JP2002099012A

JP2002099012A - 光制御素子

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Publication number: JP2002099012A
Application number: JP2000286601A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shibata; 泰夫柴田; Yasuhiro Suzuki; 安弘鈴木; Yoshihisa Sakai; 義久界; Yasumasa Suzaki; 泰正須崎; Akira Okada; 顕岡田; Kazuto Noguchi; 一人野口; Rieko Satou; 里江子佐藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2002-04-05
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: JP3546406B2

Abstract

(57)【要約】【課題】波長フィルタが不要であり、かつ、同一波長
変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を
提供することにある。【解決手段】任意波長の第１の入力信号光強度に応じ
て前記入力信号光の波長と同一または異なる波長を有す
る第２の入力光が変調される光制御素子において、第１
の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに
分配する構造４０３と、該複数のポートにそれぞれ接続
された、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化す
る媒質４０１，４０２、および該媒質からの出力を合流
するための構造４０４、および第２の入力光を分岐、遅
延させる構造４１３とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光制御素子に関す
る。即ち、波長多重光ネットワークにおいて、任意波長
の入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一
又は異なる別波長の光を変調する光制御技術に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数の異なる波長の光信号を伝送
する光伝送システムとして、前記複数の異なる波長の光
信号を１本の光ファイバに結合して伝送する、波長多重
を利用した光伝送システム（ＷＤＭシステム）がある。
さらに、前記ＷＤＭシステムは、１対１の伝送のみなら
ず、ネットワーク化が急速に進みつつある。

【０００３】このようなＷＤＭシステムにおいて、光フ
ァイバを伝送する光信号の波長を同一又は異なる波長へ
と変換する、いわゆる波長変換を行う光制御素子が重要
となってくる。従来の波長変換回路の例１を図５に示
す。この波長変換回路は、半導体光増幅器（Semiconduc
tor Optical Amplifier,ＳＯＡ）１０５，１０６、マル
チモード干渉（Multi-mode-interface, ＭＭＩ）カプラ
１０１，１０２，１０３，１０４及びこれらを結ぶ光導
波路からなる対称マッハツェンダ光回路から構成されて
いる。

【０００４】波長変換の動作を説明する。波長λ_jの連
続光（ＣＷ光）１０８が、マルチモード干渉カプラ１０
１に入射し、二つの光導波路中へと分けられる。二つに
分かれた連続光は、それぞれ半導体光増幅器１０５，１
０６を通過し、マルチモード干渉カプラ１０２，１０３
を経由して、マルチモード干渉カプラ１０４で合波され
ポート１１０へ出射される。波長変換回路が、上記の状
態であるときに、波長λ_iの光信号１０７が、マルチモ
ード干渉カプラ１０２に入射され、半導体光増幅器１０
５に入射する。

【０００５】このとき、光信号１０７により、半導体光
増幅器１０５内の屈折率が変わる。これにともない、マ
ルチモード干渉カプラ１０１，１０２，１０３，１０４
からなる対称マッハツェンダ光回路の干渉条件が変わ
り、信号光１０７が１のときだけ、波長λ_jの光がポー
ト１０９へ出射される。即ち、波長λ_jの光信号が、波
長λ_jの光へ移され、ポート１０９へと出射される。こ
の方法では、入力信号光の伝送速度は、半導体光増幅器
１０５，１０６のキャリア変化の回復時間の速度に制限
され、２０Ｇｂｐｓ程度の速度の光信号の波長変換しか
できなかった。

【０００６】そこで、図６に示すような、波長変換回路
が導入された。この波長変換回路は、半導体光増幅器２
０１とループ型干渉回路２０９、マルチモード干渉カプ
ラ２０２，２０３から構成される。動作原理を説明す
る。マルチモード干渉カプラ２０３に波長λ_jの連続光
２０５がポート２１１に入射され、マルチモード干渉カ
プラ２０３で二つに分かれ、ループ型干渉回路２０９へ
と導かれる。ループ型干渉回路２０９では、右回りの光
２０７と左回りの光２０６に別れてループを一周し、再
びマルチモード干渉カプラ２０３で合波されポート２１
１に出射される。

【０００７】この状態で、波長λ_iの信号光２０４をマ
ルチモード干渉カプラ２０２に入射させる。入射された
信号光２０４は、半導体光増幅器２０１を通過する。こ
のとき、半導体光増幅器２０１内の屈折率が変化する。
ループ内を導波している波長λ_jの光は、屈折率変化の
影響を受け、図７（ａ）のように位相変化をおこす。右
回りの光２０７は、急峻に位相変化を起こし、その後、
半導体光増幅器２０１のキャリア変化の回復時間の速度
に応じた時間で元の位相に戻り、マルチモード干渉カプ
ラ２０３に入射する。左回りの光２０６も同様の位相変
化を受けるが、右回りの光２０７に比べて、ループ型干
渉回路２０９を伝播する距離が長いため、Δτだけ時間
が遅れてマルチモード干渉カプラ２０３へ入射する。

【０００８】マルチモード干渉カプラ２０３中では、右
回り光２０７、左回りの光２０６の位相変化が起きる時
間が、Δτの間だけずれることになる。このΔτの間だ
け、図７（ｂ）のように、干渉効果により、波長λ_jの
光２０８は、ポート２１０に出射されることとなる。即
ち、入力した波長λ_iの光信号が、波長λ_jの光へ移さ
れ、ポート２１０に出力されるわけである。このループ
型干渉回路を有する波長変換回路では、図７に示すよう
に、位相変化のキャリア変化の回復時間の速度に制限さ
れる領域がキャンセルアウトされ、その制限を受けず、
高速波長変換が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ル
ープ型干渉回路２０９を有する波長変換回路を用いた場
合には、入力した信号光２０４が、出力光２０８と同一
のポート２１０から多重されて出射される。このため、
入力光２０４と出力光２０８を分離するために、出力ポ
ート２１０に波長フィルタ２１２を設置し、出力光２０
８のみを取り出さなければならなかった。

【００１０】また、信号光の波長λ_iと被波長変換光の
波長λ_jが同一の時には、波長変換前の光と波長変換後
の光を前記波長フィルタ２１２で分離できず、波長変換
前の光が雑音となって出力光に混入してしまう。即ち、
同一波長変換ができないという問題点があった。さらに
３ｄＢカプラ２０２および２０３で波長λjの連続光２
０５である被変換光が分岐されるため、原理的に３ｄＢ
の過剰損失が生じるという問題もあった。本発明の目的
は、上記問題点を鑑み、波長フィルタが不要であり、低
損失、かつ、同一波長変換が可能な高速の波長変換機能
を有する光制御素子を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明の請求項１に係る光制御素子は、任意波長の第１の
入力信号光強度に応じて前記入力信号光の波長と同一ま
たは異なる波長を有する第２の入力光が変調される光制
御素子において、第１の入力光と第２の入力光を合流し
さらに複数のポートに分配する構造と、該複数のポート
にそれぞれ接続された、第１の入力光の光強度に応じて
屈折率が変化する媒質、および該媒質からの出力を合流
するための構造、および第２の入力光を分岐、遅延させ
る構造とを有することを特徴とする。

【００１２】上記目的を達成する本発明の請求項２に係
る光制御素子は、請求項１において、第２の入力光を分
岐、遅延させる構造として、ループ型の光回路を有する
ことを特徴とする。

【００１３】上記目的を達成する本発明の請求項３に係
る光制御素子は、請求項１において、第２の入力光を分
岐、遅延させる光回路として、非対称マッハツェンダ型
の光回路を有することを特徴とする。

【００１４】上記目的を達成する本発明の請求項４に係
る光制御素子は、請求項１，２又は３において、入力光
強度を制御する機能を配置したことを特徴とする。

【００１５】上記目的を達成する本発明の請求項５に係
る光制御素子は、請求項４において、入力光強度を制御
する機能として、利得機能を有する光増幅器を用いたこ
とを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】本願において、開示される発明の
うち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下の
通りである。（１）任意波長の入力信号光強度に応じて前記入力信号
光の波長と同一又は異なる別波長の光を変調し波長を変
換する光制御素子を、波長変換後の入力信号光を除去す
るフィルタ機能と、入力信号光による位相変調機能と被
変換光を分岐、遅延させる光回路から構成する。（２）前記手段（１）の光制御素子において、波長が変
換された出力光を分岐、遅延させる光回路が、ループ型
の光回路である。（３）前記手段（１）の光制御素子において、波長が変
換された出力光を分岐、遅延させる光回路が、非対称マ
ッハツェンダ型の光回路である。（４）前記手段（１）の光制御素子の前段に、入力光強
度を制御する機能を配置する。（５）前記手段（４）の光制御素子において、入力光強
度を制御する機能として、利得機能を有する光増幅器を
用いる。

【００１７】［実施例１］図１に本発明の第１の実施例
を示す。この波長変換回路は、半導体光増幅器４０１，
４０２とマルチモード干渉カプラ４０３，４０４から構
成されるフィルタ付き位相変調器４１５（図中破線で囲
んで示す）と、ループ型干渉回路４１３、マルチモード
干渉カプラ４０５から構成される。即ち、本実施例にお
いては、「第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに
複数のポートに分配する構造」として多モード干渉型カ
プラ４０３、「第１の入力光の光強度に応じて屈折率が
変化する媒質」として半導体光増幅器４０１，４０２、
「媒質からの出力を合流するための構造」として多モー
ド干渉型カプラ４０４を用いた場合である。

【００１８】動作原理を説明する。マルチモード干渉カ
プラ４０５に波長λ_jの連続光４０７がポート４１２に
入射され、マルチモード干渉カプラ４０５で二つに分か
れ、ループ型干渉回路４１３へと導かれる。ループ型干
渉回路４１３では、右回りの光４０９と左回りの光４０
８に別れてループを一周し、フィルタ付き位相変調器４
１５を経て再びマルチモード干渉カプラ４０５で合波さ
れポート４１２に出射される。この状態で、波長λ_iの
信号光４０６が、ポート４１７より、フィルタ付き位相
変調器４１５へ入射される。

【００１９】本実施例では、フィルタ機能として、マル
チモード干渉カプラ４０３，４０４が、半導体光増幅器
４０１，４０２を含んだ２つの導波路（アーム）で結ば
れた対称型マッハツェンダ回路を用いている。一般に対
称マッハッエンダ回路では、入射した光は、カプラ内で
分波され、それぞれ２つの導波路（アーム）を通り、再
びカプラで合波され、入射ポートとクロスの位置にある
出射ポートに出力される。本実施例のフィルタ機能は、
マッハツェンダ回路の上記性質を利用している。

【００２０】波長λ_iの信号光４０６をポート４１７よ
りマルチモード干渉カプラ４０３に入射させる。入射さ
れた信号光４０６は、二つに分かれて半導体光増幅器４
０１，４０２を通過し、マルチモード干渉カプラ４０４
で合波されて、入射ポート４１７とクロスの位置にある
ポート４１４へ抜ける。即ち、この入力信号光４０６
は、マッハツェンダ回路によるフィルタ機能により、ル
ープ型干渉回路４１３内に入ることはない。ループ内を
左回りに伝搬する波長λjの連続光４０７である被変換
光は、ポート４１８からマルチモード干渉カプラ４０４
に入射し、２つに別れて半導体光増幅器４０１，４０２
を通過し、マルチモード干渉カプラ４０３で合波され
て、入射ポート４１８とクロスの位置にあるポート４１
６に導かれ、再びループ内を伝搬する。このとき、ポー
ト４１７に出射される成分は存在しないため過剰損失は
生じない。同様に右回りに伝搬する波長λjの連続光４
０７である被変換光は、ポート４１６からマルチモード
干渉カプラ４０３に入射し、２つに別れて半導体光増幅
器４０１，４０２を通過し、マルチモード干渉カプラ４
０４で合波されて、入射ポート４１６とクロスの位置に
あるポート４１８に導かれ、再びループ内を伝搬する。
このときポート４１４に出射される成分は存在しないた
め過剰損失は生じない。即ち、ループ内を伝搬する波長
λjの連続光４０７である被変換光は、信号光を合波す
るためのカプラ４０３および４０４を通過することによ
り生じる過剰損失が原理的に生じることはない。上記入
力信号光４０６が半導体光増幅器４０１，４０２内を通
過する際、半導体光増幅器４０１，４０２内の屈折率が
変化する。ループ内を導波している波長λ_jの光は、前
記半導体光増幅器４０１，４０２内の屈折率変化の影響
を受け、図７（ａ）と同様に位相変化をおこす。

【００２１】右回りの光４０９は、急峻に位相変化を起
こし、その後半導体光増幅器のキャリア変化の回復時間
の速度に応じた時間で元の位相に戻り、マルチモード干
渉カプラ４０５に入射する。左回りの光４０８も同様の
位相変化を受けるが、右回りの光に比べて、ループ型干
渉回路を伝播する距離が長いため、Δτだけ時間が遅れ
てマルチモード干渉カプラ４０５へ入射する。マルチモ
ード干渉カプラ４０５中では、右回り、左回りの光の位
相変化が起きる時間が、Δτの間だけずれることにな
る。このΔτの間だけ、図７（ｂ）と同様に、干渉効果
により、波長λ_jの光は、ポート４１１に出射されるこ
ととなる。

【００２２】即ち、入力した波長λ_iの光信号が、波長
λ_jの光へ移され、ポート４１１に出力されるわけであ
る。このループ型干渉回路を有する波長変換回路では、
位相変化のキャリア変化の回復時間の速度に制限される
領域がキャンセルアウトされ、その制限を受けず、高速
波長変換が可能となる。本実施例では、入力光４０６
が、ポート４１４に抜け、ポート４１１に出力されるこ
とはない。即ち、入力光と出力光を分離するために、出
力ポートに波長フィルタを設置する必要がない。従っ
て、信号光の波長λ_iと被波長変換光の波長λ_jが同一の
時においても、ポート４１１に波長が変換された出力光
に雑音が混じる事なく波長変換が可能である。また、左
回りに伝搬する波長λjの連続光４０７である被変換光
は、ポート４１８からポート４１６に導かれ、右回りに
伝搬する被変換光は、ポート４１６、ポート４１８に導
かれ、過剰損失は生じない。従って、信号光、被変換光
の同一、非同一を問わず、フィルタが不要で低損失の高
速波長変換が可能となる。

【００２３】［実施例２］図２に本発明の第２の実施例
を示す。本実施例は、実施例１のループ型干渉回路４１
３の代わりに、非対称マッハツェンダ干渉回路５０７を
用いた波長変換回路である。この波長変換回路は、半導
体光増幅器５０１，５０２とマルチモード干渉カプラ５
０３，５０４から構成されるフィルタ付き位相変調器５
２８と、マルチモード干渉カプラ５０５，５０６及び長
さが異なる２本の導波路から構成される非対称マッハッ
エンダ干渉回路５０７の２つから構成される。

【００２４】動作原理を説明する。マルチモード干渉カ
プラ５０３に波長λ_jの連続光５１１がポート５１４よ
り入射され、マルチモード干渉カプラ５０３で２つに分
かれ、半導体光増幅器５０１，５０２を通り、マルチモ
ード干渉カプラ５０４で合流しポート５１７へ出射さ
れ、非対称マッハツェンダ干渉回路５０７を経て、ポー
ト５０８へ出力される。この状態で、波長λ_iの信号光
５１０をポート５１５よりマルチモード干渉カプラ５０
３に入射させる。入射された信号光５１０は、二つに分
かれて半導体光増幅器５０１，５０２を通過し、マルチ
モード干渉カプラ５０４で合波されて、ポート５１６へ
抜ける。フィルタ機能により、入力信号光が、後段の非
対称マッハッエンダ回路５０７へは入射しないのは、実
施例１と同様である。

【００２５】上記入力信号光５１０が半導体光増幅器５
０１，５０２内を通過する際、半導体光増幅器５０１，
５０２内の屈折率が変化する。フィルタ付き位相変調器
５２８内を導波している波長λ_jの光は、屈折率変化の
影響を受け位相が変調され、ポート５１７を経由して、
非対称マッハツェンダ干渉回路５０７へ入射する。位相
変調を受けた波長λ_jの光は、２本の長さが異なる導波
路を通過し、長い導波路を通過する光は、短い導波路を
通過する光に比べてΔτだけ遅れてマルチモード干渉カ
プラ５０６に入射し合波される。このとき、図７（ａ）
と同様に導波路伝播時間の差Δτだけ時間がずれた位相
変調光の干渉が起こり、位相差が生じるときだけ、図７
（ｂ）と同様に、干渉効果により、波長λ_jの光５１３
がポート５０９に出射されることとなる。

【００２６】即ち、入力した波長λ_iの光信号が、波長
λ_jの光へ移され、ポート５０９に出力されるわけであ
る。この非対称マッハツェンダ干渉回路５０７を有する
波長変換回路では、位相変化のキャリア変化の回復時間
の速度に制限される領域がキャンセルアウトされ、その
制限を受けず、高速波長変換が可能となる。本実施例で
は、入力光５１０はポート５１６に抜け、非対称マッハ
ツェンダ回路５０７に入射することはない。即ち、入力
光と出力光を分離するために、出力ポートに波長フィル
タを設置する必要がない。従って、信号光の波長λ_iと
被波長変換光の波長λ_jが同一の時においても、半導体
光増幅器内の屈折率変化を与えた後の信号光が被波長変
換光の雑音となることはなく、波長変換が可能である。
波長λjの連続光５１１である被変換光は、ポート５１
４からマルチモード干渉カプラ５０３に入射し、２つに
別れて半導体光増幅器５０１，５０２を通過し、マルチ
モード干渉カプラ５０４で合波されて、入射ポート５１
１とクロスの位置にあるポート５１７に導かれ、ポート
５１６に出射される成分は存在しないため過剰損失は生
じない。従って、信号光、被変換光の同一、非同一を問
わず、フィルタが不要で低損失の高速波長変換が可能と
なる。

【００２７】［実施例３］図３に本発明の第３の実施例
を示す。波長変換回路には、最適な信号光強度範囲とい
うものがある。本実施例は、実施例１の前段に半導体光
増幅器を用いた入力光強度を制御する機能回路を付加し
た波長変換装置である。

【００２８】動作原理を説明する。ポート６０４から入
射した信号光は、半導体光増幅器６０１で増幅されマル
チモード干渉カプラ６０２へ入射する。マルチモード干
渉カプラ６０２を通過した光のごく一部は、フォトダイ
オード（ＰＤ）６０３へ入射し、光強度が測定される。
測定した光強度から電気的にフィードバックし、半導体
光増幅器６０１へ流す注入電流を決定し、その利得を制
御する。

【００２９】これにより、光強度を半導体光増幅器６０
１により制御された信号光が、ポート６０５へ出力さ
れ、導波路６０７を経由して後段のフィルタ付き位相変
調器４１５のポート４１７へ、波長変換に最適な光強度
で信号光が入射する。従って、波長変換装置への入力光
強度が変動しても、常に最適な光強度の光信号が波長変
換回路に入射することとなる。即ち、本実施例により、
実施例１の入力光強度マージンが拡大されることとな
る。

【００３０】［実施例４］図４に本発明の第４の実施例
を示す。本実施例は、実施例２の前段に半導体光増幅器
を用いた入力光強度を制御する機能回路を付加した波長
変換装置である。付加した機能の動作原理は、実施例３
と同等である。上記実施例３，４では、半導体光増幅器
を用いた例を示したが、ファイバ光増幅器を用いても同
等の効果を得ることができる。上記実施例１〜４では、
「第１の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポ
ートに分配する構造」としてマルチモード干渉カプラを
用いた場合について示しているが、方向性結合器、Ｙ分
岐等を用いても同様な効果が期待できる。また、「第１
の入力光強度に応じて屈折率が変化する媒質」として半
導体光増幅器を用いた場合について説明しているが、光
強度に応じて屈折率が変化する媒質または構造であれば
全て適用可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明を用いる
ことにより、出力ポートに入力光と出力光を分離するた
めのフィルタを設置する必要がなく、低損失で同一波長
変換が可能な高速の波長変換機能を有する光制御素子を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示すブロック図であ
る。

【図２】本発明の第二の実施例を示すブロック図であ
る。

【図３】本発明の第三の実施例を示すブロック図であ
る。

【図４】本発明の第四の実施例を示すブロック図であ
る。

【図５】従来の波長変換回路の例を示すブロック図であ
る。

【図６】従来の波長変換回路の例２を示すブロック図で
ある。

【図７】従来の波長変換回路の例２の動作原理を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１０１，１０２，１０３，１０４マルチモード干渉カ
プラ１０５，１０６半導体光増幅器１０７信号光１０８連続光１０９出力光（被波長変換光）１１０ポート２０１半導体光増幅器２０２，２０３マルチモード干渉カプラ２０４信号光２０５連続光２０６左回りの光２０７右回りの光２０８出力光（被波長変換光）２０９ループ型干渉回路２１０，２１１ポート４０１，４０２半導体光増幅器４０３，４０４，４０５マルチモード干渉カプラ４０６信号光４０７連続光４０８左回りの光４０９右回りの光４１０出力光（被波長変換光）４１１，４１２，４１４ポート４１３ループ型干渉回路４１５フィルタ付き位相変調器４１６，４１７，４１８ポート５０１，５０２半導体光増幅器５０３，５０４，５０５，５０６マルチモード干渉カ
プラ５０７非対称マッハツェンダ干渉回路５０８，５０９ポート５１０信号光５１１連続光５１２位相変調を受けた連続光５１３出力光（被波長変換光）５１４，５１５，５１６，５１７ポート５２８フィルタ付き位相変調器６０１半導体光増幅器６０２マルチモード干渉カプラ６０３フォトダイオード６０４，６０５，６０６ポート６０７導波路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者界義久東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者須崎泰正東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者岡田顕東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者野口一人東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (72)発明者佐藤里江子東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 2H079 AA08 AA12 BA01 BA04 CA04 EA05 EA07 HA15 KA20 2K002 AB04 AB09 AB12 BA01 DA08 DA11 EA27 EA30 GA10 5F073 AB25 BA01 EA14 GA36 GA37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】任意波長の第１の入力信号光強度に応じ
て前記入力信号光の波長と同一または異なる波長を有す
る第２の入力光が変調される光制御素子において、第１
の入力光と第２の入力光を合流しさらに複数のポートに
分配する構造と、該複数のポートにそれぞれ接続され
た、第１の入力光の光強度に応じて屈折率が変化する媒
質、および該媒質からの出力を合流するための構造、お
よび第２の入力光を分岐、遅延させる構造とを有するこ
とを特徴とする光制御素子。
【請求項２】請求項１において、第２の入力光を分
岐、遅延させる構造として、ループ型の光回路を有する
ことを特徴とする光制御素子。
【請求項３】請求項１において、第２の入力光を分
岐、遅延させる光回路として、非対称マッハツェンダ型
の光回路を有することを特徴とする光制御素子。
【請求項４】請求項１，２又は３において、入力光強
度を制御する機能を配置したことを特徴とする光制御素
子。
【請求項５】請求項４において、入力光強度を制御す
る機能として、利得機能を有する光増幅器を用いたこと
を特徴とする光制御素子。