专利名称：分散补偿元件、光学晶体、分散补偿系统、分散补偿方法
技术领域：
本发明涉及对光脉冲传送时产生的波长分散进行补偿的分散补偿元件、分散补偿系统等。
背景技术：
近年来，数据通信正进入到经光纤的数据通信，随之，数据的传送速度也比现有技术得到飞速提高。
在不久的将来，要研究在经这种经光纤的数据通信中，使用超短光脉冲，以比当前的传送速度远远高速的160Gbit/s或其以上的传送速度来进行通信的情况。
但是，在进行数据通信的情况下，通常有串扰和传送错误的问题，若提高数据的传送速度，则自然而然地各个光脉冲的幅度和彼此前后的光脉冲的间隔变窄，所以该问题成为非常重要的问题。
光在物质中行进的速度由物质的折射率决定，折射率越大，光速度越慢。在玻璃、半导体、光学晶体等物质中，折射率因光的频率(空气中的波长)而变化，所以光速度依赖于波长。已知因该折射率的波长依赖性，成为光脉冲在物质中行进期间，光脉冲的波形失真、脉冲的时间宽度变宽的原因。这样，下面，将光速度因光的波长而不同的特性称作波长分散或仅称作分散。
如上所述，在光纤中行进期间，当前有光脉冲的波形失真、光脉冲的时间宽度变宽，但是由于在现有的传送速度下，光脉冲的时间宽度也大，所以不是特别大的问题。但是，若数据的传送速度提高，因前后的光脉冲彼此干涉等，就产生了串扰和传送错误。因此，在仅原样通过现有技术来提高传送速度的情况中，不能实现更高速度的数据通信。
对于这种问题，例如已经进行了使用光子晶体，来补偿波长分散的试验。
光子晶体中，具有周期性地排列折射率不同的两种物质的结构，通过使该排列的一部分有缺损形成缺损波导(连续欠缺部)，来仅通过特定频率的光，而产生对该光施加了特定的波长分散的波导模式。通过利用该波导模式，来补偿光纤传送路径的波长分散(例如，参照细见和彦、胜山俊夫“光子晶体结合缺损波导的光传送特性(2)”(フオトニツク結晶結合欠陷導波路の伝送搬特性(2))、“第63次应用物理学会学术报告会报告预稿第三分册”(第63回応用物理学会学術講演会講演予稿集第3册)、社团法人应用物理学会，平成14年(2002年)9月24日，第917页)。
除此之外，作为与光子晶体类似的构造，实施了将光纤衍射光栅作为分散补偿元件来使用的技术。是使用使衍射光栅的周期沿光纤的长向方向变化的啁啾(chirp)光纤折射光栅，来补偿宽光谱区域的波长分散的试验(例如，参照铃木明、若林信一、“短脉冲的分散补偿技术”(短パルスの分散補償技術)、“光电工程”(オプトロニクス)、株式会社光电工程，平成14年(2002年)、21卷、4号、第161-165页)。
另外，对于以物理化学用的超短脉冲激光器产生的光脉冲为对象的分散补偿，普及了使用了棱镜对和衍射光栅对的技术。这些主要补偿正的波长分散(例如，参照J-C Diels，W Rudolph、“UltrashortLaser Pulse Phenomena”、美国、Academic Press、1996年、第43-99页)。
但是，单纯使用了上述现有的波长分散补偿技术有不能充分对应于传送速度的进一步高速化的问题。
即，如前所述，波长分散由光脉冲的相位的波长(或称作频率、下面，仅称作波长)依赖性引起。通常，光波的相位作为以某个波长为中心，通过波长的次数(幂指数)的不同项而展开的多项式来表示。2次项的系数对应于最低次的波长分散，作为接着的次数项的系数，已知接着为3次、4次、5次(例如，参照小川宪介、“超短光脉冲测量”(超短光パルス测定)、“超高速光电子技术手册”(超高速光エレクトロニクス技術ハンドブツク)、サイペツク株式会社、平成15年(2003年)1月31日、第2章2.4)。
在现在的光脉冲的传送速度中，对2次项来补偿波长分散时是充分的，但是随着传送速度提高，用于数据发送的光脉冲的时间宽度更短，与此成反比，光脉冲的光谱宽度增加。因此，传送速度越高，经过越宽的光谱频带，若不补偿更高次为止的波长分散系数，则不能去除光脉冲的波形失真。
但是，在使用了光子晶体或光纤衍射光栅的现有的波长分散波长技术中，可以对2次、3次、4次等各个次数补偿波长分散，但是不能对多个次数补偿波长分散。因此，不能实现与使用宽光谱频带的超高速大容量光通信相对应的波长分散补偿。
但是，设计超高速大容量的光纤传送路径，使其自身光脉冲的传送特性最佳。即，构成为作为传送路径整体波长分散为零。
但是，例如在海底等铺设的光纤传送路径因温度、气压、振动等的影响，有光纤传送路径离开最佳化条件的情况。在这种状态下，光纤传送路径的波长分散在正负之间地连续变化。
与此相对，现有的技术中，在波长分散正负变化的情况下，与波长分散的绝对值相独立地改变波长分散补偿的符号是困难的。其意味着对应于使波长分散值在零附近在正负之间连续变化的状况是困难的。
另外，所谓“正”的波长分散，是指波长越长，光速度越增加，所谓“负”的波长分散，是指波长越长，光速度越减小。
发明内容
本发明基于这种技术问题而作出，目的是提供一种可以实现光脉冲的传送速度的高速化的分散补偿元件、分散补偿系统等。
根据该目的，本发明的分散补偿元件，对从外部入射的光脉冲的波长分散进行补偿，其特征在于包括波导，将光脉冲从入射端引导到出射端；分散改变单元，使波导中提供给光脉冲的波长分散的绝对值和符号可变。
这样，通过由分散改变单元来使提供给光脉冲的波长分散的绝对值和符号可变，在对该分散补偿元件入射的光脉冲的波长分散有改变的情况下也可进行对应于此的分散补偿。
作为分散改变单元也可采用任何结构，但是例如下面所示的最好。
首先，波导可以例如由光子晶体等光学元件形成。
光子晶体通过交替周期性排列介质常数不同的两种物质来形成，波导可以通过连续欠缺存在于一个物质中的另一个物质来形成。本发明中，最好沿该波导连续的方向配置存在于一个物质中的另一个物质的大小和间隔的组合不同的多个区域。另外，若可以制造，对每个区域，可以使一个物质和另一个物质的一个或两个不同。
多个区域中可以具有对光脉冲的波长分散的符号相互不同的正负区域。另外，多个区域中，可以使对光脉冲的波长分散的次数相互不同。基于此，可以对于正负或多次的波长分散进行分散补偿。另外，若具有对于光脉冲的波长分散的每个次数，波长分散的符号相互不同的区域，则可以在各个次数中对应于正负的改变。这种情况下，若分散补偿元件对到n次为止的波长分散进行补偿，则设置2(n-1)个所述区域。
这样设置的多个区域最好以彼此前后的区域的边界部的光脉冲的反射变成最小的排列来设置。
并且，由于对这多个区域的每一个使波导的折射率变化，所以通过具有用于从外部独立施加电、热、压力等能量的能量赋予部件，可以构成使提供给光脉冲的波长分散的绝对值和符号自由改变的分散改变单元。
通过由能量赋予部件来施加电压而使波导载流子密度改变，而可以使该波导的折射率改变。这时，最好具有端子部，载流子密度与波导不同。并且，将用于施加电压的能量赋予部件电连接到端子部。
另外，若具有上述这种多个区域，光子晶体的晶体元件可以由一体的晶体构成，也可以组合多个分体的晶体来构成。
本发明可以作为包括波导，将光脉冲从入射端引导到出射端和分散改变单元，载流子密度与波导不同，通过从外部施加电压而使波导的折射率变化，而使在该波导中施加给光脉冲的波长分散可变，而对从外部入射的光脉冲的波长分散进行补偿的分散补偿元件来得到。
这种分散补偿元件可以使用沿该波导连续方向配置了存在于一个物质中的另一个物质的大小和间隔组合不同的多个区域的光子晶体，但是也可使用存在于一个物质中的另一个物质的大小和间隔的组合单一的、仅有一个区域的光子晶体。
本发明可作为光子晶体等光子晶体单体来得到。即，本发明的光学晶体，其特征在于包括周期排列层，通过交替周期性排列介质常数不同的两种物质而形成；该周期排列层形成了在一个物质中周期性排列的另一个物质连续欠缺的连续欠缺部，而且，在连续欠缺部连接的方向中，形成了一个物质中的另一个物质的周期性排列特性不同的多个区域。
这里，周期排列特性有在一个物质中排列的另一个物质的大小和间隔等。
在这种周期性排列侧层中，最好在光脉冲通过连续欠缺部时，多个区域使施加给该光脉冲的波长分散的绝对值或符号相互不同。
另外，周期排列层上，通过将形成该周期排列层的一个物质和折射率不同的物质形成的其它层层叠，而可形成光学晶体。
但是，虽然连续欠缺部可以在周期排列层上按三维状形成，但是为了提高设计和制造的容易性，最好按二维状形成。因同样的原理，连续欠缺部最好从周期排列层的一端侧向另一端侧按直线状形成。
也可在周期排列层上形成载流子密度与连续欠缺部不同的不同密度区域。这时，最好不同密度区域与连续欠缺部相比较，载流子密度高。
在这种不同密度区域上连接向周期排列层施加电压用的电极。即，该不同密度区域作用为端子部。这时，为了抑制电阻，不同密度区域最好具有比多个区域大的面积。
本发明可作为经光脉冲传送路径来传播光脉冲的分散补偿系统得到。这时的分散补偿系统由在光脉冲传送路径上设置的光脉冲取出部取出经光脉冲传送路径而被传播的光脉冲，通过对经光脉冲传送路径而被传播的光脉冲，由分散补偿部提供波长分散来补偿波长分散。这时，在控制部上，根据由光脉冲取出部取出的光脉冲，控制由分散补偿部施加给光脉冲的波长分散的绝对值和符号。
分散补偿部可以为具有波导和能量赋予部的结构，上述波导具有对从光脉冲传送路径入射的光脉冲提供的波长分散相互不同的多个区域，上述能量赋予部对波导的每个区域，从外部独立赋予使该波导的折射率变化的能量。并且，控制部通过控制由能量赋予部赋予的能量的量，来控制由分散补偿部向光脉冲提供的波长分散的绝对值和符号。
另外，还可进一步具有数据存储部，其存储将由光脉冲取出部取出的光脉冲的特性和由能量赋予部赋予的能量的量关联了的数据。这时，控制部根据由光脉冲取出部取出的光脉冲，即，通过监视该光脉冲得到的补偿前的光脉冲的特性，来参照数据存储部，得到由能量赋予部赋予的能量的量的数据。并且，根据该能量的量的数据，来控制由分散补偿部向光脉冲施加的波长分散的绝对值和符号。
本发明可以作为分散补偿系统来得到，经光脉冲传送路径来传播光脉冲，其包括光脉冲取出部，设置在光脉冲传送路径上，取出经该光脉冲传送路径而被传播的光脉冲；分散补偿部，设置在光脉冲传送路径上，对经该光脉冲传送路径而被传播的光脉冲，提供波长分散；电压控制部，为了通过根据由光脉冲取出部取出的光脉冲，使分散补偿部的载流子密度改变，来使该分散补偿部的折射率变化，而控制向该分散补偿部施加的电压。
另外，本发明作为分散补偿方法得到，其特征在于包括以下步骤取出经该光脉冲传送路径而被传播的光脉冲；根据取出的光脉冲，决定提供给经光脉冲传送路径传送的光脉冲的波长分散的绝对值和符号；根据所决定的波长分散的绝对值和符号，来改变施加给经光脉冲传送路径而被传播的光脉冲的波长分散。
图1是表示本实施方式的分散补偿元件的结构的斜视图。
图2(a)是表示分散补偿元件的截面图，(b)是(a)的平面图。
图3是芯层的斜视图。
图4是频率-波数特性曲线，是表示(I)、(II)区域中的波导模式不同的图。
图5是表示标准化波数和标准化频率的关系的图，(a)是表示波导模式的分支在波数零上最邻近的情况的图，(b)是表示在布里渊区域(Brillouin zone)边界中最邻近的情况的图。
图6是表示进行多次的分散补偿情况下的分散补偿元件的结构的图，(a)是芯层的平面图，(b)是表示各区域的波导模式不同的图。
图7是表示进行多次的分散补偿情况下的补偿原理的图。
图8是表示分散补偿系统的示意结构的图。
图9是表示通过使缺损波导的载流子密度改变而使折射率可变的分散补偿元件的例子的截面图。
图10是表示具有图9所示的截面结构的分散补偿元件的例子的平面图。
图11是表示具有图9所示的截面结构的分散补偿元件的另一例的平面图。
图12是表示具有图9所示的截面结构的分散补偿元件的又一例的斜视图。
图13是表示分散补偿元件的又一例的图。
具体实施例下面，根据附图所示的实施方式来详细说明本发明。
图1是说明构成本实施方式的分散补偿系统的分散补偿元件的示意结构用的图。
如该图1、图2所示，分散补偿元件(分散补偿部)10X包括光子晶体部20、在光子晶体部20的一面侧设置的电极(分散改变单元，能量赋予部件)30。
光子晶体部20在基板21上层叠了包覆层(其它层)22和芯层(周期排列层)23，基板21例如由硅(Si)形成，包覆层22由硅氧化膜(SiO2)或氮化硅膜形成、芯层23由作为电介质层的硅晶体(Si)形成。
这里，为了具有导电性，而在基板21中添加了杂质。
另外，如图3所示，芯层23周期性形成孔24。由此，芯层23形成为通过芯层23的母材(例如Si)和充满在孔24的部分中的物质(一般是空气等气体、也可以填充其他物质)，交替周期性地排列介质常数(折射率)不同的两种物质。
另外，图3中，孔24不仅形成到芯层23，还形成到包覆层22，但是其因制造上的原因而构成，也可至少仅形成在芯层23上。
在芯层23上形成的孔24具有预定的半径(大小)r，按以正三角形为单元胞的三角晶格状排列，各单元胞的孔24彼此相隔预定的间隔(正三角形的一个边长)a。
并且，该芯层23具有上述孔24的半径r和间隔a不同地设定的区域(I)、(II)。
在这种芯层23上，通过使孔24缺损(不形成孔24)，使其在贯通区域(I)、(II)的方向中按直线状连续，而形成所谓的缺损波导(波导、连续欠缺部)25。
在这种结构的光子晶体部20中，通过在磁性层23的上下面存在折射率不同的不同物质(下面侧是包覆层22、上面侧是空气)，使得从缺损波导25的一端侧的入射端入射的光在芯层23的上下面反射，同时进行传播，而从缺损波导25的另一端侧的出射端射出。光在缺陷波导25上传播时，在芯层23的区域(I)中传播期间，接受与该区域(I)的孔24的半径r和间隔a相对应的波长分散，接着，在区域(II)进行传播时，接受与该区域(II)的孔24的半径r和间隔a相对应的波长分散。即，从该芯层23的缺损波导25中出射的光接受合成了区域(I)和(II)的波长分散。
然后，如图1和图2所示，在光子晶体部20的一面侧，具体的不是基板21侧，而是与芯层23相对一侧设置电极30。该电极用于从外部施加使芯层23的折射率变化的能量。本实施方式中，作为电极30，对应于所述区域(I)和(II)独立地设置电极30A、30B。
并且，在电极30A、30B上，外部连接电源(图中未示)和控制电源的电压施加量的控制器(图中未示)，由此，构成了分散改变单元。
若向电极30A、30B和具有导电性的基板21之间施加电压(偏压)，则对应于所施加的电压，芯层23的区域(I)和(II)的折射率变化。利用此，通过用控制器分别控制从电源施加给区域(I)的电极30A和区域(II)的电极30B的电压，使在区域(I)、(II)中提供的波长分散独立改变，由此，进行最佳的分散补偿。
这里，具体表示如上所述的分散补偿元件10X的最佳例子。
如前所述，光子晶体部20的基板21为了具有导电性，由包含杂质的硅(Si)形成，包覆层22由硅氧化膜(SiO2)或氮化硅形成，芯层23由作为电介质的硅晶体(Si)形成。并且，包覆层22和芯层23的厚度分别为1000nm和220nm。该包覆层22和芯层23的厚度处于缺损波导25的横模为单一的条件(对于横向电(transverseelectric TE)偏振为23nm以上且240nm以下)。
若将空气、芯层23、包覆层22的折射率分别表示为nair、ncore、nclad，则nair＝1.00、ncore＝3.50、nclad＝1.45。
这种光子晶体部20通过在形成芯层23的材料上涂敷抗蚀剂，通过光刻等方法在抗蚀剂上形成预定的孔24的图形。并且，通过干蚀在形成芯层23的材料上，形成用于形成缺损波导25的孔24的图形。这里，孔24的部分为空气。
孔24的排列为以正三角形为单元胞的三角晶格，使得在区域(I)和(II)中周期不同。在区域(I)中，设为a＝493nm，在区域(II)中，设为a＝473nm。各个区域还设定了半径r，使得r/a＝0.4。另外，在区域(I)和(II)的边界，相邻的孔24之间的间隔d(参照图1)比三角晶格的周期大的值，即比473nm短。传输光的缺损波导25为以线P1-P2为中心，沿着线构成的直线状，该缺损波导25通过填补了(欠缺了)区域(I)的一个孔24来形成。区域(II)的缺损波导25的宽度取与区域(I)相等的值。区域(I)、(II)各自的缺损波导25的长度为100μm，分散补偿元件10X上的缺损波导25的全长为200μm。
接着，图4所示的是说明分散补偿元件10X的分散补偿的原理用的图。
光子晶体部20的区域(I)和(II)分别具有带有图4所示的光波传输特征的频带(band)特性。在缺损波导25中，曲率符号不同的分支1和2的波导模式在光子间隙中形成。
图4的图表的纵轴和横轴是用1/a标准化后的光的频率和波数。波导模式处于横向电(transverse electric TE)偏振状态。在缺损波导25中，光成为分支1或分支2的模式地进行传输。
在入射的光脉冲的中心频率为特定频率时，相互不同地设定区域(I)、(II)的孔24的半径r和间隔a，使得在缺损波导25的区域(I)上产生上侧的分支2的模式，在区域(II)中产生下侧的分支1的模式。
但是，有如下两种情况，即，如图5(a)所示，波导模式的分支1和2在波数零时最邻近的情况，以及如图5(b)所示，在布里渊区域边界最邻近的情况，任何一种情况都可适用，但是本实施方式中，以具有图5(a)的特性的光子晶体为对象。
在调查光在物质中传输时的情况时，频率-波数的关系很重要。通过该关系，可求出光在物质中传输时的速度。该速度是指光脉冲的重心移动的速度，称作群速度。将群速度作为频率-波数特性曲线的斜率(微分系数)来提供。在真空和空气中，频率-波数特性是直线，群速度一定，与频率无关，但是在玻璃、半导体、金属等物质中，频率-波数不为直线，群速度因频率而变化。因此，在从空气中入射的光透过物质的情况下，根据从空气中入射的光的频率(换而言之也可为波长)，群速度发生变化。由于光脉冲不仅包含单一波长，还包含各种的波长成份，所以若群速度依赖于波长，则随着在物质中传输，光脉冲的宽度扩展，波形失真。在群速度依赖于波长(或频率)时，将该依赖性称作波长分散。另外，将群速度因波长(或频率)而变化的比例称作群速度分散。群速度分散等于频率-波数特性曲线的二重微分。
在图4所示的表示频率-波数关系的曲线中，在分支1和2中，群速度分散的符号彼此相反。因此，通过调整施加给区域(I)和(II)的偏压而使曲线改变，由此，作为包含了区域(I)和(II)的缺损波导25整体，可以产生正、零或负的群速度分散。并且，在以某个光纤传送路径为对象时，通过使偏压(I)和(II)变化，使得产生与该光纤传送路径具有的群速度分散符号相反，且绝对值相等的量的群速度分散，从而去除了作为对象的光纤传送路径的波长分散。
图6是相对图1所示的分散补偿元件10实现正负的分散补偿的结构，实现对于多次项的分散补偿的结构。
这里，分散补偿元件(分散补偿部)10Y基本上与图1所示的分散补偿元件10X相同，所以对于公共的结构施加同一符号而省略其说明，但是光子晶体部20在基板21上层叠了包覆层22和芯层23。
在该光子晶体部20的芯层23上进行设置，使得周期性形成的孔24的半径r和间隔a对每个区域不同。
与多次的分散补偿对应的分散补偿元件10Y若实现到n次为止的项的分散补偿，则具有2(n-1)个区域。
如图6所示，例如，若进行到3次为止的项的分散补偿，n＝3，将区域设定了2(n-1)＝2(3-1)＝4个。在这4个区域(I)、(II)、(III)、(IV)中，分别设定孔24的半径r和间隔a，使其提供2次的项的正负、3次的项的正负、总共4个的波长分散。
图7用于说明这种进行到3次为止的项的分散补偿的情况。
如该图7所示，为在区域(IV)提供了2次项的正、区域(I)提供了2次项的负、区域(III)提供了3次项的正、区域(II)提供了3次项的负的波长分散的情况下，由区域(IV)中，k＝-c2υ2区域(I)中，k＝c’2υ2区域(III)中，k＝-c”2υ2-c3υ3区域(II)中，k＝c2υ2+c’3υ3的式子表示的曲线。其中，各式中，用υ的幂乘来近似表示中心频率附近的频率-波数特征曲线。
这里，k波数、c正的数，υ以中心频率为源点表示的频率。
并且，在总计区域(I)～(IV)的k＝(c’2-c2+c2-c”2)υ2+(c’3-c3)υ3的式子中，2次项的系数(c’2-c2+c2-c”2)提供了分散补偿元件10Y的2次的分散补偿值，三次项的系数(c’3-c3)提供了分散补偿元件10Y的3次的分散补偿值。
但是，在上述这种分散补偿元件10Y中，为例如具有4个区域(I)～(II)的结构，但是在这样具有三个以上的区域的情况下，最好如图6(b)所示，在彼此相邻的区域间的边界部中，为使由折射率不同而产生的反射造成的光衰减为最小的排列。具体的，最好以间隔a的大小的顺序来排列区域(I)～(IV)。
接着，图8表示使用了上述这种分散补偿元件10X或10Y构成的分散补偿系统50的结构。
分散补偿系统50包含于光纤传送路径100上。
光纤传送路径100例如在海底等经过长距离地铺设，使得经过光纤传送路径100传送从发送服务器等入射部101侧入射的光脉冲序列，而从接收服务器等出射部102侧射出。
分散补偿系统50包含于出射部102的附近，具有耦合器(脉冲取出部)51、监视装置52、控制装置(控制部、电压控制部)53和分散补偿元件10X或10Y(下面，仅简称为10X)。
耦合器51从光纤传送路径100中取出光脉冲。
监视装置52经可忽略波长分散的影响的尽可能短的光纤54接收由耦合器51取出来的光脉冲，监视该光脉冲。具体的，监视(测量)从光纤传送路径100中取出的光脉冲的时间一光谱面上的波长，将作为波形控制的对象的光脉冲具有的波长分散分解为每次的系数求出，并将其作为波长分散信息输出。另外，对于该监视装置52，可使用在Kogawa、“Real-time intuitive spectrogrammeasurement of ultrashort optical pulses using two-photonabsorption in semiconductor”、“online”平成14年(2002年)3月11日，Optics Express、Vol.10，No.5，p.262-267，OpticalSociety of America“平成15年(2003年1月14日)检索”、互联网<URLhttp//www.opticsexpress.org/abstract.cfm？URL＝OPEX-10-5-262>上记载的结构，这里不特别进行详细说明。
控制装置53经短的光纤55接收从监视装置52输出的波长分散信息。该控制装置53具有数据库(数据存储部)56，在该数据库56中存储了对应于波长分散的符号和绝对值的分散补偿元件10X的电极30A、30B上的电压施加量数据。
控制装置53中，若接收了从监视装置52输出的波长分散信息，则通过参照数据库56，得到分散补偿元件10X产生与从监视装置52接收的波长分散信息(波长分散的系数)绝对值相等且符号相反的波长分散用的电极30A、30B上的电压施加量的数据。并且，将所得到的电压施加量的数据向分散补偿元件10X输出。
设置分散补偿元件10X，使得其缺损波导25插在光纤从传送路径100上，从缺损波导25的一端侧的入射端入射在光纤传送路径100上传送来的光脉冲，并从另一端侧的出射端出射到光纤传送路径100上。
并且，将向分散补偿元件10X的电极30A、30B施加电压用的电源(图中未示)和控制电源上的电压施加量的控制器(图中未示)连接到分散补偿元件10X上。
所述的从控制装置53输出的电压施加量的数据经光纤57，传送到分散补偿元件10X的控制器(图中未示)上。在控制器中，根据所接收的电压施加量的数据，从电源向电极30A、30B施加预定的电压，从而使区域(I)、(II)各自的折射率变化。
这样，在分散补偿系统50中，为在监视装置52中监视从光纤传送路径100中取出的光脉冲，并根据其波长分散信息，由控制装置53来控制由分散补偿元件10X所施加的电压施加量的结构。由此，在光纤传送路径100中，即使产生因温度、气象等造成的条件改变，通常也可进行最佳的分散补偿。
并且，在分散补偿元件10X中，由于为通过与波长分散的绝对值相独立地变化波长分散补偿的符号，来进行正负的分散补偿的结构，所以，即使在光纤传送路径100中的波长分散在正负之间连续变化的情况下，也可进行分散补偿。
另外，上述观点不仅在使用了分散补偿元件10X的情况下适用，在使用了分散补偿元件10Y的情况下同样也可适用，若采用分散补偿元件10Y，不仅正负，还可进行多次的分散补偿。
结果，通过使用分散补偿元件10X、10Y和使用了该补偿元件的分散补偿系统50，可以实现对应于使用宽光谱频带的超高速大容量光通信的波长分散补偿，可以充分实现传送速度的进一步高速化。
尤其，由于分散补偿元件10X、10Y仅按在每个区域上使孔24的半径r和间隔a不同，所以可以不使结构特别复杂地以较低成本实现上述效果。
另外，在控制装置53中也为通过参照预先在数据库56中存储的信息，来控制在电极30A、30B上施加的电压量的结构，这时不需要进行复杂的处理等，所以控制装置53本身也可以低成本制造。
然后，上述分散补偿元件10X或10Y虽然为通过使用电极30施加偏压而使光子晶体部20的折射率变化的结构，但是通过向芯层23注入作为杂质的载流子(电子或空穴(hole))来施加偏压，也可以使光子晶体部20的吸收光谱(折射率的虚部)变化。
图9是这种分散补偿元件10Z的例子。
如该图9所示，分散补偿元件10Z作为整体，具有在基板21上层叠了包覆层22、芯层23，进一步，在芯层23上层叠了包覆层60的结构。基板21例如由硅(Si)形成，包覆层22、60由硅氧化膜(SiO2)或氮化硅膜形成、芯层23由作为电介质层的硅晶体(Si)形成。另外，基板21具有例如500μm左右的厚度，包覆层22和60例如具有200nm～1μm，作为具体例，为300nm的厚度，芯层23具有250nm左右的厚度。
分散补偿元件10Z形成为在相对缺损波导25连续的方向垂直的截面、即，图9所示的截面中，基板21、包覆层22、芯层23、包覆层60比形成了孔24的区域(下面，将其称作光子晶体区域)R1还向侧面延长。即，存在以缺损导波路进25为中心，在其两侧形成了孔24的光子晶体区域R1，进一步，在其外侧形成没有形成孔24的扩展区域R2。
在上下通过包覆层22和60夹着的芯层23上，在扩展区域R2上，将相对中央部的缺损波导25载流子密度不同的区域(不同密度区域)作为端子部70形成。
并且，在这种分散补偿元件10Z中，电连接向该端子部70施加电压用的电极(分散改变单元、能量赋予部件)80，在基板21的底面侧电连接供给基准电位用的基准电极81。
端子部70通过掺杂或不掺杂包含于芯层23中的杂质(电子或空穴)，而使载流子密度相对缺损波导25不同。若在该端子部70上电连接电极80，来施加偏压，则因缺损波导25的部分和端子部70的部分的载流子密度的差，电子或空穴移动，由此，缺损波导25的部分的载流子密度变化，吸收光谱变化。例如，在作为杂质使用了p型元素的情况下，若施加+(正)的偏压，则空穴从两侧的端子部70集中到中央部的缺损波导25上，缺损波导25的载流子密度升高，若施加-(负)的偏压，则空穴从缺损波导25向两侧的端子部70移动，缺损波导25的载流子密度降低。
这里，也可相对缺损波导25的部分，端子部70的载流子密度低，但是最好相对缺损波导25的部分，端子部70的载流子密度高，即，通过离子注入杂质等来掺杂。这是因为若相对缺损波导25的部分，端子部70的载流子密度提高，则在连接了电极80的端子部70中，电阻变小，且缺损波导25部分的电阻变大，电场容易集中。
作为这种杂质，有在半导体中使用的p型元素的B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)、Tl(铊)、n型元素的N(氮)、P(磷)、As(砷)、Sb(锑)、Bi(铋)等。其中，p型元素中，由于容易进行掺杂，所以B(硼)尤其适合。
在作为掺杂的杂质，使用了p型元素的B(硼)的情况下，例如，若设缺损波导25的载流子密度(杂质元素的数目)为1017个/cm3，则端子部70的载流子密度最好为5×1018～5×1019个/cm3，例如，为1×1019个/cm3。
这时，最好基板21载流子密度与缺损波导25相同。这是因为若基板21和缺损波导25中，载流子密度不同，则其之间产生了电荷分布，设计等变得复杂。
另外，由于在基准电极81与基板21相连的面21a上电阻减小，所以最好通过掺杂杂质，使例如与端子部70相同的载流子密度。
图10是具有图9所示的截面结构的分散补偿元件10Z的一例。
如该图10所示，分散补偿元件10Z1装载在装配台90上，形成为相对光子晶体区域R1的面积，在其两侧的扩展区域R2上形成的端子部70的面积相对较大，在平面视图的状态具有大致H字状。这是因为通过使端子部70的面积尽可能大，来减小其电阻。
另外，该分散补偿元件10Z1与图1所示的分散补偿元件10X相同，具有孔24的半径r和间隔a不同而设定的区域(I)、(II)。并且，由于独立于各个区域(I)、(II)施加偏压，所以分散补偿元件10Z1分别在区域(I)、(II)的两侧设置端子部70和电极80，经引线85，将在装载台90上设置的外部电极86分别电连接到总共4个的电极80上。
并且，配置球头型的光纤F，使其与光子晶体区域R1的缺损波导25的两端相对，由此，将光脉冲导入到缺损波导25上，受到了分散补偿后导出。
图11是具有图9所示的截面结构的分散补偿元件10Z的另一例。
如该图11所示，分散补偿元件10Z2为相对光子晶体区域R1，向其两侧变宽的扩展区域R2上设置的端子部70和电极80为梯形状(或扇形)。由此，尽可能缩短了到与端子部70和电极80相比面积较小的光子晶体区域R1的距离，同时，可以大大确保端子部70和电极80的面积。其对减小端子部70的电阻是有效的。
图12是具有图9所示的截面结构的分散补偿元件10Z的又一例。
如该图12所示，分散补偿元件10Z3形成为仅其表面与图10所示的分散补偿元件10Z1相同为大致H字状，相对光子晶体区域R1，向其两端变宽的端子部70和电极80的面积变大。并且，基板21仅上部在平面视图中为大致H字状，比其下的部分在平面视图中为大致矩形状。
这种分散补偿元件10Z3通过在基板21上层叠包覆层22、芯层23、包覆层60而形成了平面视图中的矩形状的块后，通过蚀刻等去除光子晶体区域R1的缺损波导25的两端侧而形成阶梯部91来得到。这时，在光子晶体区域R1的缺损波导25的两端形成突出部92，在该突出部92上，使光纤F相对。因此，台阶部91的深度最好根据光纤F的外径来设定。
但是，虽然图10～图12所示的分散补偿元件10Z1～1023具有孔24的半径r、间隔a不同地设置的两个区域(I)、(II)的结构，但是，其也可与图6所示的分散补偿元件10Y等相同，例如，具有4个等不少于3个的区域。这时，根据区域的数目，来设置端子部70。
在这种分散补偿元件10Z中，也可构成图8所示的分散补偿系统50。
这时，控制装置53在数据库56中存储了对应于波长分散的符号和绝对值的、电极80对于分散补偿元件10Z的电压施加量数据。并且，在控制装置53中，通过参照数据库56，得到对应于从监视装置52接收的波长分散信息的、电极80上的电压施加量的数据，并将其向分散补偿元件10Z输出。
从控制装置53输出的电压施加量数据经光纤57，传送到分散补偿元件10Z的控制器中(图中未示)。控制器根据所接收到的电压施加量的数据，从电源产生预定的电压，并将其经电极80施加到端子部70中，从而使缺损波导25的区域(I)、(II)各自的折射率。
这样，分散补偿元件10Z的情况下也通过分散补偿系统50，即使在光纤传送路径100中产生由温度、气象等造成的条件改变，通常也可进行最佳的分散补偿。结果，可以实现对应于使用宽光谱频带的超高速大容量光通信的波长分散补偿，可以充分实现传送速度的进一步高速化。
另外，在上述实施方式中，为在分散补偿元件10X、10Y、10Z中，通过使用电极30来施加偏压而使光子晶体部20的折射率变化的结构，但是也可将除此之外的手段作为分散补偿手段来使用。
例如，在各区域上设置加热器，向加热器流过电流而使芯层23的温度升高。可以通过折射率的温度依赖性，使光子晶体波导的波长分散，而用于波长分散补偿。
进一步，通过压电元件从光子晶体部20的两面施加压力，而施加翘曲，而可使折射率变化。
另外，光子晶体部20如图13(a)所示，为在基板21上仅具有包覆层22、芯层23，芯层23的一面侧接触空气的结构，但是也可代替此，如图13(b)所示，在芯层23的上面侧进一步设置包覆层(其他层)26。这时，包覆层26上，与包覆层22相同，可以使用SiO2。作为最好的方式的包覆层22的厚度是500nm。其他部分的厚度与上述相同。
另外，为在芯层23上形成直线状的缺损波导25的结构，但是并不限于直线状，也可以是折曲或弯曲的形状。进一步，在上述实施方式中，缺损波导25为按二维状形成的结构，但是也可以是按三维状形成的结构。
除此之外，若具有与上述相同的对光的分散功能，则使用光子晶体之外的光学素材、光学元件也没有任何问题。
除此之外，分散补偿系统50中，为由监视装置52、控制装置53监视光脉冲来控制分散补偿的结构，但是若是光纤传送路径100中的光脉冲传播条件并不怎么改变的使用环境，则也可省略耦合器51、监视装置52、控制装置53，而为通常进行一定的分散补偿的结构。
另外，在入射部101、出射部102中所用的服务器和各终端装置通常对光纤传送路径100进行信号的发送和接收两者。上述分散补偿系统50最好在信号的接收之前进行分散补偿，所以实际上，最好在光纤传送路径100的两端部具有分散补偿系统50。
除此之外，分散补偿系统也可以是监视装置52、控制装置53、分散补偿元件10X、10Y或10Z为一体的装置，也可分别是不同的单元。
除此之外，只要不脱离本发明的精神，通过取舍选择上述实施方式中所举例的结构等，可以适当改变为其他结构。
产业上的可用性根据本发明，通过设置多个区域，可以进行例如，正负的分散补偿和多次的分散补偿。另外，通过使各个区域的波长分散改变，也可以使波长分散补偿的绝对值和符号可变。
另外，通过施加电压，使波导的载流子密度改变，而使波导的折射率变化，也可以进行分散补偿。
并且，监视从光纤传送路径中取出的光脉冲，根据其波长分散信息，控制波长分散，从而即使在光纤传送路径中产生温度、气象等造成的条件改变，通常也可进行最佳的分散补偿。
结果，可以实现对应于使用宽光谱频带的超高速大容量光通信的波长分散补偿，可以充分实现传送速度的进一步高速化。
权利要求
1.一种分散补偿元件，对从外部入射的光脉冲的波长分散进行补偿，其特征在于，包括波导，将所述光脉冲从入射端引导到出射端；分散改变单元，使所述波导中提供给所述光脉冲的波长分散的绝对值和符号可变。
2.根据权利要求1所述的分散补偿元件，其特征在于在所述波导连续的方向中交替周期性地排列介质常数不同的两种物质而形成、且一种所述物质中存在的另一种所述物质的大小和间隔的组合不同的多个区域，沿所述波导连续的方向配置。
3.根据权利要求2所述的分散补偿元件，其特征在于多个所述区域对所述光脉冲的波长分散的符号相互不同。
4.根据权利要求2所述的分散补偿元件，其特征在于多个所述区域对所述光脉冲的波长分散的次数相互不同。
5.根据权利要求4所述的分散补偿元件，其特征在于所述分散补偿元件对到n次为止的波长分散进行补偿，设置了2(n-1)个所述区域。
6.根据权利要求2所述的分散补偿元件，其特征在于多个所述区域以彼此前后的所述区域的边界部的、所述光脉冲的反射变成最小的排列来设置。
7.根据权利要求2所述的分散补偿元件，其特征在于作为所述分散改变单元包括能量赋予部件，用于对所述波导的每个所述区域，从外部独立赋予使该波导的折射率改变的能量。
8.根据权利要求7所述的分散补偿元件，其特征在于所述能量赋予部件通过施加电压而使所述波导的载流子密度改变，从而使该波导的折射率改变。
9.根据权利要求8所述的分散补偿元件，其特征在于还具有载流子密度与所述波导不同的端子部；用于施加电压的所述能量赋予部件电被连接到所述端子部。
10.一种分散补偿元件，对从外部入射的光脉冲的波长分散进行补偿，其特征在于，包括波导，将所述光脉冲从入射端引导到出射端；分散改变单元，载流子密度与所述波导不同，通过从外部施加电压而使所述波导的折射率变化，而使得在该波导中提供给所述光脉冲的波长分散可变。
11.一种光学晶体，其特征在于包括周期排列层，通过交替周期性排列介质常数不同的两种物质而形成；所述周期排列层形成了在一种所述物质中周期性排列的另一种所述物质连续欠缺的连续欠缺部，而且，在所述连续欠缺部连续的方向中，形成一种所述物质中的另一种所述物质的周期性排列特性不同的多个区域。
12.根据权利要求11所述的光学晶体，其特征在于所述周期性排列层上，在光脉冲通过所述连续欠缺部时，多个所述区域使施加给该光脉冲的波长分散的绝对值或符号相互不同。
13.根据权利要求11所述的光学晶体，其特征在于所述周期排列层上，层叠了由折射率与形成该周期排列层的所述一个物质不同的物质形成的其它层。
14.根据权利要求11所述的光学晶体，其特征在于在所述周期排列层上，按二维状形成所述连续欠缺部。
15.根据权利要求11所述的光学晶体，其特征在于所述连续欠缺部从所述周期排列层的一端侧向另一端侧按直线状形成。
16.根据权利要求11所述的光学晶体，其特征在于所述周期排列层形成了载流子密度与所述连续欠缺部不同的不同密度区域。
17.根据权利要求16所述的光学晶体，其特征在于所述不同密度区域的载流子密度比所述连续欠缺部高。
18.根据权利要求16所述的光学晶体，其特征在于所述不同密度区域具有比所述多个区域大的面积。
19.一种分散补偿系统，经光脉冲传送路径来传播光脉冲；其特征在于，包括光脉冲取出部，设置在所述光脉冲传送路径上，取出经该光脉冲传送路径而被传播的所述光脉冲；分散补偿部，设置在所述光脉冲传送路径上，对于经该光脉冲传送路径而被传播的光脉冲，施加波长分散；控制部，根据由所述光脉冲取出部取出的所述光脉冲，控制由所述分散补偿部施加给所述光脉冲的波长分散的绝对值和符号。
20.根据权利要求19所述的分散补偿系统，其特征在于所述分散补偿部具有波导，具有对从所述光脉冲传送路径入射的所述光脉冲提供的波长分散相互不同的多个区域；能量赋予部，对所述波导的每个所述区域，从外部独立赋予使该波导的折射率变化的能量；所述控制部通过控制由所述能量赋予部赋予的能量的量，来控制由所述分散补偿部向所述光脉冲提供的波长分散的绝对值和符号。
21.根据权利要求20所述的分散补偿系统，其特征在于还具有数据存储部，存储将由所述光脉冲取出部取出的所述光脉冲的特性和由所述能量赋予部赋予的能量的量相关联的数据；所述控制部根据由所述光脉冲取出部取出的所述光脉冲，通过参照所述数据存储部而得到的所述能量的量的数据，来控制由所述分散补偿部向所述光脉冲施加的波长分散的绝对值和符号。
22.一种分散补偿系统，经光脉冲传送路径来传播光脉冲，其特征在于，包括光脉冲取出部，设置在所述光脉冲传送路径上，取出经该光脉冲传送路径而被传播的所述光脉冲；分散补偿部，设置在所述光脉冲传送路径上，对经该光脉冲传送路径而被传播的光脉冲，提供波长分散；电压控制部，为了通过根据由所述光脉冲取出部取出的所述光脉冲，使所述分散补偿部的载流子密度改变，来使该分散补偿部的折射率变化，而控制向该分散补偿部施加的电压。
23.一种分散补偿方法，其特征在于，包括以下步骤取出经该光脉冲传送路径而被传播的光脉冲；根据取出的所述光脉冲，决定向经所述光脉冲传送路径而被传播的光脉冲提供的波长分散的绝对值和符号；根据所决定的所述波长分散的绝对值和符号，来改变向经所述光脉冲传送路径而被传播的光脉冲提供的波长分散。
全文摘要
在分散补偿元件(10X)中，设定孔(24)的半径和间隔相互不同的多个区域(I)、(II)，在各个区域(I)、(II)中，通过控制由电极(30A、30B)施加的电压，而可使波长分散补偿的符号和绝对值可变。在使用这种分散补偿元件(10X)而构成的分散补偿系统中，监视从光纤传送路径中取出的光脉冲，并根据该波长分散信息，控制由分散补偿元件(10X)施加的电压施加量，而进行在光纤传送路径中传送的光脉冲的分散补偿。另外，通过施加电压，而使波导的载流子密度可变，来使波导的折射率变化，从而可进行分散补偿。
文档编号G02F1/03GK1717612SQ200480001470
公开日2006年1月4日 申请日期2004年1月14日 优先权日2003年1月15日
发明者小川宪介, 藤井充 申请人:株式会社物产纳米技术研究所