專利名稱：光波導(dǎo)型衍射光柵元件及其制造方法、合分波組件與光傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)中遍及導(dǎo)光方向的所定范圍內(nèi)形成折射率調(diào)制的衍射光柵的光波導(dǎo)型衍射光柵元件(器件)及其制造方法、包含此光波導(dǎo)型衍射光柵的對光進行合波或分波的分合波組件，以及包含有此合分波組件而應(yīng)用多波長的信號光進行光傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)。
背景技術(shù)：
光波導(dǎo)型衍射光柵元件是在光波導(dǎo)(例如光纖)中遍及導(dǎo)光方向的所定范圍內(nèi)形成折射率調(diào)制的衍射光柵。這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件能把沿光波導(dǎo)導(dǎo)引的光之中在所定的反射波段內(nèi)的光通過衍射光柵作有選擇的反射。包含這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件的合分波組件則能通過光波導(dǎo)型衍射光柵元件有選擇地反射反射波段內(nèi)的光進行合波或分波，可應(yīng)用于以波分復(fù)用的多波長信號光進行光傳輸?shù)牟ǚ謴?fù)用(WDM)的傳輸系統(tǒng)等之中。
一般，光波導(dǎo)型衍射光柵元件是在光波導(dǎo)中遍及導(dǎo)光方向的所定范圍內(nèi)形成由一定周期Λ的折射率調(diào)制的衍射光柵，通過此衍射光柵，有選擇地反射滿足λ＝2N·Λ一式表示的Bragg條件式的波長λ的光而透過其他波長的光。式中的N為光波導(dǎo)的折射率調(diào)制區(qū)域中的平均有效折射率。
由這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件將反射波段內(nèi)的光反射時產(chǎn)生的群延遲差便成了問題，這就是說，由于衍射光柵中光的反射會在衍射光柵內(nèi)導(dǎo)光方向的所有位置上引起而有效的反射位置是與波長相對應(yīng)，由此便會于反射光中產(chǎn)生群延遲。當反射波段內(nèi)的群延遲對波長的依存性大時，由于光波導(dǎo)型衍射光柵的反射，信號光的波形將失真，容易產(chǎn)生接收差錯，不能在WDM傳輸中實現(xiàn)大容量化。
用于減小反射波段中因反射波段內(nèi)的光反射產(chǎn)生的群延遲差的光波導(dǎo)衍射光柵元件，已描述于文獻1「M.Ibsen，et al.，”O(jiān)ptimised squarepassband fibre Bragg grating filter with in-band flat group delayresponse”，Electron.Lett.，Vol.34，No.8，pp.800-802(1998)」和文獻2「M.Ibsen，et al.，”99.9％Reflectivity Dispersion-less Square-filter Fibre BraggGratings for High Speed DWDM Networks”，OFC’2000，PD21(2000)」。
文獻1中描述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件是衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布不均勻的切趾元件。若將形成衍射光柵的折射率調(diào)制的所定范圍中心位置為原點的子軸設(shè)定為導(dǎo)光方向，若將衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布表示為z的函數(shù)，則此切趾的振幅分布是以正弦函數(shù)與高斯函數(shù)之積表示，以上述所定范圍為中心而前后對稱。
文獻2中描述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件也是衍射光柵折射率調(diào)制的振幅分布不均勻的切趾元件。這種波導(dǎo)型衍射光柵元件的折射率調(diào)制的振幅分布是通過剝層布喇格光柵設(shè)計法設(shè)計的。具體地說，這是將可形成衍射光柵折射率調(diào)制的所定范圍細分成許多微區(qū)，為由整個衍射光柵求得所希望的反射率特性而從上述所定范圍的一端順次決定各微區(qū)的折射率，由此所設(shè)計出的折射率調(diào)制的振幅分布。
本發(fā)明人等研究上述的已有技術(shù)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)了下述問題上述文獻1與2分別描述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件與衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布均勻的或高期函數(shù)所表示的相比。反射波段內(nèi)的光反射時產(chǎn)生的群延遲差小。但是文獻1中所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件在反射帶寬中光的透射率大，因而會透過應(yīng)反射的波長的光的一部分。于是當把包含這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件的合分波組件用于WDM傳輸系統(tǒng)中時，在應(yīng)透過的波長的光實際上透過了光波導(dǎo)型衍射光柵元件的光以及應(yīng)反射的波長的光中透過光波導(dǎo)型衍射光柵的一部分光之間，當此各個波長差小時，就會產(chǎn)生串擾而使接收差錯率高。此外，文獻1中所述光波導(dǎo)型衍射光柵元件與衍射光柵折射率調(diào)制的振幅分布均勻的或以高斯函數(shù)表示的相比較時，反射波段內(nèi)的光反射時產(chǎn)生的群延遲差雖然小，但并非充分地小。
文獻2所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件與文獻1所述的相比，光反射時產(chǎn)生的群延遲差更小。但由于形成衍射光柵的折射率調(diào)制的所定范圍長度長達120mm，就難以實現(xiàn)用于抑制因溫度變動一般產(chǎn)生的反射特性變動的溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置。此外由于衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布相對于以上述所定范圍的中心位置為中心時是前后不對稱的形式，為了實現(xiàn)能分波與合波的合分波組件(光ADM分插復(fù)用器)，就需要兩個光波導(dǎo)型衍射光柵元件，而這將會加大合分波組件的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供反射波段內(nèi)的光反射時產(chǎn)生的群延遲差小、形成衍射光柵的折射率調(diào)制的所定范圍長度短、衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布在以上述所定范圍的中心位置為中心時產(chǎn)后對稱的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，同時提供這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件的制造方法，提供包含這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件的合分波組件以及包含這種合分波組件的光傳輸系統(tǒng)。
本發(fā)明的波導(dǎo)型衍射光柵元件在光波導(dǎo)中遍及導(dǎo)光方向所定范圍內(nèi)形成折射率調(diào)制的衍射光柵，是能把沿此光波導(dǎo)導(dǎo)引的光中在反射波段內(nèi)的光經(jīng)衍射光柵有選擇地反射的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，設(shè)透射率在T0(單位dB)以下的連續(xù)波段中最大帶寬的為第一波段，反射率為Ro(單位dB)的波長之中最大波長與最小波長之間的帶寬的為第二波段時，衍射光柵的折射率調(diào)制在以所定范圍的中心位置為中心時前后對稱，而To≤-20dB，Ro≤-20分貝，第一波段的寬度B1(單位nm)與第二波段的寬度B2(單位nm)之比(B1/B2)≥0.3，第一波段內(nèi)的光經(jīng)衍射光柵反射生成的最大群延遲差(單位ps)≤0.011exp(7.86×B1/B2-0.045×Ro)B1。
這種光波導(dǎo)型衍射光柵元件與已有的相比，由于第一波段內(nèi)光反射時產(chǎn)生的群延遲差小，能抑制反射的信號光的波形失真；由于衍射光柵的折射率調(diào)制形成所定范圍的長度短，就容易實現(xiàn)用于抑制因溫度變動導(dǎo)致反射特性的變動的溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置；由于衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布在以上述所定范圍的中心位置為中心時前后對稱，故即使是在實現(xiàn)能合波與分波兩者的合分波組件時，也只需用到一個光波導(dǎo)型的衍射光柵元件，能使分合波組件小型化。
本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵元件也能夠以衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布具有倒相部為其特征，在此情形下，極其適合實現(xiàn)具有上述各特性的光波導(dǎo)型衍射光柵元件。此外，本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵元件也能夠以衍射光柵的折射率調(diào)制形成的所定范圍長度在40mm以下為其特征，在此情形下，更容易實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置。
本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵元件的最大群延遲差最好是≤10ps而尤為最好是≤2.5ps。第二波段的帶寬B2最好≤1.6nm而尤最好是≤0.8nm，此時的位速率為10Gbps(或40Gbps)，能良好地適用于進行波長間隔100GHz(或50GHz)的WDM傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)中。
本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵的制造方法即制造上述本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵的方法，其特征在于通過非線性規(guī)劃方法設(shè)計衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布，據(jù)此來制造光波導(dǎo)型衍射光柵元件。依此光波導(dǎo)型衍射光柵元件的制造方法，可以制造上述的波導(dǎo)型衍射光柵元件。
本發(fā)明的分合波組件的特征在于，它具有上述本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，通過此光波導(dǎo)型衍射光柵元件有選擇地反射反射波段內(nèi)的光，對光進行合波或分波。此外，本發(fā)明的光傳輸系統(tǒng)是應(yīng)用波長復(fù)用的多波長信號光進行光傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)，其特征在于包含有上述本發(fā)明的合分波組件，利用此合分波組件對多波長的信號光進行合波或分波。這樣，由于利用了包含合分波組件的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，可以減小第一波段內(nèi)波長的波反射時產(chǎn)生的群延遲差，就能抑制反射波長的信號光的波形失真，使大容量的WDM傳輸成為可能。
通過以下的詳細說明與附圖，可更加全面地理解本發(fā)明。這里所描述和所圖示的僅僅是用于例示目的，不應(yīng)將本發(fā)明視作局限于此。


圖1是本發(fā)明實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件的說明圖。
圖2是本發(fā)明實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件的制造方法說明圖。
圖3是模擬退火法的說明圖。
圖4A與4B示明第二帶寬不連續(xù)變化的狀態(tài)。
圖5A～C是示明實施例1的光波導(dǎo)型衍射光柵元件各種特性的曲線圖。
圖6A～C是示明比較例1的光波導(dǎo)型衍射光柵元件各種特性的曲線圖。
圖7A～C是示明比較例2的光波導(dǎo)型衍射光柵元件各種特性的曲線圖。
圖8是示明實施例與比較例各自光波導(dǎo)型衍射光柵元件的第一波段內(nèi)最大群延遲差與比(B1/B2)的關(guān)系的曲線圖。
圖9是示明實施例與比較例各自光波導(dǎo)型衍射光柵元件的第一波段內(nèi)最大群延遲差與比(B1/B2)的關(guān)系的曲線圖。
圖10是比較例的光波導(dǎo)型衍射光柵元件的以極限值去除第一波段內(nèi)最大群延遲差所得的值與比(B1/B2)關(guān)系的曲線圖。
圖11A～C至圖33A～C分別是示明各實施例的光波導(dǎo)型衍射光柵元件各種特性的曲線圖。
圖34是本實施形式的合分波組件的說明圖。
圖35是本實施形式的光傳輸系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳述本發(fā)明的實施形式。在附圖的說明中，給相同的部分附以相同的標號而略去其重復(fù)性說明。
首先說明本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵元件及其制造方法的實施形式。圖1是本實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的說明圖。此圖所示為沿包含光軸的面剖開時光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的剖面圖。此元件100是在光纖110中形成了衍射光柵113。光纖110以石英玻璃為其主要成分，于包含光軸中心的芯子區(qū)111中添加了GeO2，包圍此芯子區(qū)111設(shè)有包層區(qū)112。在此光纖110中導(dǎo)引光的方向的整個所定范圍內(nèi)，形成由折射率調(diào)制Δnall的衍射光柵113。
將形成衍射光柵113的所定范圍的中心位置為原點的子軸設(shè)定為光波導(dǎo)方向，此衍射光柵113的折射率調(diào)制Δnall(z)例如可表示如下Δnall(z)=Δn(z)cos(2πzΛ)···(1a)]]>Δn(z)=Σk=1Kakcos(2k-12dπz)···(1b)]]>式中K為2以上整數(shù)。衍射光柵113的折射率調(diào)制Δnall是以與應(yīng)反射的波長入相對應(yīng)的一定周期Λ的cos函數(shù)和折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)之積表示(或(1a))。此外，折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)是以K個cos函數(shù)之和表示，是進行了切趾的(式(1b))。這K個cos函數(shù)的各個在形成折射率調(diào)制的所定范圍(-d≤z≤+d)內(nèi)是以原點(Z＝0)為中心對稱的偶函數(shù)，其上述所定范圍的兩端(z＝±d)以及此范圍之外，其值為零，各個周期互異。據(jù)此，上述光波導(dǎo)型衍射光柵元件100中，衍射光柵113的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)是以中心位置(Z＝0)為中心前后對稱。
本實施形式的波導(dǎo)型衍射光柵元件100的透射率，以To(單位dB)以下連續(xù)的波段中最大帶寬的為第一波段，以反射率為Ro(單位dB)的波長之中最大波長與最小波長之間的波段為第二波段。此時有T0≤-20dB、Ro≤-20dB、第一波段的帶寬B1(單位nm)和第二波段的帶寬B2(單位nm)之比(B1/B2)≥0.3，而第一波段內(nèi)的光因衍射光柵113的反射所產(chǎn)生的最大群延遲差(單位ps)≤0.011exp(7.86B1/B2-0.045Ro)B1。
此光波導(dǎo)型衍射光柵元件100，由于第一波段內(nèi)的光反射時產(chǎn)生的群延遲差小，就能抑制反射的信號光的波形失真。于是在采用包含此種光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的合分波組件的WDM傳輸中，能夠有助于大容量化。此外，光波導(dǎo)型衍射光柵元件100由于能減小衍射光柵113的折射率調(diào)制形成的所定范圍長度2d，就容易實現(xiàn)用于抑制因溫度變動引起的反射特性變動的溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置。
本實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100最好是使衍射光柵113的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)具有倒相部。此時極有利于實現(xiàn)具有上述各特性的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100。這里如上述式(1b)所示，衍射晶格113的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)取決于位置z而可以為正值或負值。因此，倒相部便由振幅分布Δn(z)的值從正值變換到負值或從負值變換到正值的點規(guī)定。
本實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100最好是使衍射光柵113的折射率調(diào)制形成的所定范圍長度2d≤40mm。這種情形下更易實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置。
再有，第一波段內(nèi)的光因衍射光柵113反射生成的最大群延遲差最好≤10ps，而尤為最好是≤2.5ps。第二波段帶寬B2最好≤1.6nm，而尤為最好≤0.8nm。包含有最大群延遲差≤10ps而第二波段的帶寬B2≤1.6nm的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的分合波組件，能特別良好地用于以位速率10Gbps而波長間隔100GHz進行WDM傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)中。包含有最大群延遲差≤10ps而第二波段帶寬B2≤0.8nm的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的分合波組件，能特別良好地用于以位速率10Gbps而波長間隔50GHz進行WDM傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)。包含最大群延遲差≤2.5ps而第二波段帶寬B2≤1.6nm的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的合分波組件，能特別良好地用于以位速率40Gbps而波長間隔100GHz進行WDM傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)。此外，包含最大群延遲差≤2.5ps而第二波段帶寬B2≤0.8nm的光波導(dǎo)型衍射光柵元件的合分波組件，能特別良好地用于以位速率40Gbps而波長間隔50GHz進行WDM傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)。
下面說明本實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的制造方法。
光波導(dǎo)型衍射光柵元件100用圖2所示的裝造裝置200制造。裝置200具有激光光源201、狹縫203、反射鏡205、帶有驅(qū)動馬達207a的臺207、相位光柵209以及控制部211。
激光光源201輸出感生光纖110芯子區(qū)111中折射率調(diào)制的光。光源201最好采用輸出紫外激光的準分子激光光源(例如KrF準分子激光光源)。此激光光源201的輸出光強可變。
狹縫203使從激光光源201輸出的光之中入射到孔口203A的通過此孔口203A入射到反射鏡205。反射鏡205將通過狹縫203的孔口203A的光反射，入射到相位光柵209。反射鏡205可由帶有驅(qū)動馬達207a的臺207帶動沿光纖110的縱向移動。使反射鏡這樣地移動，便能將激光光源201輸出的光沿光纖110的縱向掃描，入射到相位光柵209。
相位光柵209在反射鏡205所反射的光的入射側(cè)和相反側(cè)(即光纖設(shè)置在的一側(cè))形式一定周期的凹凸，使入射光衍射。然后，相位光柵209形成+1次衍射光與-1次衍射光的干涉條紋，于光纖110的光波導(dǎo)區(qū)形成與此干涉條紋相對應(yīng)的折射率調(diào)整，于此光波導(dǎo)區(qū)形成了折射率調(diào)制的光纖110即是光波導(dǎo)型衍射光柵元件100。
控制部211由CPU與存儲有控制程序的存儲器等組成。此控制部211與激光光源201電連。控制激光光源201出射的光強。控制部211還與臺207的驅(qū)動馬達207a電連，控制反射鏡205的移動速度。
在應(yīng)用制造裝置200制造光波導(dǎo)型衍射光柵100時，首先將形成了衍射光柵113的光纖110置于相位光柵的正下方。光纖110具有位于中心的芯子區(qū)111和包圍引芯子區(qū)111的包層區(qū)112。沿此光纖110導(dǎo)引的光是封閉于芯子區(qū)111中傳播，但此光的能量的一部分也存在于芯子區(qū)111附近的包層區(qū)112中。這就是說，光纖110的導(dǎo)光區(qū)域是芯子區(qū)域111以及芯子區(qū)域111附近的包層區(qū)域112。光纖110是以石英玻璃為主要成分構(gòu)成，并在導(dǎo)光區(qū)域(至少是芯子區(qū)域)摻加有Ge2O。
相對于此光纖110，通過具有所定周期相位調(diào)制的相位掩模209，例如以KrF準分子激光光源201輸出的波長248nm的紫外激光照射。這樣，根據(jù)此照射強度，摻加了GeO2區(qū)域的折射率被調(diào)制，形成所定周期A的折射率調(diào)制，在照射紫外激光時，控制部211基于由后述方法設(shè)計的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)，控制激光光源201與驅(qū)動馬達207a，通過調(diào)節(jié)激光光源201出射的光強與反射鏡205的移動速度，能恰當?shù)乜刂葡鄬τ诠饫w110縱向的照射時間或照射強度的分布，形成所希望的衍射光柵113。
下面說明折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)的設(shè)計方法。折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)是由非線性規(guī)劃法設(shè)計。所謂非線性規(guī)劃法例如是以模擬退火法與遺傳算法為基礎(chǔ)的。現(xiàn)參考圖3說明其中的模擬退火法。
模擬退火法是在檢索設(shè)計變數(shù)L時，當目標函數(shù)W變小過程中繼續(xù)該檢索，而即令W轉(zhuǎn)為增加時也以某一概率容許此檢索，以在盡可能廣的范圍內(nèi)進行極小值的檢索。然后若此容許概率逐漸減小，便可求得大范圍的極小值即最優(yōu)解。這樣，在本方法中是用稱作為溫度的參數(shù)，使采用成為退化(目標函數(shù)W變大)的解的概率逐漸變化。
首先進行初始設(shè)計L(0)的衍射光柵的特性分析，計算目標函數(shù)W(0)(步驟S1)。其次使設(shè)計變數(shù)L(0)改變rΔL(L(1)＝L(0)+rΔL)，計算L(1)中的目標函數(shù)W(1)(步驟S2)。這里的r是隨機數(shù)[-1，1]。再令設(shè)計變數(shù)L改變rΔL(＝L(2))，成為W(2)＞W(wǎng)(1)，確定按以下式(2)的概率P容許設(shè)計變數(shù)L(2)(步驟S3)P=exp{-W(2)-W(1)T}>r*···(2)]]>式中，γ*為隨機數(shù)
，T為溫度參數(shù)，這樣，即使目標函數(shù)減少，也能以一定概率登上目標函數(shù)的山。
當設(shè)計變當選L(2)進一步改變rΔL時(＝L(3))，由于W(3)＜W(2)，檢索成功(步驟S4)。當進一步使設(shè)計變數(shù)L(3)改變rΔL時(＝L(4))，成為W(4)＞W(wǎng)(3)，計算此時的登山概率后，由于比隨機數(shù)r*小，視作檢索失敗而返回L(3)(步驟S5)。
將以上步驟重復(fù)所定次數(shù)(N5)后，使尺寸的節(jié)距寬度ΔL減小，再進行反復(fù)計算(步驟S6)，在將上述反復(fù)重復(fù)Nt次后，即進行了Ns×Nt次檢索后，使參數(shù)T減小(將步驟S3的檢索成功的客許范圍變小)，返回步驟S1。當返次數(shù)比指定值大時，便把至此求得的解視作最終解，結(jié)束檢索(步驟S7)。
如步驟S3所示，當目標函數(shù)W的值退化成為W(2)＞W(wǎng)(1)時，設(shè)式(2)的變更前的溫度為T(k)，變更后的溫度為T(kt1)時，由于
O＜T(k+1)＜T(k)…(3)則成為0<exp{-W(2)-W(1)T(k+1)}<exp{-W(2)-W(1)T(k)}<1···(4)]]>因此，即便目標函數(shù)W的退化量(W(2)-W(1))相同，在溫度高時采用這個解的概率增大而在溫度低時采用這個解的概率就小，這就是說，在模擬退火法中，若于初始階段將溫度設(shè)定得高，就能避免在不適當處尋獲最優(yōu)解。然后隨著計算的進展，溫度漸減，獲得退化解的概率減小，而歸結(jié)到大范圍的最優(yōu)解。
下面根據(jù)上述模擬退火法說明實際設(shè)計折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)的方法。
設(shè)第一波段的帶寬為B1、第二波段的帶寬為B2，目標透射率與目標反射率分別為To與Ro。原來是以B1表示透射率成為To以下的最大連續(xù)波段，而B2表示反射率成為Ro的波長之中最大波長與最小波長間的波段。但特別是對B2而言，在設(shè)計檢索過程中旁辨長成時，如圖4A與4B所示，得到了不連續(xù)的變化。這種不連續(xù)性由于給設(shè)計的最優(yōu)化帶來了困難，采用下述方法。
設(shè)第一波段帶寬對應(yīng)的目標波段為C1，對應(yīng)第二波段帶寬的目標波段為C2，實施①在C1使透射率≤To，②在C2之外使反射率≤Ro，③在C1使群延遲差盡可能小這樣的最優(yōu)化。這里，C1、C2與B1、B2定義相異，成為C1＜B1、C2＞B2。但當考慮到③，在B1/B2小時，即C1＝B1、C2＝B2為有利，在以下所示實施例中也如此。
目標函數(shù)W的具體例中，最優(yōu)化時C1與C2固定，設(shè)①C1上的最大透射率為Tmax，②C2之外的最大反射率為Rmax，③C1上的最大群延遲差為τmax時，例如可表示為W＝(Tmax-TO)2+(Rmax-RO)2+(τmax2)×ω…(5)式中的ω表示權(quán)，在檢索①與②的約束下滿足③的設(shè)計時，希望ω小(例如≤0.01)。
此外，考慮到其他目標時，例如還有下述種種方法④使旁辨(C1以為的峰值)盡可能地小、⑤確定作為目標的光譜的形狀使目標與實際之差的平方和最小、⑥使C2以外的透過波的最大群延遲差(τmax)也最小，等等。
在以下實施例中，于①、②、③、⑥的約束下，將目標函數(shù)作為W＝(Tmax-TO)2+(Rmax-RO)2+(τmax2+τTmax2)×ω …(6)進行最優(yōu)化。
下面將本實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的實施例與兩個比較例在一起進行說明。圖5A～C是示明實施例1的光波導(dǎo)型衍射光柵的種種特性的曲線圖。圖6A～C是示明比較例1的光波導(dǎo)型衍射光柵的種種特性的曲線圖。圖7A～C是示明比較例2的波導(dǎo)型衍射光柵的種種特性的曲線圖。各個圖A表明衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布，各個圖B表明反射特性(實線)與透過特性(虛線)，而各個圖C表明第一波段內(nèi)的光通過衍射光柵反射所產(chǎn)生的最大群延遲差特性。
圖5A～C所示實施例1的光波導(dǎo)型衍射光柵元件中，衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)是上述式(1b)所表示的(圖5A)。在此設(shè)2d＝30mm，To＝-30dB，R0＝-30dB，B1/B2＝0.6，B1+B2＝0.8nm，K＝10。此光波導(dǎo)型衍射光柵元件中，上式(6)所表示的目標函數(shù)W為了可在上述條件下最小化，可根據(jù)模擬退火法設(shè)計式(1b)所示折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)的參數(shù)a1～a10。下面更詳細地說明參數(shù)a1～a10的設(shè)計。
設(shè)計參數(shù)a1～a10時，首先設(shè)定作為初始設(shè)計變數(shù)L(0)的a1(0)～a10(0)。a1(0)～a10(0)的設(shè)定中，用上述式(6)將后述的式(7)所示的超高斯函數(shù)的三個參數(shù)a，b，c最優(yōu)化。其次決定式(1b)中的參數(shù)a1～a10，以能夠最逼近所得的超高斯分布。在確定參數(shù)a1～a10時用付立葉變換。然后這樣決定的參數(shù)a1～a10便成為用作初始的設(shè)計變數(shù)L(0)的a1(0)～a10(0)再用式(6)將參數(shù)a1～a10最優(yōu)化。首先用a1(0)～a10(0)進行初始設(shè)計的衍射光柵的特性分析，求目標函數(shù)W(0)。其次只使a1(0)改變rΔa1求(a1(1)＝a1(0)+rΔa1)、a2(0)～a10(0)的目標函數(shù)W(1)。然后比較W(1)與W(0)，當W(1)小或滿足式(2)時，檢索成功。再只使a2(0)改變rΔa2，進行同樣的判定。將此過程重復(fù)到a3(0)～a10(0)，結(jié)束1步驟部分的檢索。至此的步驟相當于到上述步驟S5的步驟。所以，本實施例中的全部檢索數(shù)為10×Ns×Nt，由此可進行參數(shù)a1～a10的最優(yōu)化。
如上所述，參數(shù)a1～a10的設(shè)定中是用超高斯函數(shù)進行參數(shù)a，b，c的最優(yōu)化，用最優(yōu)化的超高期函數(shù)設(shè)定式(1b)的初始值a1(0)～a10(0)，再用初始值a1(0)～a10(0)進行參數(shù)a1～a10的最優(yōu)化。若將這樣地最優(yōu)化進行二次，則首先用參數(shù)少的超高斯函數(shù)作大致的最優(yōu)化，然后增加參數(shù)則能有效地提高精度。超高斯函數(shù)之所以用于許多的衍射光柵的設(shè)計中是由于設(shè)計容易。還因為在超高斯函數(shù)的最優(yōu)化中所用的初始值a，b，c的初始值，能根據(jù)過去的經(jīng)驗容易設(shè)定。
在上述參數(shù)a1～a10的設(shè)定中，設(shè)初始溫度T為10，設(shè)重復(fù)次數(shù)Ns為10，設(shè)Nt為10，設(shè)溫度下降率為0.85，而將目標函數(shù)W的評價數(shù)設(shè)為約40000次。所得的結(jié)果如下a1＝2.206×10-4、a2＝1.332×10-4、a3＝1.919×10-5、a4＝-4.694×10-5、a5＝-3.852×10-5、a6＝8.661×10-6、a7＝2.216×10-5、a8＝-5.816×10-6、a9＝-6.330×10-6、a10＝1.447×10-6。
圖6A～C所示比較例1的光波導(dǎo)型衍射光柵是將衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)以式Δn(z)=aexp(-|zb|c)···(7)]]>所表示的。在此也作如下的設(shè)定To＝-30dB，Ro＝-30db，B1/B2＝0.6，B1+B2＝0.8nm。此外，在比較例1中，設(shè)a＝3.533×10-4，b＝5.483mm，c＝5.059，同時將折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)設(shè)為超高斯函數(shù)型(圖6A)。
圖7A～C所示比較例2的光波導(dǎo)型衍射光柵元件也是將衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)以上式(7)所表示的。在此仍設(shè)To＝-30dB，Ro＝-30db，B1/B2＝0.6，B1+B2＝0.8nm。此外，在比較例2中，設(shè)a＝3.780×10-4，b＝8.178mm，c＝2，同時設(shè)折射率調(diào)制的振幅分布Δn(z)為高斯函數(shù)型(圖7A)。
比較實施例1(圖5A～C)、比較例1(圖6A～C)與比較例2(圖7A～C)可得下述結(jié)論。在全都為To＝-30dB，Ro＝-30db，B1/B2＝0.6，B1+B2＝0.8nm方面都是一致的。但第一波段內(nèi)的光通過衍射光柵反射產(chǎn)生的第一波段內(nèi)的最大群延遲差，在實施例1(圖5A～C)中為1.7ps，在比較例1(圖6A～C)中為17ps，在比較例2(圖7A～C)中為103ps。這樣，實施例1中第一波段內(nèi)最大群延遲差是比較例1的1/10，是比較例2的1/60。
圖8與圖9分別是包括上述實施例1與比較例1、2的實施例與比較例各個的光波導(dǎo)型衍射光柵元件中，第一波段內(nèi)最大群延遲差與比(B1/B2)的關(guān)系曲線圖。
在這些圖中，標記Δ表示衍射光柵折射率調(diào)制的振幅分布由上述(1b)式表示的實施例光波導(dǎo)型衍射光柵元件中，第一波段內(nèi)最大群延遲差與比(B1/B2)的關(guān)系。在此，固定地設(shè)2d＝30mm，B1+B2＝0.8nm，K＝10，而對比(B1/B2)設(shè)定為各種值，為使上式(6)中表示的目的函數(shù)W在上述條件下成為最小，根據(jù)模擬退火法設(shè)計參數(shù)a0～a10。再有，在圖8中，To＝-20dB，Ro＝-20dB；圖9中，To＝-30dB，Ro＝-30dB。
以上兩圖中許多小圓圈標記表示的是，衍射光柵折射率調(diào)制的振幅分布由式(7)表示的比較例的光波導(dǎo)型衍射光柵元件中第一波段內(nèi)的最大群延遲差與比(B1/B2)的關(guān)系。在此將B1+B2＝0.8nm固定，對上式(7)中各參數(shù)a、b與c的組合進行了約100萬種的設(shè)計，其中第一波段內(nèi)最大群延遲差小的約1000種設(shè)計的結(jié)果如圖9所示。圖8中，To≤-20dB，Ro＝-20dB；圖9中，To≤-20dB，Ro＝-30dB。圖8與圖9的各自曲線圖中所示的實線表明，比(B1/B2)在0.3以上范圍中的比較例情形第一波段內(nèi)最大群延遲差的下限(即0.11×exp(7.86B1/B2-0.045Ro)/B1)。
從圖8與9可知，不論是實施例或比較例，比(B1/B2)的值越大，第一波段內(nèi)的光由衍射光柵反射產(chǎn)生的第一波段內(nèi)的最大群延遲差也越大。若比(B1/B2)的值大致相同時，實施例中第一波段內(nèi)的最大群延遲差是比較例的約1/10。
假定在進行位速率為10Gbps的光傳輸時，為了抑制信號光的波形失真，應(yīng)使第一波段內(nèi)的光因衍射光柵反射所生成的第一波段內(nèi)的最大群延遲差在1ops以下。為此，在比較例中，(B1/B2)在圖8中應(yīng)在約0.56之下，而在圖9中應(yīng)知0.50以下。與之相反，在實施例情形，(B1/B2)可以在約0.8之下。這樣，若是第一波段內(nèi)的光因衍射光柵反射生成的第一波段內(nèi)的最大群延遲差大致相同時，由于與比較例相比，實施例中比(B1/B2)的值增大，最好要考慮到信號光波長的誤差和制造光波導(dǎo)型衍射光柵時的誤差。
圖10示明比較例的光波導(dǎo)型衍射光柵元件中以極限值去除第一波段內(nèi)最大群延遲差的值與(B1/B2)關(guān)系的曲線圖。此極限值以0.011×exp(7.86B1/B2-0.045Ro)/B1表示。式中固定地設(shè)置B1+B2＝0.8nm，對上式(7)中各參數(shù)a，b，與c的組合進行了約100萬種設(shè)計。求得了第一波段內(nèi)的光因衍射光柵反射而產(chǎn)生的第一波段內(nèi)的最大群延遲差，用極限值去除此最大群延遲值所得的值示明于圖中。在此，To≤-20dB，Ro≤-20dB。從圖10可知，比較例的光波導(dǎo)型衍射光柵元件中，當比(B1/B2)在0.3以上范圍中時，第一波段內(nèi)的光因反射產(chǎn)生的第一波段內(nèi)最大群延遲差除以極限值所得的值超過1，由此可知第一波段內(nèi)最大群延遲差將大于極限值。
下面的表1中示明了圖8與9內(nèi)以Δ標志所示的24個實施例的第一波段帶寬B1、第二波段帶寬B2、B1與B2之比B1/B2、透射率To、反射率Ro以及最大群延遲差。表中涉及的圖11A～C至圖33A～C分別是示明這些實施例的光波導(dǎo)型衍射光柵種種特性的曲線圖，其中圖11A～C到圖29A～C分別表示表1中所示No.1～19中實施例對應(yīng)的曲線圖，圖30A～C到圖33A～C分別表示表1中所示No.21～24的實施例對應(yīng)的曲線圖。表1中以No.20所示的實施例相當于上述實施例1。示明其光波導(dǎo)型衍射光柵元件種種特性的曲線圖示明于圖5A～C。
表1

下面說明本發(fā)明的合分波組件的實施形式。以下所述的合分波組件10包含著上述實施例形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100。下面考慮M波的波長λ1～λM，將其中的波長λm的光作為光波導(dǎo)型衍射樂柵元件100有選擇的反射的光進行說明。
圖34是本實施形式的合分波組件10的說明圖。此合分波組件10在光波導(dǎo)型衍射光柵100的一端與光環(huán)行器210連接，在此光柵100的另一端則與光環(huán)行器220連接。光環(huán)行器210具有第一端子211、第二端子212與第三端子213，輸入第一端子211的光由第二端子輸出給光波導(dǎo)型衍射光柵元件110，輸入第二端子211的光由第三端子213輸出。光環(huán)行器220則有第一端子221、第二端子222與第三端子223，輸入第一端子221的光由第二端子222輸出給光波導(dǎo)型衍射光柵元件100，將輸入第二端子222的光經(jīng)第三端子223輸出。
此合分波組件10當波長λ1～λm-1，λm+1～λM的輸入光環(huán)行器210的第一端子211后，這些光便由光環(huán)行器210的第二端子212輸出給光波導(dǎo)型衍射光柵元件100，透過光波導(dǎo)型衍射光柵元件100，輸入光環(huán)行器220的第二端子222，由光環(huán)行器220的第三端子223輸出。此外，當波長λm的光輸入光環(huán)行器220的第一端子221后，此光從光環(huán)行器220的第二端子222輸出給光波導(dǎo)型衍射光柵元件100并由其反射而輸入光環(huán)行器220的第二端子222，再從光環(huán)行器220的第三端子223輸出。這就是說，在此情形下，此合分波組件10作為合波器工作，將輸入光環(huán)行器210的第一端子211的波長λ1～λm-1，λm+1～λM的光與輸入光環(huán)行器220的第一端子221的波長λm的光合波，而將此合波的波長λ1～λM的光從光環(huán)行器220的第三端子223輸出。此外，當此合分波組件10僅用作合波器時，不要光環(huán)行器210。
在合分波組件10中，當光環(huán)行器210的第一端子211中有波長λ1～λM的光輸入后，這些光便由光環(huán)行器210的第二端子212輸出給光波導(dǎo)型衍射光柵元件100。然后，這些光之中的波長λm的光為光波導(dǎo)型衍射光柵100反射，輸入光環(huán)行器210的第二端子212，從光環(huán)行器210的第三端子輸出。另一方面，波長λ1～λm-1，λm+1～λM的光透過光波導(dǎo)型衍射光柵元件100，輸入光環(huán)行器220的第二端子222、從光環(huán)行器220的第三端子223輸出。這就是說，在此情形下，合分波組件10作為分波器工作，將輸入光環(huán)行器210第一端子211的波長λ1～λM分波，將波長λm的光從光環(huán)行器210的第三端子213輸出，而將波長λ1～λm-1，λm+1～λM的光從光環(huán)行器220的第三端子223的輸出。在合分波組件10只用作分波器時，不需要光環(huán)行器220。
此合分波組件10在用作合波器工作的同時也能作為分波器工作，由此也可用作光ADM(分插復(fù)用器)。具體地說，設(shè)此合分波組件10將輸入光環(huán)行器210的第一端子221的波長λ1～λM之中，波長λM的光從光環(huán)行器210的第三端子213輸出(引出)，與此同時，將載運其他信息的波長λm的光從光環(huán)行器220的第一端子221輸入(插入)。然后，輸入光環(huán)行器210的第一端子211的波長λ1～λM之中λ1～λm-1，λm+1～λM的光和輸入光環(huán)行器220的第一端子221的波長λm的光合波，將此合波的波長λ1～λM的光從光環(huán)行器220的第三端子輸出。
上述合分波組件10包含有前述小型的前后對稱的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100。因此這種合分波組件10在由光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的衍射光柵113反射第一波段(反射波段)內(nèi)波長λm的光時產(chǎn)生的群延遲差小，于是可抑制反射波長λm的信號光的波形失真，有助于在采用了這種合分波組件10的WDM的傳輸中實現(xiàn)大容量化。此外，這種合分波組件10是小型的。也是具有能進行合波與分波兩種功能的(ADM)，還由于只需包含一個光波導(dǎo)型衍射光柵元件，這一點也有助于小型化。再由于可以小型化，此合分波組件10也就容易實現(xiàn)用于抑制因溫度變動導(dǎo)致反射特性變動的溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置。
再有，前面先有技術(shù)中所舉文獻2中描述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，形成衍射光柵的范圍長達120mm且為前后不對稱的，在實現(xiàn)合分波組件時就需要在兩個光環(huán)行器之間設(shè)置兩個光波導(dǎo)型衍射光柵元件。于是采用文獻2中所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件共兩個的合分波組件不僅會大型化而且難以實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置，成為高價的。與此相反，不實施形式的合分波組件10由于只需用到這樣一個光波導(dǎo)型衍射光柵元件100即可，故能小型化、容易實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置和廉價。
再對本發(fā)明的光傳輸系統(tǒng)的實施形式進行說明。圖35是本實施形式的光傳輸系統(tǒng)1的示意性結(jié)構(gòu)圖。此光傳輸系統(tǒng)1由光纖傳輸線路5連接發(fā)送臺2與中繼站3同時由光纖傳輸線路6連接中繼站3與接收臺4，在中繼站3中設(shè)有合分波組件(multiplexing/demultiplexing module)10。
發(fā)送臺2將波長λ1～λM的信號光進行波長復(fù)用，發(fā)送給光纖傳輸線路5。中繼站3輸入可沿光纖傳輸線路5傳播的波長λ1～λM的信號光由合分波組件10將它們分波，將波長λ1～λm-1，λm+1～λM的信號光發(fā)送給光纖傳輸線路6，將波長λm的信號光發(fā)送給其他光纖傳輸線路。中繼站3通過合分波組件10將經(jīng)過其他光纖傳輸線路輸入的波長λm的信號光傳送給光纖傳輸線路6。接收臺4輸入沿光纖傳輸線路6傳輸?shù)牟ㄩL的λ1～λM的信號光，將它們按各個波長分波接收。
此光傳輸系統(tǒng)1采用包含上述本實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件100的合分波組件10，對波長λ1～λM的信號光進行合波(復(fù)用multiplexing)或分波(去復(fù)用demultiplexing)。于是由中繼3內(nèi)合分波組件10所含光波導(dǎo)型衍射光柵元件100在反射第一波段(反射波段)內(nèi)的波長λm的光時產(chǎn)生的群延遲差小，而能抑制反射的波長λm的信號光的波形失真，使大容量的WDM傳輸成為可能。
本發(fā)明并不限于上述實施形式而可有種種變型。例如上述實施形式的光波導(dǎo)型衍射光柵元件是在光波導(dǎo)光纖中形成折射率調(diào)制的衍射光柵的，但并不局限于此而也可以是于平面基板上形成的光波導(dǎo)中形成折射率調(diào)制的衍射光柵的。
根據(jù)本發(fā)明的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，與先有的光波導(dǎo)型衍射光柵元件相比，由于第一波段內(nèi)的光在反射時產(chǎn)生的群延遲差小，故能抑制反射的信號光的波形失真。此外由于形成衍射光柵的折射率調(diào)制的所定范圍的長度短，從而容易實現(xiàn)用于抑制溫度變動導(dǎo)致反射特性變動的溫度調(diào)節(jié)裝置或溫度補償裝置。還由于衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布以上述所定范圍的中心位置為中心時前后對稱，故即令是在實現(xiàn)可合波與分波兩種功能的合分波組件時，只需用一個光波導(dǎo)型衍射光柵元件即可，從而能使合分波組件小型化。
從上述本發(fā)明的說明中當可以了解到本發(fā)明的種種變型，而這種種變型應(yīng)該認為是沒有脫離本發(fā)明的思想與范圍的，對于所有內(nèi)行人屬顯而易見的改進應(yīng)該是包括在以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo)型衍射光柵元件，它在光波導(dǎo)中遍及導(dǎo)光方向所定范圍內(nèi)形成折射率調(diào)制的衍射光柵，能把沿此光波導(dǎo)導(dǎo)引的光中在反射波段內(nèi)的光經(jīng)所述衍射光柵有選擇地反射，其特征在于，設(shè)透射率在To(單位dB)以下的連續(xù)波段中的最大帶寬的為第一波段，反射率為Ro(單位dB)的波長之中最大波長與最小波長之間的帶寬的為第二波段時，衍射光柵的折射率調(diào)制在以所定范圍的中心位置為中心時前后對稱，而To≤-20dB、Ro≤-20分貝，第一波段的寬度B1(單位nm)與第二波段的寬度B2(單位nm)之比(B1/B2)≥0.3，第一波段內(nèi)的光經(jīng)因衍射光柵反射生成的最大群延遲差(單位ps)≤0.011×exp(7.86B1/B2-0.045Ro)B1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，所述衍射光柵的折射率調(diào)制的振幅分布具有倒相部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，形成上述衍射光柵的折射率調(diào)制的上述所定范圍的長度≤40nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，所述最大群延遲差≤10ps。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，所述最大群延遲差≤2.5ps。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，所述第二波段的帶寬B2≤1.6nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，其特征在于，所述第二波段的帶寬B2≤0.8nm。
8.一種光波導(dǎo)型衍射光柵元件的制造方法，它是制造權(quán)利要求1所述光波導(dǎo)型衍射光柵元件的制造方法，其特征在于，上述衍射光柵元件的折射率調(diào)制的振幅分布是由非線性規(guī)劃法設(shè)計并以此為基礎(chǔ)制造上述光波導(dǎo)型衍射光柵元件。
9.一種合分波組件，其特征在于，它包含權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)型衍射光柵元件，通過此光波導(dǎo)型衍射光柵有選擇地反射反射波段內(nèi)的光進行光的合波與分波。
10.一種應(yīng)用波長復(fù)用的多波長信號光進行光傳輸?shù)墓鈧鬏斚到y(tǒng)，其特征在于，此系統(tǒng)包含權(quán)利要求9所述的合分波組件，由該合分波組件對上述多波長的信號光進行合波或分波。
全文摘要
一種波導(dǎo)型衍射光柵元件，是在光波導(dǎo)中遍及光導(dǎo)波方向所定范圍內(nèi)形成折射率調(diào)制的衍射光柵，把沿此光波導(dǎo)導(dǎo)引的光中在反射波段內(nèi)的光經(jīng)衍射光柵有選擇地反射，設(shè)透射率在To以下的連續(xù)波段中最大帶寬的為第一波段，反射率為Ro的波長之中最大波長與最小波長之間的帶寬的為第二波段時，衍射光柵的折射率調(diào)制在以所定范圍的中心位置為中心時前后對稱，而To≤－20dB、Ro≤－20分貝，第一波段的寬度B
文檔編號G02B6/02GK1441918SQ01809816
公開日2003年9月10日 申請日期2001年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月20日
發(fā)明者塩崎學(xué), 井上享 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社