JP2005510773A - 複数の波長可変レーザ光源を多重伝送する際の光学的損失を最小限に抑えるための方法および装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、一般に異なる波長の複数のレーザ光源からの光信号を結合する際に、光損失を最小限に抑え、上記の光源が波長可変または非波長可変である方法および光信号装置について記載している。

Description

本発明は、複数のレーザ光源からの光信号を結合する際の光学的損失を最小限に抑え、上記の光源が波長可変または非波長可変である方法および光信号装置に関する。
Ｎ個の波長可変レーザを結合することは、今日、スイッチおよび固定マルチプレクサ、またはＳステージを有する二分木に配置されたＮ−１個の２×１コンバイナのツリーであってもよい広帯域コンバイナのいずれかを備えることによって実現される(２S＝Ｎ)。
波長分割多重化（ＷＤＭ）システムにおいて固定レーザを結合することは、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）、エシェル格子または薄膜フィルタのアレイなどの固定フィルタ機能を用いて実現される。このような実現方法において、光源とフィルタ入力部との間の固定物理接続が、図１に示されているように形成される。このような実現方法において、各光信号が固定した所定の波長で搬送されるときに光信号の結合が行われる。信号の波長が異なるＷＤＭチャネルに対応する別の波長に変換される場合には、上記の信号はコンバイナで加算されず、伝送経路から出る。したがって、この結合方法は、光信号の波長を動的に変化することができる波長可変レーザと共に利用可能ではない。
ＷＤＭシステムにおいて波長可変レーザの光信号を結合することは、以下の方法の１つで実現される。
ＯＸＣアンド・固定フィルタと呼ばれる１つの方法では、図２に示されているように、波長可変レーザと固定マルチプレクサ（ＭＵＸ）との間を接続するために、Ｍ×Ｎ光クロスコネクト（ＯＸＣ）スイッチを用いることができる。
上記の実現方法において、
・拡張性――Ｍはシステムにおいて用いられる波長可変レーザの数を表し、ＮはＷＤＭシステムのアクセス可能なチャネルの数である。ポート数またはアクセス可能なチャネルの数のいずれかを増減することは、物理的な再構成が必要である。
・コスト――Ｍ×Ｎ光クロスコネクトおよび固定フィルタ装置またはアレイをあわせたコストは、この実現方法をコストのかかるものにする。
・挿入損失、偏光依存損失（ＰＤＬ）および他の依存による性能の劣化
が考えられる。
受動カプラと呼ばれる第２の方法では、複数の受動カプラを結合することは、図３に示されているような広帯域（本質的に波長に依存しない）カプラを用いて実現されることができる。搬送波長または信号の振幅を考慮することなく、単独の物理媒体でＭ個の光信号を結合する場合、結果として生じる出力パワーは、以下のように表現される。
出力パワー＝Σλ（ｉ）／Ｍ 式１
式中、λ（ｉ）は、各光源からの光パワーレベルである。
２つの上記の実現方法において、すべてのチャネルにおける光パワーレベルを均等化するために、多重化に加えて、負荷バランシング（または光信号のパワーレベルの均等化）操作が用いられることが多い。上記の操作は、最小のパワーレベルと信号の伝送される光パワーレベルを整合させるために、より高い光パワーを有する個別のチャネルを減じることによって実現され、さらなる信号パワーの損失を生じる。
さまざまなシステム用途（保護スイッチングまたは容量の提供など）において、それぞれ用いられる光源に加えて、別の光源が利用可能であるが、１つまたは複数の別の光源が常に励起されているわけではない。上記の追加光源の存在により、コンバイナに多数の分岐を生じ、式１で述べた因子によって利用可能な光パワーを減少させる。図４は、受動カプラを有する１：１保護リングの例を示しており、光源の各組のうちの一方が直ちに動作中である。この例において、２つの光源組（λ１Ａ／λ１Ｂおよびλ２Ａ／λ２Ｂ）が、（それぞれλ１およびλ２で）存在し、動作中の光源λ１Ａ，λ２Ａはそれぞれ０．８ｍＷおよび１ｍＷの光パワーレベルを有する。この実施形態において、コンバイナの出力パワーは、λ１で０．２ｍＷであり、λ２で０．２５ｍＷに等しい。λ２は一般的に、チャネルの負荷バランシングのために０．２ｍＷまでさらに減衰される。
米国特許公報（特許文献１）は、レーザダイオードからの光パワーをコヒーレントレーザビームに結合するためのレーザダイオードのアレイに操作可能に結合される色素レーザを具備するレーザダイオードパワーコンバイナを開示している。
米国特許公報（特許文献２）は、光ポンプ増幅器と共に用いるのに適した光マルチプレクサを開示している。
米国特許第５，９６４，６７７号明細書 米国特許第５，７３７，４５９号明細書
本発明は、本質的に最も弱い光信号発明のパワーまですべての光信号のパワーレベルを減衰させることからなり、一般的に異なる波長の複数の波長可変レーザ光源からの光信号を結合する際の光学的損失を最小限に抑える方法および光信号装置に関する。１つの方法は各光源からの光信号の一部を結合する工程を伴い、上記の部分は一般的に相対的な光パワーレベルに反比例する。別の方法は、本質的に過度の損失がない状態で、各光源からの光信号の総和を加算する工程、または本質的に過度の損失がない状態で、すべての光信号のパワーレベルを最も弱い信号のパワーレベルに均等化する工程を伴う。
レーザ光源からの複数の光信号を結合する１つの方法は、上記のレーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、本質的に過度の損失がない状態で実現され、上記の方法は、上記の光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラまたはマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを含む。
真上の方法において有用な光信号装置は、動的にバランス可能なコンバイナを具備し、上記のコンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含む。
レーザ光源からの複数の光信号を結合する第２の方法は、上記レーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、すべての光信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させ、本質的に過度の損失がない状態を実現し、上記の方法は、上記の光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、ＭＭＩカプラ、スターカプラ、方向性カプラまたはＭＺＩからなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを含む。
真上の方法において有用な光信号装置は、動的にバランス可能なコンバイナを具備し、上記のコンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含み、さらに、上記のレーザ信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させることができると同時に、本質的に過度の損失がない状態を実現する。
レーザ光源からの複数の光信号を結合する第３の方法は、上記のレーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、すべての光信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させ、上記の方法は、上記の光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、ＭＭＩカプラ、スターカプラ、方向性カプラまたはＭＺＩからなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを含む。
真上の方法において有用な光信号装置は、動的にバランス可能なコンバイナを具備し、上記のコンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含み、さらに、上記のレーザ信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させることができる。
レーザ光源からの複数の光信号を結合する第４の方法は、上記のレーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、すべての光信号のパワーレベルをＭによって割られる最も弱い光信号のパワーレベルより大きいレベル、かつ最も弱い光信号のパワーレベルより小さいレベルまで減衰させ、上記の方法は、上記の光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、ＭＭＩカプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびＭＺＩからなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを含む。
真上の方法において有用な光信号装置は、動的にバランス可能なコンバイナを具備し、上記のコンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのＭ個のレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含み、さらに、上記のＭ個のレーザ信号のパワーレベルをＭによって割られる最も弱い光信号のパワーレベルより大きいレベル、かつ最も弱い光信号のパワーレベルより小さいレベルまで減衰させることができる。
本発明の第１の実施形態において、方法は複数のレーザ光源からの光パワーの百分率を測定して結合することについて説明し、上記の百分率が従来の設計の百分率より大きく、コンバイナから出るすべての光信号の光パワーが本質的に等しい。
この設計は、図５に示されている。
Ｋは、入力λ（ｉ）チャネルのそれぞれを動的に増減するために用いられる係数行列である。
パワーレベルにおいて２０％の差がある図５の例において、動的なコンバイナの利用によって、従来のコンバイナに比べて１５０％の効率の改善を図ることができる。
図５に示された実施形態の実際的な実現例は、ＯＮ状態およびＯＦＦ状態の間で動作可能な反転型１×２ Ｙ分岐光スイッチに基づく２×１ 動的にバランス可能なコンバイナのツリーであろう。図６は、４×１コンバイナの場合のこのような実現を示している。
２つの入力アームおよび１つの出力アームを有する２×１ Ｙ分岐に基づく２×１ 動的にバランス可能なコンバイナの動作の原理を示している例は、たとえば作動機構が熱光学効果である場合、経路指定が熱を印加して、材料の屈折率を変化させることによって実現される場合およびＹ分岐ポリマーから構成される場合であり、負の熱光学係数を有する材料とは、温度が増大するにつれて屈折率が減少する材料を指す。２つの抵抗金属ヒータがＹ分岐上の各入力アームの付近に１つずつ作製される。電力がヒータに印加されていないときには、各アームの光の本質的に５０％が出力アームから出る。電力が１つの出力アームのヒータに印加されるときには、上記のアームが加熱され、その屈折率が減少し、作動中のアームの光の５０％未満が出力アームから出るのに対し、５０％を超える非作動中のアームの光が出力アームから出る。一度に１つのヒータに電力を印加し、パワーレベルを制御することによって、０％／１００％〜１００％／０％の間で出力比を制御することができる。尚、第１の数は「左」入力アームから出力アームを出る光の百分率を表し、第２の数は「右」入力アームから出力アームを出る光の百分率を表す。
本発明の第２の実施形態は、異なる機知の波長で作動する複数のレーザ光源の光パワーの本質的に総和を測定して結合する方法である。この方法はまた、コンバイナから出るすべての光信号の光パワーを最も弱い信号に均等化することによって、すべてのチャネルの負荷バランシングを行うことができる。この方法は、各光信号の搬送波が機知であり、同調可能な波長に基づくカプラを利用して本質的に損失のない結合を実現することができるという利点を活かしている。保護構成では、各作動チャネルは、非作動中の光源を排除するために切替を用いてコンバイナの入力に本質的に損失のない状態で経路指定され、作動中の光源からのすべての光信号が本質的に損失のない状態で動的コンバイナに入る。この新規な設計が、図７に示されている。
Ｌは、負荷バランシングのために、入力λ（ｉ）チャネルのそれぞれを光学的損失チャネルの光パワーレベルまで動的に増減するために用いられる係数行列である。
パワーレベルにおいて２０％の差がある図７の例において、損失のない動的なコンバイナの利用によって、図５の平面的な動的コンバイナに比べて６０％の効率改善を図り、図４の従来のコンバイナに比べて３００％の効率の改善を図ることができる。
図７に示されている実施形態の実際的な実現例は、同調可能な波長に基づくカプラとして方向性カプラを用いる。図８は、波長可変のきわめて波長感度の高い方向性カプラを示しており、異なる波長の２つの光信号の損失のない動的結合を実現することができる。図８（ａ）は、１５１０ｎｍの波長で光信号が右入力アームから入るとき（下部に入力）のこの装置のコンピュータシミュレーションの結果を示している。この場合には光信号は右出力アームから出る。図８（ｂ）において、１５６５ｎｍの波長の光信号が同装置の左入力アームから入り、光信号は右出力アームから出る（左入力アームに入る１５１０ｎｍの光は左出力アームから出る）。したがって、この設計は、過度の損失のない状態の多重化を実現する。この装置は、異なる入力アームに入る異なる波長の任意の２つの光信号が同一の出力アームから出るように、波長可変であってもよい。
上記で説明した損失は過度の損失、すなわち、設計によって与えられる理論的な損失（たとえば、バランスの取れた５０／５０または１×２スプリッタまたは２×１コンバイナは５０％または３ｄＢの過度の損失を有する）であることを留意すべきである。上述した損失のない装置は過度の損失のない装置であり、これらの装置を通る光信号は伝搬損失を有し、伝搬損失は一般的には吸収損失＋放射損失＋散乱損失＋結合損失−利得に等しい（これらの要素のすべてが常に存在するとは限らず、他の要素が存在する場合もある）。
また、熱、電界、磁界、圧力またはそれらの任意の組合せをはじめとする任意の作動手段を用いて上記で説明した波長可変性を実現することができることを留意すべきある。
ＡＷＧ、エシェル格子または薄膜フィルタのアレイに基づくマルチプレクサを用いて結合される固定波長レーザを示している。 ＡＷＧ、エシェル格子または薄膜フィルタのアレイに基づくＯＸＣおよびマルチプレクサを用いて結合される波長可変レーザを示している。 受動カプラを用いて結合される波長可変レーザを示している。 受動カプラを用いて結合される波長可変レーザの例を示しており、２組のレーザが結合される場合で、各組がメインレーザおよびバックアップレーザからなる。 ２×４波長可変レーザを結合する動的コンバイナを示している。 ２×４波長可変レーザを結合する動的コンバイナの実施形態であり、上記のコンバイナは４つの２×１の動的にバランス可能なコンバイナからなる。 損失のない動的Ｍチャネルコンバイナである。 異なる波長の２つの光信号の損失のない結合を行うことができる波長可変できわめて波長感度の高い方向性カプラの実施形態を示しており、上記の信号は２つの異なる入力アームから入り、同一の出力アームから出る。図８ａは、１５１０ｎｍの波長で光信号が右入力アームから入るときのこの装置のコンピュータシミュレーションを示している。図８ｂは、１５６５ｎｍの波長の光信号が図８ａの装置の左入力アームから入る。

Claims (8)

  1. レーザ光源からの複数の光信号を結合する方法であって、前記レーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、本質的に過度の損失がない状態を実現し、前記光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラまたはマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを特徴とする方法。
  2. 動的にバランス可能なコンバイナを具備する光信号装置であって、前記コンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含むことを特徴とする光信号装置。
  3. レーザ光源からの複数の光信号を結合する方法であって、前記レーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、すべての光信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させ、本質的に過度の損失がない状態を実現し、前記光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、ＭＭＩカプラ、スターカプラ、方向性カプラまたはＭＺＩからなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを特徴とする方法。
  4. 動的にバランス可能なコンバイナを具備する光信号装置であって、前記コンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含み、さらに、前記レーザ信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させることができると同時に、本質的に過度の損失がない状態を実現することを特徴とする光信号装置。
  5. レーザ光源からの複数の光信号を結合する方法であって、前記レーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、すべての光信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させ、前記光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、ＭＭＩカプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびＭＺＩからなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを特徴とする方法。
  6. 動的にバランス可能なコンバイナを具備する光信号装置であって、前記コンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラまたはマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含み、さらに、前記レーザ信号のパワーレベルを本質的に最も弱い光信号のパワーまで減衰させることができることを特徴とする光信号装置。
  7. レーザ光源からの複数のＭ個の光信号を結合する方法であって、前記レーザ光源が、波長可変または非波長可変であり、すべての光信号のパワーレベルをＭによって割られる最も弱い光信号のパワーレベルより大きいレベル、かつ最も弱い光信号のパワーレベルより小さいレベルまで減衰させ、前記光信号を、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、ＭＭＩカプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびＭＺＩからなる群から選択される動的にバランス可能なコンバイナに入力することを特徴とする方法。
  8. 動的にバランス可能なコンバイナを具備する光信号装置であって、前記コンバイナが、波長可変または非波長可変レーザ光源からのＭ個のレーザ信号を多重化することができ、かつ、いずれもが受動、波長可変または切替可能でありうる、Ｙ接合、Ｘ接合、マルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ、スターカプラ、方向性カプラおよびマッハ・ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）からなる群から選択される少なくとも１つの動的にバランス可能な基礎的要素を含み、さらに、前記Ｍ個のレーザ信号のパワーレベルをＭによって割られる最も弱い光信号のパワーレベルより大きいレベル、かつ最も弱い光信号のパワーレベルより小さいレベルまで減衰させることができることを特徴とする光信号装置。
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