 低非線形などの利点があり大きな注目を集めている．し OUT かし，実用化のためには群遅延リップルの低減と可変機 図１ ＊1 光通信研究部 ＊2 光通信研究部グループ長 1 λmin グレーティング部 分散補償ファイバグレーティング動作原理 Schematic diagram of DCFG 2004 年 4 月 フ ジ ク ラ 技 報 第 106 号 0 −10 露光レーザ 位相マスク 反 射 −20 （dB） −30 使用範囲 光ファイバ 回折格子面 −40 1,550 1,550.4 1,551.2 1,550.8 1,551.6 干渉領域 回折光 波 長（nm） （a）反射特性 図３ グレーティング露光方法 Fabrication method of fiber grating 400 分散値−490（ps/nm） 100 200 群 遅 延 （ps） 要求レベル ±3ps 0 群 遅 延 リ ッ プ ル （ps） −200 使用範囲 −400 50 0 −50 1,550.5 1,551 1,551.5 使用範囲 波 長（nm） −100 1,554 （b）群遅延特性 図２ 1,554.5 1,555 1,555.5 1,556 波 長（nm） 分散補償ファイバグレーティング光学特性例 Optical spectra of DCFG （a）露光方法改善前 100 して再びサーキュレータをかいして取り出される．DCFG では，グレーティングの周期が光ファイバの長手方向に 50 群 遅 延 リ ッ プ ル （ps） 変化しており，異なる波長の光はDCFG中の異なる点で反 射する．これにより，波長による光路長差が生じ，反射 光の群遅延時間は大きな波長依存性を示す．この群遅延 時間の波長依存性が波長分散であり，DCFGは大きな波長 要求レベル ±3ps 0 −50 分散特性を有することとなる．このDCFGの波長分散値を 使用範囲 伝送路による波長分散と逆特性になるように設計するこ −100 1,550 とにより，波長分散補償器として使用可能となる． 図2にはDCFGの典型的な波長特性を示す．（a）が反射 1,550.5 1,551 1,551.5 1,552 波 長（nm） （b）露光方法改善後 特性であり，（b）が群遅延特性である．使用可能な帯域 は1nm程度と狭いが，その帯域内での反射率はほぼ100％ 図４ であり，挿入損失が小さいことが確認できる．また，帯 分散補償ファイバグレーティングの群遅延リップル特性 Group delay ripple spectra of DCFG 域内での群遅延特性はほぼ線形となっており，その傾き として表される波長分散は−490ps/nmが得られている． 3．光学特性の改善 この群遅延特性の線形近似からの差として表される細か い振動成分が群遅延リップル特性と呼ばれ，分散補償特 図3にファイバグレーティングの作製原理を模式的に示 性を悪化させる原因となっていた．現在の主流となりつ す．波長244nmの紫外光レーザを位相マスクに入射し， つある10Gbit/sのシステムにおいては，群遅延リップルの 位相マスクによる±1次回折光の干渉パターンを光ファイ 大きさが±10ps程度でも使用可能であるが，40Gbit/sの バ中に焼き付けることにより，周期的な屈折率変化を実 システムで使用するためには±3ps以下程度にする必要が 現する．屈折率変化の周期は約0.5μmである． あった． 図4の （a） には，今回検討した露光方法改善前のDCFGに おける群遅延リップル特性を示す．帯域内で±15ps程度 2 次世代高速通信用分散補償ファイバグレーティング 表１ DCFG光学特性まとめ Optical properties of DCFG A ε （d,θ） 項 目 群遅延 リップル 帯域幅 挿入損失 損 失 リップル PDL PMD r1 B 単位 ps nm dB dB dB ps 40Gbps 要求特性 ＜±3 ＞1.0 ＜1.2 ＜0.5 ＜0.1 ＜0.3 実現特性 ±3 1.0 0.9 0.1 0.05 0.25 2e O d A θ B O A' A' （a）リング基本構造 IN の群遅延リップルがみられ，10Gbit/sの伝送システムでも A 使用ができない程大きい値であった． この様な群遅延リ ップルの原因としては， d （＞0） A ・露光レーザの強度変動 d （＜0） A B DCFG IN OUT OUT ・露光中の光ファイバと位相マスクの位置ずれ B などが考えられ，これらについて低減の検討を進めた． DCFG その結果得られた群遅延リップル特性を図4の（b）に示す． 改善により，群遅延リップルは改善前の±15psから A' 40Gbit/s伝送システムに必要な±3ps程度まで低減できる A' （b）分散補償ファイバグレーティング固定時 ことを確認した． 図５ リング構造可変分散補償器の動作原理 Operation principle of the tunable dispersion compensator based on ring structure 表1には40Gbit/sシステムで要求される分散補償器の光 学特性と，今回われわれが達成した光学特性を示す．群 遅延リップル特性も含めすべての項目で要求特性を満た しており，40Gbit/sシステムに適用可能であることが確認 4. 2 リング構造による分散可変原理 今回，われわれはリングの表面にグレーティングを固 できる． 定してそのリングを変形させる非常に単純な構造で，正 4．分散量可変機構 分散から負分散の広い範囲で分散可変となるデバイスを 実現した7）． 次に，もう一つの課題である分散量の可変性について 検討を行った結果を報告する． リング構造による分散量の可変原理を図5に示す．図5 4. 1 分散可変原理 DCFGの分散量を変化させるためには，図2の（b）で示 の（a）に示す様な，内半径r，肉厚2eのリングが，A-A'間 した群遅延スペクトルの傾きを変化させる必要がある． る半径方向の歪み分布εは，リングの角度θと変位量dの ファイバグレーティングは，周囲の温度変化や歪みによ 関数となり以下の式（1）で表すことができる8）． で距離dだけ圧縮されたとすると，リングの外周で発生す って動作波長を変化させることができるが，グレーティ ε （d,θ） ＝C1・d＋C2・d・ ｜sinθ｜ ……………… （1） ング全体に一様な温度変化や歪みを与えても，グレーテ ここで，C 1とC 2はリングの内径および肉厚で決まる定 ィングの波長特性全体がシフトしてしまい，傾きである 数である．この時，図5の（b）に示すように，グレーティ 分散値は変化しない． DCFGの分散値を変化させるため ングをリング表面に固定し，リングの歪みが光ファイバ には，光ファイバ長手方向に沿って連続的に変化する温 グレーティングに伝わるようにすることで，光ファイバ 度変化や歪みを加える必要がある．また，その時に動作 の長手方向に沿って連続的な歪みを掛けることができる． 中心波長が変化しないことも重要であり，温度分布の場 また，リングの変位方向を逆にすることで，分散変化の 合は冷却から加熱への連続的な変化，歪み分布の場合は 方向を逆にすることができ，正分散から負分散の可変範 圧縮から引張への連続的な変化が必要となる．これらの 囲が実現できる． 可変機構を温度分布を用いて実現する方法としては，光 ファイバ長手方向にマイクロヒータ列を作製してそれぞ 4. 3 光学特性 図6には内半径80mm，肉厚5mmのリング表面に，一様 れの温度を制御する方法 3）や，光ファイバ周囲に膜厚の 周期の位相マスクで作製した長さ90mmのDCFGを固定 異なる金属を蒸着し通電する方法 4） し，リングを変形させた場合の反射スペクトルと群遅延 などが提案されてい 時間スペクトルを示す．図中のdがリングの変位量である． る．また，歪み分布を用いて実現する方法としては，光 5） ファイバの外径を変化させた上で張力を掛ける方法 や， リングの変位量を大きくすることにより反射帯域が広が 線膨張係数の異なる二つのリングを組み合わせることで り，それに伴い分散値も大きく変化していることが確認 温度変化を歪み変化に変換する方法 6）なども提案されて できる． いる．ただ，いずれの方法も作製が困難であったり，分 図7には横軸をリングの変位量とした場合の分散値を示 散と共に中心波長が変化してしまったり，さらに，可変 す．リングの変位量と分散値はほぼ反比例の関係にあり， 範囲が十分とれなかったりといった問題点があった． リングへの変位向きを変えることで，±200∼1,500 3 2004 年 4 月 フ ジ ク ラ 技 報 第 106 号 0 2,000 1,500 −5 1,000 −10 分 散 量 （ps/nm） 反 射 −15 （dB） 500 0 −500 −20 −1,000 −1,500 −25 d＝4.3mm d＝2.5mm d＝0.5mm −2,000 −5 −4 −3 −2 −1 −30 1,546 1,547 1,548 1,549 1,550 1,551 1,552 0 1 2 3 4 5 リングの変位量（mm） 波 長（nm） 図７ リング型分散補償器の分散量可変範囲 Dispersion tunable range of ring dispersion compensator （a）反射特性 400 参 考 文 献 200 群 遅 延 1）H. Takenouchi, T. Goh and T. Ishii: 2×40-channel 0 （ps） dispersion compensator for 40-Gbit/s WDM transmission d＝−3.9mm d＝4.3mm systems covering entire C- and L-bands, OFC2001. TuS2, −200 2001 2）M. Shirasaki, Y. Kawahata, S. Cao, H. Ooi, N. Mitamura, H. d＝2.5mm d＝0.5mm d＝−0.4mm d＝−2.4mm −400 1,547 1,548 1,549 1,550 1,551 Isono, G. Ishikawa, G. Barabrossa, C. Yang and C. Lin: 1,552 Variable dispersion compensator using the virtually 波 長（nm） imaged phase array（VIPA） for 40-Gbit/s WDM （b）群遅延時間特性 transmission systems, ECOC2000, PD2.3, 2000 図６ リング型可変分散補償器の光学特性 Optical properties of ring dispersion compensator 3）S. Matsumoto, T. Ohira, M. Takabayashi, K. Yoshiara and T. Sugihara: Tunable dispersion equalizer with divided ps/nmと，正から負の大きな分散可変範囲が得られ，40 thin-film heater for 40-Gb/s RZ transmissions, IEEE Gbit/sシステムに必要とされる可変範囲である250ps/nm Photonics Technology Letters, Vol. 13, No. 8, pp.827-829, を十分満たしていることが確認できた．また，中心波長 2001 の変動も小さく，動作波長を1,549.5nmとすることで，す 4）B. J. Eggleton, J. A. Rogers, P. S. Webtbrook and T. A. べての波長分散可変範囲で使用可能であることを確認し Strasser: Electrically tunable power efficient dispersion た．これらの結果より，当初の目標であった compensating fiber Bragg gratings for dynamic operation ・単純な構造 in nonlinear lightwave systems, OFC99, PD27, 1999 ・中心波長の変動なし 5）D. Gauden, A. Mugnier, E. Goyat, M. Derrien, P. Yvernault ・広い可変範囲 and D. Pureur: Multi-Channel Fiber Bragg Grating のすべてが実現できることを確認した． Dispersion Compensator based on Fused-Tapered Fiber, ECOC2002, 10.4.3, 2002 5．む す び 6）A. Sakamoto, S. Okude, D. Tanaka and A. Wada: Tunable 次世代通信システムである40 Gbit/s用の分散補償ファ dispersion compensator with double ring structure, イバグレーティングの開発を行った．露光方法や露光装 ECOC2002, 10.3.2, 2002 置の改善を行うことで，群遅延時間リップルの低減を行 7）S. Okude, N. Kimura, A. Sakamoto, D. Tanaka and A. った．群遅延時間リップルは，振幅±3ps/nmを達成し， Wada: Tunable dispersion compensator with a simple ring 40Gbit/sシステムに必要な光学特性を実現した． structure, ECOC2003, Mo3.2.3, 2003 また，独自のリング構造による可変分散補償器を提案 8）M. Tanaka and K. Hotate: Application of correlation-based し，非常に単純な構成でありながら，動作中心波長が変 continuous-wave technique for fiber Brillouin sensing to 化することなしに±200∼1,500ps/nmと大きな分散可変量 measurement of strain distribution on a small size を実現した． material, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 14, No. 5, pp.675-677, 2001 4