JP2004350280A

JP2004350280A - ファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器

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Publication number: JP2004350280A
Application number: JP2004148823A
Authority: JP
Inventors: Dong-Jae Shin; 東宰申; Dae-Kwang Jung; 大光鄭; Jea-Hyuck Lee; 宰赫李; Juki Lee; 重基李; Teishaku Ri; 定錫李; Seong-Teak Hwang; 星澤黄; Junsai Go; 潤濟呉
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2004-12-09
Also published as: KR100520649B1; KR20040099924A; US7340173B2; US20040234265A1

Abstract

【課題】ファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器を提供する。
【解決手段】既定波長帯域の非干渉性光を出力する光源４１０と、光源から第１のポートに入力された非干渉性光を第２のポートに出力し、第２のポートに入力された光信号を第３のポートから出力するサーキュレータ４２０と、サーキュレータの第２のポートと連結された多重化ポート及び多数の逆多重化ポートを有し、非干渉性光を波長分割逆多重化して各逆多重化ポートに出力し、各逆多重化ポートに入力された多数のチャネルを波長分割多重化して多重化ポートに出力する導波路回折格子４３０と、逆多重化ポートのそれぞれに接続され、共振器を無反射層と高反射層とで挟んでなり、光注入の効率を高くし、反射光の影響を減少させることにより、波長ロック現象を容易にした多数のファブリ・ペロレーザ４４０〜４６０と、を備えてなる。
【選択図】図４Ａ

Description

本発明は波長分割多重方式の光送信器に関し、特にファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器に関する。

波長分割多重方式の光源に、分散帰還レーザアレイ（distributed feedback laser array：DFB laser array）、多波長レーザ（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・ペロレーザ（wavelength-locked Fabry-Perot laser with incoherent light）、反射型半導体光増幅器（reflective semiconductor optical amplifier：R-SOA）などが提案されている。最近に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（optical filter）、または導波路回折格子（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・ペロレーザ（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ている。

非干渉性光波長ロックファブリ・ペロレーザは、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）を装着してないファブリ・ペロレーザに注入して出力される波長ロックされた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・ペロレーザに注入される場合、ファブリ・ペロレーザ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出力する。反射型半導体光増幅器はスペクトル分割された非干渉性光を反射型半導体光増幅器に注入し、光増幅され出力される光信号を伝送に利用する。

分散帰還レーザアレイと多波長レーザは製作過程が複雑であり、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の素子である。スペクトル分割方式光源に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非常に広く、安価であるが、変調帯域幅と出力が低いので、下向き（下り）信号に比べて変調速度が低い上向き（上り）信号のための光源に適している。ファブリ・ペロレーザは低価の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にモード分割雑音（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、かつパルスの幅がpsにすぎないので実現しにくい。このような光源の代わりに光ファイバ増幅器で生成される増幅自然放出光（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、このような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LiNb03変調器のような高価の外部変調器を別に使用しなければならない。

非干渉性光波長ロックファブリ・ペロレーザは、ファブリ・ペロレーザ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・ペロレーザ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非干渉性光信号を注入すべきである。加えて、温度制御をしない場合に外部温度に変化があると、ファブリ・ペロレーザのモードが変わるようになり、これによって、ファブリ・ペロレーザ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しまい、波長ロックファブリ・ペロレーザ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。波長ロックファブリ・ペロレーザを波長分割多重方式光源として使用しようとすると、外部温度制御（TECCONTROLER）が必ず必要になり、これにより光源と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が要求され、加入者に高い経済的負担が求められるので、波長分割多重方式受動型光加入者網はまだ実用化されていない。従って、温度制御することなくファブリ・ペロレーザの波長ロック現象を利用する伝送方法が必要とされている。反射型半導体光増幅器は素子の製作過程が複雑であり、高価であるだけではなく変調速度の限界により実用化段階に達していない。

上述したように、従来に従う非干渉性光波長ロックファブリ・ペロレーザは、波長分割多重方式光源として多様な利点を有しているが、温度変化に敏感であるので、実用化しにくい問題がある。

本発明の目的は、温度変化にかかわらず要求される伝送特性を維持することができる経済的なファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、連結された外部導波路を通じて多数チャネルで構成された光信号を出力するための波長分割多重方式の光送信器において、既定波長帯域の非干渉性光を出力する光源と、この光源から第１のポートに入力された非干渉性光を第２のポートに出力し、第２のポートに入力された光信号を第３のポートから外部導波路に出力するサーキュレータと、このサーキュレータの第２のポートと連結された多重化ポート及び多数の逆多重化ポートを有し、その多重化ポートに入力された非干渉性光を波長分割逆多重化して各逆多重化ポートに出力し、各逆多重化ポートに入力された多数のチャネルを波長分割多重化して多重化ポートに出力する波長分割多重／逆多重化器と、この波長分割多重／逆多重化器の逆多重化ポートのそれぞれに接続され、共振器、逆多重化ポートと対向した共振器の一端部にコーティングされた無反射層、及び共振器の他端部にコーティングされた高反射層を有することで、光注入の効率を高くし、反射光の影響を減少させることにより、波長ロック現象を容易にしたファブリ・ペロレーザとを備えていることを特徴とする。

本発明に従う無反射層と高反射層を有したファブリ・ペロレーザを利用する波長分割多重方式の光送信器は、光注入の効率を高くし反射光の影響を減少させることにより、波長ロック現象をより容易にし、ファブリ・ペロレーザの波長ロック現象と光増幅現象を共に利用することにより、温度変化に無関係に伝送特性を維持することができ、また経済的に実現することができるとの利点がある。

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。

以下、図１乃至図３は本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図である。

図１Ａ及び図１Ｂは典型的なファブリ・ペロレーザ１００が非干渉性光が注入されることによって波長ロックされる現象を説明するための図である。図１Ａはファブリ・ペロレーザ１００のブロックダイアグラム（block diagram）を示し、図１Ｂは信号を示す。

ファブリ・ペロレーザ１００に注入される非干渉性光（Ａ）は、増幅自然放出光光源（Amplified spontaneous emission sources）で発生された後、スペクトル分割され比較的広い線幅を有する。ファブリ・ペロレーザ１００がしきい電流以上で駆動されるとき、一つ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（Ｂ）が現れる。

図示したように、注入された非干渉性光（Ａ）の波長と発振モード（Ｂ）のうち一つの波長が一致するので、波長一致した発振モードが増幅されると同時に、他のモードは抑制されることにより、既定チャネル（Ｃ）を出力するようになる。即ち、多波長光源であるファブリ・ペロレーザ１００が単一波長光源として動作するようになる波長ロック現象が現れるようになる。このような波長ロック現象を利用、即ち、注入される非干渉性光（Ａ）の波長を調整することにより、ファブリ・ペロレーザ１００から出力される波長ロックされたチャネル（Ｃ）を選択することができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、典型的な半導体光増幅器２００が、注入された非干渉性光（Ｄ）を増幅する現象を説明するための図である。図２Ａは半導体光増幅器２００のブロックダイアグラムを示し、図２Ｂは信号を示す。

半導体光増幅器２００は、非干渉性光（Ｄ）が入力される一端面の無反射層（antireflection coating layer）と、他端面の高反射層（high reflection coating layer）と、これら両端面間の共振器（laser cavity）を有し、共振器内の利得が反射層及び光入力端での光損失より大きく製作されることにより、非干渉性チャネル（Ｅ）を出力する。半導体光増幅器２００は注入された非干渉性光（Ｄ）を増幅することにより、同一波長の非干渉性チャネル（Ｅ）を出力する。

図３Ａ及び図３Ｂは、典型的なファブリ・ペロレーザ３００が、注入された非干渉性光（Ｆ）を増幅する現象を説明するための図である。図３Ａはファブリ・ペロレーザ３００のブロックダイアグラムを示し、図３Ｂは信号を示す。

ファブリ・ペロレーザ３００は複数の発振モード（Ｇ）を有しているが、ファブリ・ペロレーザ３００に注入される非干渉性光（Ｆ）の波長と一致する発振モードを有していない。このような場合に、波長ロック現象は現れず、光増幅現象が現れるようになる。即ち、ファブリ・ペロレーザ３００は、注入された非干渉性光（Ｆ）を増幅することにより、同一波長の非干渉性チャネル（Ｈ）を出力する。

本発明は上述したようなファブリ・ペロレーザの波長ロック現象と光増幅現象を利用することにより、温度変化により発振モードが変化しても要求される出力特性を維持するファブリ・ペロレーザを提供する。本発明に従うファブリ・ペロレーザは注入された非干渉性光の波長と一致する発振モードがある場合に波長ロックされたチャネルを出力し、注入された非干渉性光の波長と一致する発振モードがない場合に非干渉性チャネルを出力する。

図４Ａは本発明の望ましい実施形態に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器を示す図であり、図４Ｂは図４Ａに示したファブリ・ペロレーザの構成を示す図である。光送信器４００は、増幅自然放出光（ＡＳＥ）光源４１０と、サーキュレータ（Circulator：ＣＩＲ）４２０と、導波路回折格子４３２と、第１乃至第ｎファブリ・ペロレーザ４４０〜４６０とを備えている。

増幅自然放出光光源４１０は、既定波長帯域の非干渉性光（Ｉ）を出力するもので、増幅自然放出光を出力するエルビウム添加光ファイバ増幅器（erbium doped fiber amplifier：ＥＤＦＡ）を含むことができる。エルビウム添加光ファイバ増幅器は、エルビウム添加光ファイバと、エルビウム添加光ファイバをポンピングするためのポンプレーザダイオードとから構成される。

サーキュレータ４２０は、第１乃至第３ポート４２０−１〜４２０−３を備え、第１ポート４２０−１は光源４１０と連結され、第２ポート４２０−２は導波路回折格子４３０と連結され、第３ポート４２０−３は外部導波路４７０と連結される。このサーキュレータ４２０は、第１ポート４２０−１に入力された非干渉性光（Ｉ）を第２ポート４２０−２に出力し、第２ポート４２０−２に入力された光信号を第３ポート４２０−３に出力する。すなわち、サーキュレータ４２０はその上位ポートに入力された光を隣接した下位ポートに出力するように構成される。

導波路回折格子４３０は、一つの多重化ポート（multiplexing port：ＭＰ）４３１と第１乃至第ｎ逆多重化ポート（demultiplexing port：ＤＰ）４３２〜４３４とを備え、多重化ポート４３１はサーキュレータ４２０の第２ポート４２０２と連結され、第１乃至第ｎ逆多重化ポート４３２〜４３４は第１乃至第ｎファブリ・ペロレーザ４４０〜４６０と一対一連結される。導波路回折格子４３０は、多重化ポート４３１に入力された非干渉性光（Ｉ）を波長分割逆多重化し、波長別に逆多重化した各非干渉性光（Ｊ）を該当逆多重化ポート４３２〜４３４に出力する。また、導波路回折格子４３０は、第１乃至第ｎ逆多重化ポート４３２〜４３４に入力された第１乃至第ｎチャネル（Ｋ）を波長分割多重化し、多重化光信号（Ｌ）を多重化ポート４３１に出力する。

第１乃至第ｎファブリ・ペロレーザ４４０〜４６０は、導波路回折格子４３０の第１乃至第ｎ逆多重化ポート４３２〜４３４と一対一連結される。第１乃至第ｎファブリ・ペロレーザ４４０〜４６０はそれぞれ、注入された非干渉性光（Ｊ）の波長と一致する発振モードがある場合には波長ロックされたチャネル（Ｋ）を出力し、注入された非干渉性光の波長と一致する発振モードがない場合には非干渉性光を増幅したチャネル（Ｋ）を出力する。

第１乃至第ｎファブリ・ペロレーザ４４０〜４６０は全て同一の構成を有するので、第ｎファブリ・ペロレーザ４６０の構成を図４Ｂを参照して説明する。

第ｎファブリ・ペロレーザ４６０は、既定利得を有する共振器４６１と、第ｎ逆多重化ポート４３４と対向する共振器４６１の一端にコーティングされた無反射層４６２と、これと反対側の共振器４６１の他端にコーティングされた高反射層４６３と、から構成されている。無反射層４６２は、０．１〜３０％範囲の反射率を有し、高反射層４６３は７０〜１００％範囲の反射率を有する。低い反射率を有する無反射層４６２を設けることにより、第ｎファブリ・ペロレーザ４６０は下記のような利点を有する。

一番目、無反射層４６２で反射される非干渉性光のパワーが小さいので、入射された非干渉性光が共振器４６１内に結合される効率が高くなって、波長ロックに要求される非干渉性光の強さが小さくて良い。従って、安価のＡＳＥ光源を使用できるようになる。

二番目、第ｎファブリ・ペロレーザ４６０で反射される非干渉性光は雑音として作用するようになるが、無反射層４６２を使用することにより、このような雑音を最小化し、第ｎファブリ・ペロレーザ４６０の消光比（extinction ratio）を増加させるようになる。

三番目、波長ロック現象の代わりに光増幅現象が発生するとき、無反射層４６２での光損失が低減されることにより増幅効率が高くなり、全体的には温度変化による発振モードの変化と無関係に伝送特性を維持することができる。

四番目、無反射層４６２は高反射層４６３と共に、無反射層４６２への出力比率を高くすることにより、高反射層４６３での光損失を低減する。無反射層４６２の反射率は典型的な半導体光増幅器の無反射層の反射率と比較するとき、より大きな値を有する。半導体光増幅器の場合には共振器内の発振現象（lasing）を抑制するために、無反射層で０．１％以下の反射率が要求される。これを具現するために、通常的に使用される方法は、工程上の複雑性を伴う傾けた導波路（tilted waveguide）構造を具現すると共に、その一端に精密な多層の無反射コーティングをするものである。これに対して、第ｎファブリ・ペロレーザ４６０は共振器４６１内の発振現象を抑制する必要がないので、一般的な導波路構造を有し、相対的に簡単な無反射コーティングを通じて容易に具現することができる。

以下、図５乃至図１１Ｂを参照して、図４Ａに示された光送信器４００の作動原理を説明する。

図５は導波路回折格子４３０の第１逆多重化ポート４３２から第１ファブリ・ペロレーザ４４０に進行する非干渉性光（Ｊ）のスペクトルを示す。この非干渉性光の３ｄＢ線幅は導波路回折格子４３０の出力特性によって決定され、通常、導波路回折格子４３０のチャネル間隔の４０％程度に該当する。

図６Ａ乃至図８Ｂは、第１ファブリ・ペロレーザ４４０から導波路回折格子４３０の第１逆多重化ポート４３２に進行する第１チャネル（Ｋ）の周辺温度変化に応じたスペクトル変化を示す。図６Ａ乃至図８Ｂは順に、周辺温度が２２℃、２５℃、２８℃、３１℃、３４℃、３７℃である場合を示す。

第１ファブリ・ペロレーザ４４０は、温度変化に応じて発振モードの波長が大略０．１nm／℃の変化率を有する。この時、第１ファブリ・ペロレーザ４４０に入力される非干渉性光（Ｊ）の波長は固定されている。このような周辺温度変化に応じたスペクトルはそれぞれ非干渉性光（Ｊ）のスペクトルと発振モードのスペクトルが重なることにより現れる。周辺温度が３１℃付近である場合に波長ロック現象が現れ、周辺温度が２５℃または３７℃付近である場合では波長ロックの代わりに光増幅現象が発生することが分かる。

図９Ａ乃至図１１Ｂは、第１ファブリ・ペロレーザ４４０で出力された後、導波路回折格子４３０及びサーキュレータ４２０を順に経て外部光ファイバ４７０内に進行する第１チャネル（Ｌ）の周辺温度変化に応じたスペクトル変化を示す。図９Ａ乃至図１１Ｂは順に周辺温度が２２℃、２５℃、２８℃、３１℃、３４℃、３７℃である場合を示す。図１０Ｂでは波長ロックされた第１チャネル（Ｌ）のスペクトルを見ることができ、図９Ｂまたは図１１Ｂでは非干渉性第１チャネル（Ｌ）のスペクトルを見ることができる。

本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図。本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図。本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図。本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図。本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図。本発明に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器の基本的な原理を説明するための図。本発明の望ましい実施形態に従うファブリ・ペロレーザを利用した波長分割多重方式の光送信器を示す図。図４Ａ中のファブリ・ペロレーザを示す図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。図４Ａに示された光送信器の作動原理を説明するための図。

符号の説明

４１０増幅自然放出光（ＡＳＥ）光源（非干渉性光光源）
４２０サーキュレータ
４３０導波路回折格子（波長分割多重／逆多重化器）
４４０ファブリ・ペロレーザ

Claims

連結された外部導波路を通じて多数チャネルで構成された光信号を出力するための波長分割多重方式の光送信器において、
既定波長帯域の非干渉性光を出力する光源と、
前記光源から第１のポートに入力された非干渉性光を第２のポートに出力し、第２のポートに入力された光信号を第３のポートから前記外部導波路に出力するサーキュレータと、
前記サーキュレータの第２のポートと連結された多重化ポート及び多数の逆多重化ポートを有し、その多重化ポートに入力された非干渉性光を波長分割逆多重化して各逆多重化ポートに出力し、各逆多重化ポートに入力された多数のチャネルを波長分割多重化して多重化ポートに出力する波長分割多重／逆多重化器と、
前記波長分割多重／逆多重化器の逆多重化ポートのそれぞれに接続され、共振器、前記逆多重化ポートと対向した前記共振器の一端部にコーティングされた無反射層、及び前記共振器の他端部にコーティングされた高反射層を有した多数のファブリ・ペロレーザと、を備え、
光注入の効率を高くし、反射光の影響を減少させることにより、波長ロック現象を容易にした前記ファブリ・ペロレーザを利用することを特徴とする光送信器。
ファブリ・ペロレーザの無反射層は０．１〜３０％範囲の反射率を有する請求項１記載の光送信器。
各ファブリ・ペロレーザは、注入された非干渉性光の波長と一致する発振モードがある場合に、波長ロックされた光信号を出力する請求項１記載の光送信器。
ファブリ・ペロレーザの高反射層は７０〜１００％の反射率を有する請求項２記載の光送信器。
各ファブリ・ペロレーザは、注入された非干渉性光の波長と一致する発振モードがない場合に、注入光を増幅した光信号を出力する請求項３記載の光送信器。
光源は、既定波長帯域の非干渉性光を生成するための増幅自然放出光光源を含む請求項１記載の光送信器。
増幅自然放出光光源は、増幅自然放出光を生成するためのエルビウム添加光ファイバ増幅器からなる請求項６記載の光送信器。
エルビウム添加光ファイバ増幅器は、エルビウム添加光ファイバを含む請求項７記載の光送信器。
エルビウム添加光ファイバ増幅器は、エルビウム添加光ファイバをポンピングするためのポンプレーザーダイオードをさらに含む請求項８記載の光送信器。
各ファブリ・ペロレーザは、温度変化に応じて発振モードの波長が０．１nm／℃の変化率を有する請求項１記載の光送信器。
各ファブリ・ペロレーザは、周辺温度が３１℃前後である場合に、波長ロック現象が発生する請求項１０記載の光送信器。
各ファブリ・ペロレーザは、周辺温度が２５℃または３７℃となった場合に、光増幅現象が発生する請求項１１記載の光送信器。
各ファブリ・ペロレーザは、既定利得を有する共振器を無反射層と高反射層とで挟んでなる請求項３載の光送信器。
ファブリ・ペロレーザは、消光比が増加するにつれて雑音が減少する請求項１３記載の光送信器。
波長分割多重／逆多重化器は導波路回折格子である請求項３記載の光送信器。
非干渉性光の３ｄＢ線幅が導波路回折格子のチャネル間隔の４０％に該当する請求項１５記載の光送信器。