JP2005077588A - 波長選択方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＷＤＭ光通信などのように複数の複数の波長を含む光波から特定の波長の光波を選択し導出する際に、高速な波長選択が可能であると共に、装置の複雑化を抑制した波長選択方法及びその装置を提供すること。
【解決手段】
複数の波長を含む光波を入射する波長変換素子２と、該波長変換素子から出射する光波を入射する波長選択フィルター３と、該波長選択フィルターからの透過光または反射光を導出する部材とを有することを特徴とする波長選択装置である。特に、該波長変換素子がＳＳＢ変調器であることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、波長選択方法及びその装置に関し、特に、複数の波長を含む光波から特定の波長の光波を選択し導出するための波長選択方法及びその装置に関する。

光通信分野においては、通信情報の大容量化や通信速度の増大に伴ない、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）光通信が注目されている。
ＷＤＭ光通信においては、複数の異なる波長光を重ね合わせて伝送すると共に、該伝送された光信号から必要な波長光を分離・検出することが必要となる。

複数の波長が混在した光信号から、特定の波長を選択し、光検出器に導出する方法としては、以下の特許文献１のように、光信号の光路上に複数の波長選択フィルターを配置し、該フィルターを透過する特定波長光を各光検出器に導出する方法や、特許文献２のように、回折格子を用いて光信号の回折方向を波長毎に異なるよう構成し、これらの回折光を複数の検出器（フォトディテクタ・アレイ）で検出する方法などが知られている。
特開２００１−２０１６５５号公報 特開２０００−１７１６６０号公報

このような波長選択フィルターを用いる方法では、選択すべき波長の種類に応じて複数のフィルターを準備する必要がある上、選択された各波長に対応して複数の光検出器を備える必要があるため、選択可能な波長の数が限られ、装置も複雑化するという欠点を有する。
また、上述した回折格子の場合においても、複数の光検出器を必要とするだけでなく、回折格子と光検出器との空間光学系を確保するため、装置が大型化すると共に、各光学部品の位置決めなども煩雑化するなどの欠点を有する。

他方、光通信システムにおける周波数利用効率の増大や非線形効果耐性の増大（長距離化）などの課題を解消するため、本出願人は、以下の非特許文献１のように、単側波帯（Single Side−Band、ＳＳＢ）変調器を提案してきた。
論文「ＸカットＬｉＮｂＯ３を用いた光ＳＳＢ−ＳＣ変調器」（日隈薫、他４名、ｐ．１７〜２１、「住友大阪セメント・テクニカルレポート ２００２年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成１３年１２月８日）

ＳＳＢ変調器の動作原理について説明する。
図１は、ＳＳＢ変調器、特にキャリア抑圧光単側波帯（Single Side−Band with Suppressed Carrier、ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の光導波路を模式的表した図である。
ＬｉＮｂＯ_３などの電気光学効果を有する基板上にＴｉなど拡散して図１のような光導波路を形成する。該光導波路は、２つのサブＭＺ（Mach−Zehnder）導波路ＭＺＡ、ＭＺＢがメインＭＺ導波路ＭＺＣの各アームに並列に配置された入れこ型のＭＺ構造を有している。
ＲＦＡ、ＲＦＢは、サブＭＺ導波路ＭＺＡ、ＭＺＢにマイクロ波の変調信号を印加するための進行波型コプレナー電極を簡略化して図示したものである。また、ＤＣＡ、ＤＣＢはサブＭＺ導波路ＭＺＡ、ＭＺＢに、ＤＣＣはメインＭＺ導波路ＭＺＣに、所定の位相差を付与するための直流電圧を印加する位相調整用電極を簡略化して図示したものである。

図１の動作を説明する前に、キャリア抑圧をしないＳＳＢ変調器の原理について説明する。ＳＳＢ変調技術は無線通信領域で活用されている技術であり、原信号とヒルベルト変換された原信号の和をとることにより、ＳＳＢ変調信号が得られることが知られている。
キャリア抑圧をしない光ＳＳＢ変調を実行するためには、図２のようなデュアル駆動の単独ＭＺ変調器（Ｚカット基板を利用した例を図示する。）を用いれば良い。
入射光をｅｘｐ（ｊωｔ）として、単一周波ＲＦ信号φｃｏｓΩｔをＲＦＡポートから、また、この信号をヒルベルト変換した信号、Ｈ［φｃｏｓΩｔ］＝φｓｉｎΩｔをＲＦＢポートからそれぞれ同時に入力する。
ｓｉｎΩｔ＝ｃｏｓ（Ωｔ−π／２）であるから、マイクロ波用の移相器を利用することにより、２つの信号を同時に供給できる。ただし、φは変調度、ω、Ωはそれぞれ光波とマイクロ波（ＲＦ）信号の各周波数を表す。
さらにＤＣＡポートから適当なバイアスを加えて、ＭＺ導波路の両アームを透過する光波に位相差π／２を付与する。

これらにより、合波地点での光波の位相項に着目した式は、以下の式（１）で表される。
exp(ｊωｔ)＊｛exp(ｊφcosΩｔ)＋exp(ｊφsinΩｔ)＊exp(ｊπ／2)｝
＝2＊exp(ｊωｔ)＊｛Ｊ_０(φ)＋ｊ＊Ｊ_１(φ)exp(ｊΩｔ)｝・・・（１）
ここで、Ｊ_０、Ｊ_１は、０次、１次のベッセル関数であり、２次以降の成分は無視している。
式（１）のように、０次と１次のスペクトル成分は、残存しているが、−１次成分（Ｊ_−１）は失われている（これを、模式的に示すと、図２のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
また、−１次成分（Ｊ_−１）を残し、１次成分（Ｊ_１）を消去するには、ＤＣＡポートに位相差−π／２を付与するバイアスを印加を行うことで達成できる。

次に、キャリア抑圧光単側波帯（ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の場合には、図１に示すように、単独ＭＺ干渉系の両アームに、サブＭＺ干渉系を備えた設計になっている。
このサブＭＺ導波路には、図３に示すようような信号を印加する。これは、通常の強度変調をボトム駆動で行っている場合と同じ状況と考えて良い。
このとき、出射光の位相項に着目した式は、次の式（２）により表される。
exp(ｊωｔ)＊｛exp(ｊφsinΩｔ)＋exp(−ｊφsinΩｔ)＊exp(ｊπ)｝
＝2＊exp(ｊωｔ)＊｛Ｊ_−１(φ)exp(−ｊΩｔ)＋Ｊ_１(φ)exp(ｊΩｔ)｝・・・（２）
これにより、キャリア成分を含む偶数次のスペクトル成分がキャンセルされていることが分かる（これを、模式的に示すと、図３のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。

そして、上述したＳＳＢ変調（式（１）、図２に示した変調方式）とサブＭＺでのキャリア抑圧手法（式（２）、図３で示した変調方式）とを組み合わせることにより、１次スペクトル（Ｊ_１項）、−１次スペクトル（Ｊ_−１項）のいずれかのみを選択的に発生させることが可能となる。
Ｊ_１で表される１次スペクトル光の周波数は、ω＋Ωであり、Ｊ_−１で表される−１次スペクトル光の周波数は、ω−Ωとなる。これは、ＳＳＢ変調器に入射する光（周波数ω）を、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数（Ω）分だけ、波長シフトさせて、出射光（周波数ω±Ω）として放出することを意味する。
このように、ＳＳＢ変調器は、光波の波長変換器として利用でき、特に、ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、０次スペクトルの発生を抑え、１次又は−１次のスペクトルを効率よく発生させることが可能となる。

本発明の目的は、上述したＷＤＭ光通信などのように複数の波長を含む光波から特定の波長の光波を選択し導出する際に、高速な波長選択が可能であると共に、装置の複雑化を抑制した波長選択方法及びその装置を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、複数の波長を含む光波から特定の波長の光波を選択し導出するための波長選択方法において、複数の波長を含む光波を所定量だけ波長シフトするための波長変換手段と、該波長変換手段により波長シフトされた光波から所定の波長のみ透過または反射させる波長選択手段とを用いたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明では、請求項１に記載の波長選択方法において、該波長変換手段による光波の波長シフト量は、該波長選択手段が透過または反射させる波長間隔以下であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の波長選択方法において、該波長変換手段に入射する光波の波長は、該波長選択手段が透過または反射させる波長間に少なくとも１つ以上のピーク波長を有することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、複数の波長を含む光波を入射する波長変換素子と、該波長変換素子から出射する光波を入射する波長選択フィルターと、該波長選択フィルターからの透過光または反射光を導出する部材とを有することを特徴とする波長選択装置である。

また、請求項５に係る発明では、請求項４に記載の波長選択装置において、該波長変換素子がＳＳＢ変調器であることを特徴とする。

請求項１に係る発明により、波長変換手段と波長選択手段とを用いて選択波長を決定することが可能であり、具体的には、波長選択手段であるフィルターが少なくとも一つあれば、複数の波長を含む光波を、波長変換手段により波長シフトさせることにより、光波に含まれる任意の波長を、該フィルターにより透過または反射させることが可能となる。このため、従来のように選択された波長に対応するフィルターや光検出器を複数配置する必要もなく、また状況に応じて任意に波長の選択が可能となり、装置の複雑化や装置全体の大型化を抑制することが可能となる。

請求項２に係る発明により、波長選択手段が透過または反射させる波長を複数有する場合には、波長変換手段による波長シフト量は、透過または反射させる波長の間隔以下とすることが可能であり、波長変換手段に過大な負荷を与えずに、効率的な波長選択が可能となる。

請求項３に係る発明により、光波に含まれる複数の波長の内、波長選択手段が透過または反射させる波長間に、少なくとも１つ以上のピーク波長が配置されるように構成することにより、例えば、波長変換手段に入射する光波に含まれる複数の波長に、波長の昇順または降順に順番を付与した場合、特定倍数の順番の波長のみを、透過または反射する波長として、選択することが可能となる。

請求項４に係る発明により、波長変換素子と波長選択フィルターとを用いることで、容易に選択波長を決定することが可能であり、特に、波長変換素子により、光波に含まれる波長を、波長選択フィルターの波長特性に合わせて調整するだけで、選択すべき波長を容易に変更することが可能となる。このため、従来のように選択される波長毎にフィルターや光検出器を配置する必要がなく、装置の複雑化や装置全体の大型化を抑制することが可能となる。
また、選択された波長は、透過光または反射光を導出する部材により、波長選択装置の内外に導出できるため、例えば、光検出器の配置場所の自由度を向上させたり、また、選択された波長のみを抽出して、別途送信するなど、波長選択装置の設計の自由度や高めると共に、該装置の用途を拡大することが可能となる。

請求項５に係る発明により、波長変換素子としてＳＳＢ変調器を用いることにより、複数の波長を有する光波を、高速に波長シフトすることが可能となる。このため、高速な波長選択が可能となる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図４は、本発明に係るＳＳＢ変調器を用いた波長選択装置の一実施例を示す概略図である。
１は、光合成部材であり、複数の波長λ_１、λ_２、・・・λ_ｎの光信号を合成し、多重光信号５を生成する。光合成部材１の例としては、複数の光ファイバーや導波路を直接結合させるものや、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）などがある。
多重光信号５は、光ファイバーなどの伝送媒体により伝達され、受信側に配置された、波長変換素子などで構成される波長選択装置に入射される。

２は、多重光信号５の波長を所定波長だけ波長シフトさせるための波長変換素子である。本発明においては、高速に波長変換させるためにはＳＳＢ変調器を用いるのが望ましい。仮に、波長変換素子における波長シフト量をδλとすると、波長変換素子から出射される光波６には、多重光信号に含まれる波長λ_１、λ_２、・・・λ_ｎをδλだけ波長シフトしたλ_１＋δλ、λ_２＋δλ、・・・λ_ｎ＋δλが含まれている。波長シフト量は、上述したように、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波信号の周波数Ωを変更することにより、容易に調整可能である。

３は、特定の波長のみを透過または反射させる波長選択フィルターである。波長選択フィルター３としては、エタロンや、ファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）など、当該技術分野において周知の技術を用いることが可能である。
波長選択フィルター３が、特定波長を透過させるフィルターである場合には、光波６に含まれる波長λ_１＋δλ、λ_２＋δλ、・・・λ_ｎ＋δλの内、該特定波長に合致する波長のみが透過光７として、それ以外の波長光は反射光８として、選別されることとなる。
また、波長選択フィルター３が、特定波長を反射させるフィルターである場合には、光波６に含まれる波長の内、該特定波長に合致する波長のみが反射光８として、それ以外の波長光は透過光７として、選別される。

透過光７または反射光８は、必要に応じて、不図示の光サーキュレータ、レンズ、ミラー、又は光ファイバーなどの光学部品で構成される光導出部材により、波長選択装置の内外に導出される。導出された光波が光検出器に入射される場合には、該特定波長の光波は電気信号に復元されることとなる。また、導出された光波は、波長選択装置の外部に光信号として伝送したり、他の波長選択装置に入射し、再度、波長選択するように構成することも可能である。

次に、波長選択フィルター３により選択される特定波長が複数存在し、該特定波長の間に、多重光信号に含まれる波長λ_１、λ_２、・・・λ_ｎが複数存在する場合について説明する。
図５は、波長選択フィルター３による透過率の波長依存性（ピーク透過波長をａ_１，ａ_２，ａ_３で示す）と、多重光信号に含まれる波長λ_１、λ_２、・・・λ_ｎとの関係を示す一例である。波長選択フィルターのピーク透過波長ａ_１とａ_２との間、またはａ_２とａ_３との間に、波長λ_１とλ_２、またはλ_３とλ_４の二つの波長が存在している。

また、ピーク透過波長ａ_１とａ_２（あるいはａ_２とａ_３）との透過波長間隔をΛとし、この透過波長間隔Λを与える周波数をＦとする。また、多重光信号に含まれる波長λ_１とλ_２（あるいは、λ_２とλ_３、またはλ_３とλ_４）との入射波長間隔λとし、この入射波長間隔λを与える周波数をｆとする。
そして、ＳＳＢ変調器により波長シフトされる波長シフト量をδλとし、この波長シフト量δλを与える周波数をδｆとする。

上述したΛ、λ、及びδλとの関係を、Λ＝２λ≧４δλとすると、ＳＳＢ変調器を動作させていない状態においては、多重光信号の波長λ_１，λ_２，λ_３，λ_４のいずれも透過波長ａ_１，ａ_２，ａ_３に合致していないため、透過光は存在しないが、ＳＳＢ変調器により多重光信号の波長をδλだけ、図５に示すようにシフトさせた場合には、λ_１のシフト波長と透過波長ａ_１が、またλ_３のシフト波長と透過波長ａ_２が合致し、λ_１及びλ_３に該当する光波は、波長選択フィルターを透過し、λ_２及びλ_４は該フィルターにより反射されることとなる。
さらに、図５に示す方向とは逆方向に波長をシフトさせた場合には、λ_２とλ_４が透過光となり、λ_１とλ_３が反射光となる。図５と同方向でもδλより大きく、波長シフトする場合には、λ_２とλ_４を透過光となるよう調整することも可能である。

図５のように、多重光信号に含まれる波長の内、奇数番号の波長のみ、または偶数番号の波長のみを選択的に透過させることが可能となる。このような波長選択装置は、「インターリーバ」として知られているものである。
また、図５では、ピーク透過波長間隔内に２つの入射波長が存在する場合を説明したが、これに限らず、３以上の入射波長が配置されるよう構成することも可能であり、その場合には、例えば、Λ＝３λとなるよう設定することにより、多重光信号の波長の順番が３の倍数又は３の倍数±１の番号に該当する波長のみを、選択的に透過させることも可能となる。

図６は、具体的な実験例を示すグラフである。
ＳＳＢ変調器を利用した波長選択装置に、多重光信号として波長１５４５．３１ｎｍと１５４５．３７ｎｍの光波（入射波長間隔は０．０６ｎｍであり、これに該当するｆは７．５ＧＨｚである）を入射させる。
次に、ＳＳＢ変調器には、マイクロ波周波数δｆ＝３．７５ＧＨｚ（波長シフト量δλ＝０．０３ｎｍに相当する）を印加する。そして、ＳＳＢ変調器から出射した光波を、透過波長１５４５．２８ｎｍと１５４５．４０ｎｍにピーク透過波長（透過波長間隔は０．１２ｎｍであり、これに該当するＦは１５ＧＨｚである）を有する波長選択フィルターであるＦＢＧに入射させる。

図６のグラフは、波長選択フィルターの透過光に関し、波長に対する光強度を測定したものである。波長シフト前後の透過スペクトルと、ＦＢＧの透過特性（波長依存性）を示している。
図６のグラフから、波長シフト前には多重光信号に含まれる２つの波長が、共に反射帯域に属していたのに対し、波長シフト後では、１つの波長のみ透過帯域にシフトしていることが理解される。

以上、説明したように、本発明の波長選択方法及びその装置を用いることにより、ＷＤＭ光通信などのように複数の複数の波長を含む光波から特定の波長の光波を選択し導出する際に、高速な波長選択が可能であると共に、装置の複雑化を抑制した波長選択方法及びその装置を実現することが可能となる。
しかも、ＳＳＢ変調器は、高い精度で波長変換することが可能であることから、波長シフトによる選択波長の切り替えを正確に実施することができる。しかも、仮に、波長選択フィルターが設計の選択波長からズレている場合でも、ＳＳＢ変調器に印加されるマイクロ波周波数を調整することにより、容易に適正値へ補正することも可能である。

本発明に係るＳＳＢ変調器の概略図。 ＳＳＢ変調器のメインＭＺ導波路の役割を示す図。 ＳＳＢ変調器のサブＭＺ導波路の役割を示す図。 本発明の波長選択装置の第１の実施例を示す図。 本発明に係る波長選択のようすを説明する図。 本発明に係る実験結果を示すグラフ。

符号の説明

１ 光合成部材
２ ＳＳＢ変調器
３ 波長選択フィルター

Claims (5)

1. 複数の波長を含む光波から特定の波長の光波を選択し導出するための波長選択方法において、複数の波長を含む光波を所定量だけ波長シフトするための波長変換手段と、該波長変換手段により波長シフトされた光波から所定の波長のみ透過または反射させる波長選択手段とを用いたことを特徴とする波長選択方法。
2. 請求項１に記載の波長選択方法において、該波長変換手段による光波の波長シフト量は、該波長選択手段が透過または反射させる波長間隔以下であることを特徴とする波長選択方法。
3. 請求項１又は２に記載の波長選択方法において、該波長変換手段に入射する光波の波長は、該波長選択手段が透過または反射させる波長間に少なくとも１つ以上のピーク波長を有することを特徴とする波長選択方法。
4. 複数の波長を含む光波を入射する波長変換素子と、該波長変換素子から出射する光波を入射する波長選択フィルターと、該波長選択フィルターからの透過光または反射光を導出する部材とを有することを特徴とする波長選択装置。
5. 請求項４に記載の波長選択装置において、該波長変換素子がＳＳＢ変調器であることを特徴とする波長選択装置。
   

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