JP2004274044A - 温度変化にかかわらずファブリー・ペローレーザーの波長ロックを維持する方法及びこれを利用した波長分割多重方式光源 - Google Patents

温度変化にかかわらずファブリー・ペローレーザーの波長ロックを維持する方法及びこれを利用した波長分割多重方式光源 Download PDF

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Abstract

【課題】波長分割多重方式光通信に使用される経済的光源として、温度調節器なしでも波長ロックを維持するようにしたファブリー・ペローレーザー型の光源を提供する。
【解決手段】（ａ）注入光の３ｄＢ線幅Ａより小さくなるようにファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔Δλを設定し、（ｂ）非干渉性光をスペクトル分割してファブリー・ペローレーザーに注入し、（ｃ）ファブリー・ペローレーザーにより注入光の波長と一致する発振モードのみを増幅して出力する。ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、外部温度変化にかかわらず注入光の３ｄＢ線幅内に少なくとも一つの発振モードが存在するように設定する。好ましくは、発振モード間隔は、注入光の３ｄＢ線幅内に複数の発振モードが存在しないように、注入光の３ｄＢ線幅の半分を超えるようにし、そのような発振モード間隔は、ファブリー・ペローレーザーの共振器長を調節することにより設定することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は波長分割多重方式(Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ)光通信に関し、特に周囲温度変化に関係なくファブリー・ペローレーザーの波長ロックを維持する方法及びこれを利用した波長分割多重方式光源に関する。
一般的に、波長分割多重方式受動型光加入者ネットワーク(passive optical network：ＰＯＮ)は、各加入者に与えられた固有の波長を利用して超高速光帯域通信サービスを提供する。従って、通信の秘密保障が確実であり、各加入者が要求する別の通信サービス、または通信容量の拡大を容易に受容することができ、新たな加入者に与えられる固有の波長を追加することにより容易に加入者の数を拡大することができる。このような利点にもかかわらず、中央局(central office：ＣＯ)と各加入者端において特定発振波長の光源及び光源の波長を安定化するための付加的な波長安定化回路を必要とするので、加入者の経済的負担が大きく、波長分割多重方式受動型光加入者ネットワークは実用化されていない。
従って、波長分割多重方式受動型光加入者ネットワークの具現のためには、経済的な波長分割多重方式光源の開発が必須的である。このような波長分割多重方式光源に分散帰還レーザーアレイ(distributed feedback laser array：ＤＦＢ laser array)、多波長レーザー(multi-frequency laser：ＭＦＬ)、スペクトル分割方式光源(spectrum-sliced light source)、非干渉性光に波長ロックされたファブリー・ペローレーザー(mode-locked Fabry-Perot laser with incoherent light)などが提案された。
しかし、分散帰還レーザーアレイと多波長レーザーは製作過程が複雑であり、かつ波長分割多重方式のために光源の正確な波長選択性と波長安定化が必須的な高価な素子である。
最近活発に研究されているスペクトル分割方式光源は、広い帯域幅の光信号を光学フィルター(optical filter)、または導波路型回折格子(waveguide grating router：ＷＧＲ)を利用してスペクトル分割することにより、多数の波長分割されたチャネルを提供することができる。従って、特定発振波長の光源が不要で、波長安定化のための装備も不要である。このようなスペクトル分割方式の光源として発光ダイオード(light emitting diode：ＬＥＤ)、超発光ダイオード(super luminescent diode：ＳＬＤ)、ファブリー・ペローレーザー(Fabry-Perot laser：ＦＰ laser)、光ファイバ増幅器光源(fiber amplifier light source)、極超短光パルス光源などが提案された。
しかし、スペクトル分割方式光源として提案された発光ダイオードと超発光ダイオードは、光帯域幅が広く、安価であるが、変調帯域幅と出力が低いので、下向き信号に比べて変調速度が低い上向き信号のための光源にしか適さない。ファブリー・ペローレーザーは低価な高出力素子であるが、帯域幅が狭くて多数の波長分割されたチャネルを提供することができず、スペクトル分割された信号を高速に変調して伝送する場合、モード分割雑音(mode partition noise)による性能低下が深刻であるとの短所がある。極超短パルス光源は光源のスペクトル帯域が非常に広く、干渉性(coherent)があるが、発振されるスペクトルの安定度が低く、またパルスの幅が数ｐｓ(picoseconds)にすぎないので具現が難しい。
前記光源の代わりに光ファイバ増幅器で生成される自然放出光(amplified Spontaneous emission light：ＡＳＥ light)をスペクトル分割して多数の波長分割された高出力チャネルを提供することができるスペクトル分割方式光ファイバ増幅器光源(spectrum-sliced fiber amplifier light source)が提案された。しかし、スペクトル分割方式光源は各チャネルが相異なるデータを伝送するためにLiNbO３変調器のような高価な外部変調器を別に使用しなければならない。
一方、非干渉性光に波長ロックされたファブリー・ペローレーザーは、発光ダイオード、または光ファイバ増幅器光源のような非干渉性光源から生成される広い帯域幅の光信号を光学フィルター、または導波路回折格子を利用してスペクトル分割した後、アイソレーター(isolator)が装着されないファブリー・ペローレーザーに注入して出力される波長ロック信号を伝送に使用する。一定出力以上のスペクトル分割された信号がファブリー・ペローレーザーに注入される場合、ファブリー・ペローレーザーは注入されるスペクトル分割された信号の波長と一致する波長のみを生成して出力する。このような非干渉性光波長ロックファブリー・ペローレーザーは、ファブリー・ペローレーザーをデータ信号に応じて直接変調することにより、より経済的にデータを伝送することができる。
しかし、ファブリー・ペローレーザーが高速長距離伝送に適合した波長ロック信号を出力するためには、広い帯域幅の高出力光信号を注入しなければならない。加えて、外部温度を制御しない場合、外部温度に変化があると、ファブリー・ペローレーザーのモードが変わるようになり、これによってファブリー・ペローレーザーは、注入されるスペクトル分割された信号の波長と一致する波長から外れてロック現象が解消されるので、波長ロックファブリー・ペローレーザーを利用した波長分割多重方式光源として使用できないようになる。従って、波長ロックファブリー・ペローレーザーを波長分割多重方式光源として使用するためには、外部温度制御(ＴＥＣ Controller)が必須的である。
図１は、温度調節器が装着された従来のファブリー・ペローレーザーの構造を示した図である。図１を参照すると、従来のファブリー・ペローレーザーは、ＴＥＣ(Thermo-Electric Cooler)制御器(ＴＥＣ controller)１、サーミスタ(thermistor)２、ファブリー・ペローレーザー(ＦＰ−ＬＤ)３、及びＴＥＣ４で構成され、ＴＥＣ制御器１はサーミスタ２を通じてファブリー・ペローレーザー３の温度を感知し、ＴＥＣ４を利用してファブリー・ペローレーザー３の温度を調節するようになっている。
しかし、当該従来技術の場合、ファブリー・ペローレーザーにサーミスタとＴＥＣを結合させる必要があるので、パッケージング(Packaging)費用が増加し、ＴＥＣ制御器を付加的に装着しなければならないので、全般的な費用が増加するようになる。結局、加入者の経済的負担が大きくなるので、波長分割多重方式受動型光加入者ネットワークは実用化されていない。
従って、本発明の目的は、波長分割多重方式光通信に使用される経済的な光源として、温度制御器を使用しなくとも温度変化に関係なく外部光注入により波長ロックが維持されるようにする、温度変化にかかわらずファブリー・ペローレーザーの波長ロックを維持する方法及びこれを利用した波長分割多重方式光源を提供することにある。
このような目的を達成するための本発明は、ファブリー・ペローレーザーの波長ロック方法において、（ａ）注入光の３ｄＢ線幅より小さくなるようにファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔を設定する過程と、（ｂ）光源から生成された非干渉性光をスペクトル分割した後、このスペクトル分割された光をファブリー・ペローレーザーに注入する過程と、（ｃ）ファブリー・ペローレーザーにより注入光の波長と一致する発振モードのみを増幅して出力する過程と、を含み、温度変化にかかわらず波長ロックを維持することを特徴とする。
このような（ａ）過程のファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、外部温度変化にかかわらず（ｂ）過程の注入光の３ｄＢ線幅内に少なくとも一つの発振モードが存在するように設定する。好ましくは、（ａ）過程のファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、（ｂ）過程の注入光の３ｄＢ線幅内に複数の発振モードが存在しないように、注入光の３ｄＢ線幅の半分を超えるようにし、そのようなファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、ファブリー・ペローレーザーの共振器長を調節することにより設定することができる。また、（ｂ）過程の注入光は、該注入光の３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在しないように、そのスペクトルが中心波長に対して非対称としてもよい。（ｂ）過程の光源としては自然放出光源を使用することができる。
さらに本発明によれば、光源と、注入光の波長と一致しない発振モードは抑制し、注入光の波長と一致する発振モードのみを増幅して出力するファブリー・ペローレーザーと、光源から発生された光をスペクトル分割してファブリー・ペローレーザーの注入光として提供し、ファブリー・ペローレーザーから出力される波長ロック信号を多重化する波長分割多重化装置と、光源から発生された光を波長分割多重化装置に入力し、波長分割多重化装置により多重化された波長ロック信号を伝送リンクに出力するサーキュレータと、を備え、注入光の３ｄＢ線幅内に少なくとも一つの発振モードが存在することにより外部温度変化にかかわらずファブリー・ペローレーザーの波長ロックが維持されるように、ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔が注入光の３ｄＢ線幅より小さく設定されることを特徴とする波長分割多重方式光源が提供される。
そのファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、注入光の３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在しないように、注入光の３ｄＢ線幅の半分を超えるようにし、このようなファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、該ファブリー・ペローレーザーの共振器長を調節することにより設定することができる。あるいは、注入光の３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在しないように、注入光のスペクトルを中心波長に対して非対称にしてもよい。
本発明は、温度調節器を使用しなくとも外部温度変化に関係なくファブリー・ペローレーザーの波長ロックを維持する方法及びこれを利用した波長分割多重方式光源を提供する。従って、本発明によれば、温度調節器が不要な経済的であり、かつ効率的な波長分割多重方式光源及びこれを利用した波長分割多重方式受動型光加入者ネットワークを具現することができる利点がある。
以下、本発明に従う好適な実施形態について添付図を参照しつつ詳細に説明する。下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にする目的で、関連した公知機能又は構成に関する具体的な説明は省略する。
図２は、本発明の波長ロックファブリー・ペローレーザーを利用した波長分割多重方式光源の実施例を示した図である。本発明の波長分割多重方式光源１００は、光伝送リンク２００に波長分割多重化された光信号を出力する機能を遂行し、自然放出光源(ＡＳＥ source)１０１、サーキュレータ１０２、導波路回折格子(ＡＷＧ)１０３、ファブリー・ペローレーザー１０４を備えている。
自然放出光源１０１は、広い線幅を有する非干渉性光源としてファブリー・ペローレーザー１０４に注入される光を生成して出力する。
サーキュレータ１０２は、第１乃至第３ポートを設けてあり、自然放出光源１０１で生成され第１ポートに入力された非干渉性光を第２ポートを通じて導波路回折格子１０３に出力する。また、第２ポートを通じて導波路回折格子１０３から入力される非干渉性光に波長ロックされた波長分割多重光を第３ポートを通じて伝送リンク２００に出力する。
導波路回折格子１０３は、サーキュレータ１０２とファブリー・ペローレーザー１０４との間に配置され、一つの多重化ポートとＮ個の逆多重化ポートを設ける。導波路回折格子１０３は、サーキュレータ１０２の第２ポートを通じて多重化ポートに入力される自然放出光をスペクトル分割してファブリー・ペローレーザー１０４に出力し、またファブリー・ペローレーザー１０４から入力される波長ロック光を多重化してサーキュレータ１０２に出力する機能を遂行する。
ファブリー・ペローレーザー１０４は、導波路回折格子１０３のＮ個の逆多重化ポートにそれぞれ一つずつ連結され、導波路回折格子１０３によりスペクトル分割された非干渉性光に波長ロックされた光を出力する。本発明のファブリー・ペローレーザー１０４の動作を詳細に説明する前に、一般的なファブリー・ペローレーザーの波長ロック現象及び周囲温度変化に応じた影響に対して説明すると、次のようである。
図３は、一般的なファブリー・ペローレーザーの波長ロック現象を説明するための図である。図中、符号１０は一般的なファブリー・ペローレーザー４０の光スペクトルを示し、符号２０はファブリー・ペローレーザー４０に入力される外部非干渉光のスペクトルを示し、符号３０は入力される外部非干渉光に波長ロックされたファブリー・ペローレーザーの光スペクトルを示す。
図３に示したように、ファブリー・ペローレーザー４０は単一波長を出力する分散帰還レーザーとは異なり、レーザーダイオードの共振波長と材料物質の利得特性に応じて１個の波長を中心に一定波長間隔に位置する複数の発振モードが示される(１０)。この時、外部から干渉光、または非干渉光が入力されると（２０）、注入光の波長と一致しない発振モードは抑制され、注入光の波長と一致する発振モードのみが増幅され出力される(３０)。
一方、外部温度が変わる場合に、ファブリー・ペローレーザーの使用温度を一定に維持するようにする温度調節装置がない場合、ファブリー・ペローレーザーの波長ロック現象は解消される。これは、ファブリー・ペローレーザーの波長変化率が０.１ｎｍ／℃であるのに対し、注入光のスペクトル分割に使用される導波路回折格子の波長変化率は大略０.０１ｎｍ／℃であるからである。従って、温度変化に応じて注入光とファブリー・ペローレーザーの発振モードのスペクトルオーバーラップ(spectral overlap)が変化することを避けることができない。
図４は、ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔(△λ)が注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)より大きい場合、周囲温度変化に応じた外部注入光とファブリー・ペローレーザー出力光の波長変化を示した図である。図４(ａ)で周囲温度がＴ０であり、(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)と△Ｔずつ増加するにつれて、ファブリー・ペローレーザーの発振波長が赤色偏移(Red shift)することを示す。この時、(ａ)と(ｄ)では注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)内に存在する発振モードが波長ロックされる(太矢印で表記)が、(ｂ)と(ｃ)では注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)内に発振モードが存在しない状況が発生し、この時、波長ロック形状が消滅することがわかる。
従って、外部温度が変化しても注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)内にファブリー・ペローレーザーの発振モードが常に存在するようにすることができれば、温度変化に関係なくファブリー・ペローレーザーの波長ロック特性を維持することができる。即ち、ファブリー・ペローレーザーのモード間隔(△λ)が注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)より小さい場合、前記条件を常に充足できるようになる。
図５は、ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔(△λ)が注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)より小さい場合、周囲温度変化に応じた外部注入光とファブリー・ペローレーザー出力光の波長変化を示した図である。図５(ａ)で周囲温度がＴ０であり、(ｂ)→(ｃ)→(ｄ)と△Ｔずつ増加するにつれて、ファブリー・ペローレーザーの発振波長が赤色偏移することを示す。この時、(ａ)〜(ｄ)のいずれの場合も、全て注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)内に少なくとも一つの発振モードが存在して波長ロック(太矢印で表記)が維持される。これは注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)内に発振モードが存在しないので波長ロック形状がなくなる図４(ｂ)、(ｃ)と確実に相異であることが分かる。
さらに図２及び図５を参照すると、導波路回折格子１０３によりスペクトル分離された注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)は、導波路回折格子１０３の特性により決定され、一般的に導波路回折格子のチャネル間隔の４０％程度である。従って、導波路回折格子１０３のチャネル間隔を調節することにより、注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)がファブリー・ペローレーザー１０４の発振モード間隔(△λ)より大きくなるようにすることができる。しかし、波長ロック現象を効果的に達成するためには、注入光の線幅がファブリー・ペローレーザー発振モードの線幅に比べてあまり広くない方が望ましい。ファブリー・ペローレーザー発振モードの線幅は相対的に固定された値を有するので、注入光の３ｄＢ線幅の調節も制限されるようになる。
また、ファブリー・ペローレーザー１０４の発振モード間隔(△λ)は、共振器長に応じて変化するようになる。図６は、ファブリー・ペローレーザーの共振器長と発振モード間隔(△λ)との間の相関関係を示した図である。
図６(ａ)で共振器長がｄである場合、発振モード間隔(△λ)は、△λ=λ２／(２ｎ・ｄ)であり、図６(ｂ)で共振器長が２ｄである場合、発振モード間隔(△λ)は、△λ=λ２／(４ｎ・ｄ)である。
この式でλは波長(wavelength)を、ｎは屈折率(refractive index)をそれぞれ示す。
即ち、ファブリー・ペローレーザーの共振器の長さが２倍になると、発振モード間隔は１／２に低減される。このように共振器の長さを変化させ発振モード間隔を調節することができる。
一方、ファブリー・ペローレーザー１０４の発振モード間隔(△λ)が注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)の１／２より小さい場合(即ち、△λ＜Ａ／２)は、３ｄＢ線幅内に常に２個以上の発振モードが捕捉される恐れがある。従って、ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔(△λ)は注入光の３ｄＢ線幅の１／２(Ａ／２)より大きく、注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)よりは小さくなるように設定するのが望ましい。
また、３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在するようになる特殊な場合には、これらのモード間にモード競争(gain competition)が生じてその中の一つのモードのみが発振するようになる条件が存在するので、注入光のスペクトルが中心波長に対し非対称となるようにすれば、その一つのモードのみ発振する条件をより強化することができる。
上述した本発明の詳細な説明では具体的な実施形態について説明したが、本発明の範囲を外れない限り多様な変形が可能なことはもちろんである。したがって、本発明の範囲は説明した実施形態に局限して定められてはいけないし、特許請求の範囲だけでなくこの特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
温度調節器が装着された従来のファブリー・ペローレーザーの構造を示した図。 本発明による波長ロックファブリー・ペローレーザーを利用した波長分割多重方式光源の実施例を示した図。 一般的なファブリー・ペローレーザーの波長ロック現象を説明するための図。 ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔(△λ)が注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)より大きい場合における周囲温度変化に応じた外部注入光とファブリー・ペローレーザー出力光の波長変化を示した図。 ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔(△λ)が注入光の３ｄＢ線幅(Ａ)より小さい場合における周囲温度変化に応じた外部注入光とファブリー・ペローレーザー出力光の波長変化を示した図。 ファブリー・ペローレーザーの共振器長と発振モード間隔(△λ)との間の相関関係を示した図。
符号の説明
１０１ 自然放出光（ＡＳＥ）源
１０２ サーキュレータ
１０３ 導波路回折格子
１０４ ファブリー・ペローレーザー

Claims (13)

  1. ファブリー・ペローレーザーの波長ロック方法において、
    （ａ）注入光の３ｄＢ線幅より小さくなるようにファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔を設定する過程と、
    （ｂ）光源から生成された非干渉性光をスペクトル分割した後、該スペクトル分割された光を前記ファブリー・ペローレーザーに注入する過程と、
    （ｃ）前記ファブリー・ペローレーザーにより前記注入光の波長と一致する発振モードのみを増幅して出力する過程と、を含み、
    温度変化にかかわらずファブリー・ペローレーザーの波長ロックを維持することを特徴とする波長ロック方法。
  2. （ａ）過程のファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、（ｂ）過程の注入光の３ｄＢ線幅内に複数の発振モードが存在しないように、前記注入光の３ｄＢ線幅の半分を超えるように設定する請求項１記載の波長ロック方法。
  3. （ａ）過程のファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、前記ファブリー・ペローレーザーの共振器長を調節することにより設定する請求項１記載の波長ロック方法。
  4. （ｂ）過程の注入光は、該注入光の３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在しないように、そのスペクトルが中心波長に対して非対称とされる請求項１記載の波長ロック方法。
  5. （ｂ）過程の光源は、自然放出光源である請求項１記載の波長ロック方法。
  6. （ａ）過程のファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、外部温度変化にかかわらず（ｂ）過程の注入光の３ｄＢ線幅内に少なくとも一つの発振モードが存在するように設定する請求項１記載の波長ロック方法。
  7. 光源と、注入光の波長と一致しない発振モードは抑制し、前記注入光の波長と一致する発振モードのみを増幅して出力するファブリー・ペローレーザーと、前記光源から発生された光をスペクトル分割して前記ファブリー・ペローレーザーの注入光として提供し、前記ファブリー・ペローレーザーから出力される波長ロック信号を多重化する波長分割多重化装置と、前記光源から発生された光を前記波長分割多重化装置に入力し、前記波長分割多重化装置により多重化された波長ロック信号を伝送リンクに出力するサーキュレータと、を備え、
    前記注入光の３ｄＢ線幅内に少なくとも一つの発振モードが存在することにより外部温度変化にかかわらず前記ファブリー・ペローレーザーの波長ロックが維持されるように、前記ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔が前記注入光の３ｄＢ線幅より小さく設定されることを特徴とする波長分割多重方式光源。
  8. ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、注入光の３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在しないように、前記注入光の３ｄＢ線幅の半分を超える請求項７記載の波長分割多重方式光源。
  9. ファブリー・ペローレーザーの発振モード間隔は、前記ファブリー・ペローレーザーの共振器長を調節することにより設定される請求項７記載の波長分割多重方式光源。
  10. 注入光の３ｄＢ線幅内に２個以上の発振モードが存在しないように、前記注入光のスペクトルが中心波長に対して非対称である請求項７記載の波長分割多重方式光源。
  11. 光源は非干渉性光源である請求項７記載の波長分割多重方式光源。
  12. 光源は自然放出光源である請求項７記載の波長分割多重方式光源。
  13. 波長分割多重化装置は１×Ｎ導波路回折格子で構成される請求項７記載の波長分割多重方式光源。
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