JP2006106440A

JP2006106440A - 波長変換装置

Info

Publication number: JP2006106440A
Application number: JP2004294266A
Authority: JP
Inventors: Masao Kubota; 昌夫久保田
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2006-04-20

Abstract

【課題】
ポンプ光と信号光を低損失に合波可能な波長変換装置を提供する。
【解決手段】
ポンプ光、ファイバグレーティング、光サーキュレータ、光ファイバを有しファイバグレーティングと光サーキュレータによって信号光とポンプ光を合波する波長変換装置であって、ポンプ光は光サーキュレータを経由してファイバグレーティングで反射され、再度光サーキュレータを経由して光ファイバに入射することを特徴とする波長変換装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は波長変換装置に関し、特にＦＷＭ（四光波混合）を利用した波長変換装置に関する。

近年、より多くの情報を伝送するために例えばＷＤＭ光ファイバ通信などが行われているが、将来的には情報量の増大に伴う波長資源の枯渇が心配されている。このような背景から、限られた波長資源を有効活用するための手段として波長変換装置が必要とされている。

波長変換方式の一つにＦＷＭを利用した波長変換があり、その波長変換装置は図１に示したような構成となっている。当業者には既知であるがＦＷＭを利用した波長変換では、まずポンプ光１を光増幅器２で増幅し、バンドパスフィルタ３を通過した後３ｄＢカプラ５へ入力する。また、信号光４も３ｄＢカプラ５に入力され、該３ｄＢカプラ５でポンプ光１と信号光４が合波され、高非線形分散フラットファイバ６に入力されることにより波長変換が行われる。

他の従来例として、特開２００１−３１８３９５号に開示されているような相互利得変調による波長変換がある。
奥野、田中他，高非線形分散フラットファイバとその応用，電子情報通信学会技報，ｐｐ４５−５０，２００３特開２００１−３１８３９５号 T.Tanemura and K.Kikuchi，“Polarization-Independent Broad-band Wavelength Conversion Using Two-Pump Fiber Optical Parametric Amplification Without Idler Spectral Broadening”，IEEE Photon.Tecnol.Lett.，vol.15，No.11，November，2003

ＦＷＭを利用した波長変換において、変換光のパワーＰｃはポンプ光のパワーＰｐの２乗、信号光のパワーＰｓ、および位相整合係数αに比例し、次式のようになる。
Ｐｃ∝Ｐｐ^２Ｐｓα・・・（１）
よって変換光を効率よく発生させるにはポンプ光を低損失で高非線形フラットファイバに入力させる必要がある。

しかしながら従来のＦＷＭを利用した波長変換には次のような問題がある。図１に示されているように合波には３ｄＢカプラ５を用いるため、ポンプ光１および信号光４のパワーは３ｄＢ低下する。これは３ｄＢカプラ５の原理上避けられない損失である。
また、ポンプ光１を光増幅器２で増幅する際に生じる雑音を除去するためにＢＰＦ３が必要となるが、ＢＰＦ３の挿入損失がポンプ光１のパワーをさらに低下させることになる。

また、例えば特開２００１−３１８３９５号に開示されている相互利得変調による波長変換では半導体増幅器の利得が信号強度に依存することを利用している。このような波長変換ではビットが１のときは半導体増幅器の利得が飽和し、変換光の利得は小さくなる。また信号光のビットが０のときは半導体増幅器の利得が大きくなる。この効果を利用することにより信号光のビットが光信号に変換される。しかしながらこの方法では、信号光のビットパターンが光信号に変換されたとき、ビットパターンの反転が起こる。また出力側の光合波、分波器は一定の波長間隔を持つため、任意のポンプ光波長を用いることはできない。つまり任意の波長に変換できない問題がある。さらにポンプ光の波長を変える場合、ファイバグレーティングも取り替える必要がある。

以上の問題を解決するために、本発明はポンプ光、ファイバグレーティング、光サーキュレータ、光ファイバを有しファイバグレーティングと光サーキュレータによって信号光とポンプ光を合波する波長変換装置であって、ポンプ光は光サーキュレータを経由してファイバグレーティングで反射され、再度光サーキュレータを経由して光ファイバに入射する波長変換装置を提供する。これによって合波の際３ｄＢカプラを使用しないため、光の減衰が軽減される。またファイバグレーティングが図１におけるＢＰＦ３の役割を果たすため雑音除去用のＢＰＦを必要としない。

さらに前記光ファイバの後段にバンドパスフィルタを備え、ポンプ光と信号光は前記バンドパスフィルタによって除去され、変換光はバンドパスフィルタを通過する波長変換装置も提供する。ポンプ光、ファイバグレーティング、バンドパスフィルタが波長可変であるとき、制御回路からポンプ光、ファイバグレーティング、バンドパスフィルタに制御信号を送ることによって変換光の波長を変える波長変換装置を提供することができる。

本発明の波長変換装置では波長の異なる２以上の信号光から構成される信号光群が、ファイバグレーティングに入射し、前記入射した信号光群中の各々の信号光が、ポンプ光によって一括して波長変換される装置が提供される。これによって任意の波長を使用することができる。さらにポンプ光と信号光を合成した際に生じる四光波混合光を変換光とすることができる。このような信号光とポンプ光を合波するファイバグレーティングと光サーキュレータの挿入損失は、２ｄＢ以下である。

以下に本発明を図を用いて説明する。図２は本発明を模式的に表したブロック図であり、まずポンプ光１は増幅器２を経由して光サーキュレータ８に到達する。該ポンプ光１は光サーキュレータ８でファイバグレーティング（以後ＦＢＧと称する）７の方向に曲げられる。ＦＢＧ７ではポンプ光１の波長に等しい屈折率変化の周期が形成されているため、ポンプ光１はＦＢＧ７で反射され、再度光サーキュレータ８に到達する。

一方、信号光４はポンプ光１と異なる波長であるためＦＢＧ７を通過し、光サーキュレータ８に到達する。ここでポンプ光１と信号光４が合波される。この合波された光は高非線形分散フラットファイバ６に入射する。該高非線形分散フラットファイバ６では四光波混合により波長変換を行う。

次に本発明の利点を説明する。図３はポンプ光１がＦＢＧ７と光サーキュレータ８を通過した後で測定した光強度である。図中参照番号１０で示されてる曲線はポンプ光１の光サーキュレータ８に入力する前の強度を示している。また、参照番号１１で示されている曲線はポンプ光１が光サーキュレータ８を通過し、ＦＢＧ７で反射され、再度光サーキュレータ８を通過した後の強度を示している。これら２つの曲線を比較すると、ピークレベルにおいて２．０６ｄＢの差が見られる。つまり合波後のポンプ光１の強度の減衰は２．０６ｄＢにとどまっている。

次に信号光についても同様に測定すると、図４に示した結果が得られた。参照番号１２で示されている曲線は信号光４がＦＢＧ７に入射する前の強度であり、参照番号１３で示されている曲線は信号光４がＦＢＧ７を通過し、光サーキュレータ８を通過した後の強度である。両者を比較すると光強度の減衰は１．８４ｄＢにとどまっていることが解る。

一方、従来技術と比較すると、図５は図１に示された様な従来技術を用いて測定した結果である。図の参照番号１４で示された曲線は３ｄＢカプラに入力前の光強度であり、参照番号１５で示された曲線は３ｄＢカプラ出力後の光強度である。これらを比較すると３ｄＢカプラの入力前と出力後の光強度は３．４８ｄＢもの減衰があることがわかる。

当業者には既知であるが、３ｄＢカプラはその原理から、少なくとも３ｄＢ（本測定では３．４８ｄＢ）の減衰は避けられないため従来技術では信号光とポンプ光を合波する際に３ｄＢ以上光が減衰してしまう。しかしながら本発明では上記のようにファイバグレーティングと光サーキュレータによる合波のため挿入損失が２ｄＢとなっている。よって本発明は従来技術に比べて１ｄＢ出力光を大きく取り出すことができる。また上記式（１）から変換光は３ｄＢパワーが向上することがわかる。

次に本発明では変換光が３ｄＢパワーが向上することを実験した例を説明する。ここでは高非線形分散フラットファイバを分散シフトファイバに変えて、ファイバ出力時の光を従来技術と比較した例を示す。図６は測定に用いた回路のブロック図であり、ポンプ光１は偏波コントローラ１６を通って光増幅器で増幅された後、本発明の合波部分である光回路に入射する。また信号光４は偏波コントローラ１６を通って同様に光回路に入射する。合波されたポンプ光と信号光は偏光子を通過して分散シフトファイバ１７を通り光スペクトラムアナライザ１８に到達する。このような回路において光スペクトラムアナライザ１８で測定した結果を次に説明する。

図７は合波部分が本発明の回路であるときの結果である。各信号のピークでの強度は、信号光１９の強度が０．６７ｄＢｍ、ポンプ光２０の強度が５．８２ｄＢｍ、変換光２１の強度が−２４．１６ｄＢｍである。また雑音レベル２２は約−６０ｄＢｍである。

次に図８は合波部分が従来の３ｄＢカプラである時の結果である。信号光１９の強度は−１．１２ｄＢｍ、ポンプ光２０の強度は５．０８ｄＢｍ、変換光２１の強度は−２７．１４ｄＢｍである。雑音レベル２２は−４７ｄＢｍである。

これらの数値を比較すると、本発明は信号光で１．７９ｄＢ、ポンプ光で０．７４ｄＢ、変換光で２．９８ｄＢ、雑音レベルで−１３ｄＢそれぞれ大きいことがわかる。

本発明はさらに、図２に示したようにポンプ光１の波長、ＦＢＧ７の反射波長、ＢＰＦ３の帯域を制御回路９により変更することができ、これによって変換光を任意の波長にすることができる。また、一般にＦＢＧにはフィルタ効果があるため、ＦＢＧ７で反射したポンプ光１の雑音レベルは低下する。ＦＢＧのさらなる効果として、図１に示した従来技術のようにポンプ光１と３ｄＢカプラ５の間にあるＢＰＦ３を省略できるため回路全体の低損失化が図れるとともに、光増幅器の低消費電力化にも貢献できる。また波長変換の前にＦＢＧ７でポンプ光１の雑音を除去できるので変換光のＳＮ比の劣化を防止することができる。

ここで光増幅器の出力と励起用レーザーでの消費電流の関係に関する実験例を説明する。本実験では信号光の波長を１５４７ｎｍ、光増幅器への入力信号のレベルを−３．８ｄＢｍとした。この条件の下で、光増幅器の出力を＋１０ｄＢｍとしたときの励起用レーザーでの消費電流は２０５ｍＡとなった。次に光増幅器の出力を＋１１ｄＢｍにすると励起用レーザーでの消費電流は２３６ｍＡとなり、出力を１ｄＢｍ増加させたときの励起用レーザーの消費電流は３１ｍＡ増加した。
次に光増幅器の出力を＋１５ｄＢｍとしたときの該レーザーでの消費電流は５８０ｍＡであったのに対し、出力を＋１６ｄＢｍとしたときの該レーザーでの消費電力は８８０ｍＡであった。つまり出力を＋１ｄＢｍ増加させるのに励起用レーザーの消費電流は３００ｍＡ増加したことになる。
光増幅器の出力はこのような飽和特性を有しているため、出力を大きくすると、あるいは大きな出力をさらに増加させようとすると、非常に大きな消費電流を必要とする。
本発明では３ｄＢカプラに対し約１ｄＢ、合波部分の損失が低減するが、このことはポンプ光パワーを１ｄＢｍ増加させたのと同じ効果を持つため、特に高いポンプ光パワーを必要とする場合には、該光増幅器での消費電流、つまりは消費電力の低減効果が非常に大きなものとなる。本実験例では特定の波長での消費電流を測定したが、一般に光増幅器を大きな増幅率で動作させる際には、このような増幅率と消費電流の関係が非線形となるため大きな消費電力を要することは当業者には理解できる。
以上のことから本発明は合波部分での光の損失を小さくできるため、光増幅器での消費電力を低減させることができる。

本発明の波長変換は高非線形分散フラットファイバを使用しており、これは分散特性において零分散波長が広い帯域にわたってフラットであるためポンプ光と信号光の位相整合条件が広い範囲で満足できる。よって多波長一括変換の場合でも変換光のパワーに偏差が生じないという利点がある。他の技術的利点は、上記文献特開２００１−３１８３９５号と比較すると、本発明はＦＷＭを利用しているためビットパターンの反転が起こらない利点がある。

なお、本実施例は、１のポンプ光による波長変換にて説明を行ったが、これに限定されず、特許文献３に記載されるような、２のポンプ光による波長変換にも適用可能である。この場合には図９に示すように、サーキュレータ８とＦＢＧ７を多重化することでポンプ光を導入する。

図１は従来技術の波長変換装置の概略図である。図２は本発明の波長変換装置の概略図である。図３は合波部分におけるポンプ光の強度を入出力時で比較した測定結果である。図４は合波部分における信号光の強度を入出力時で比較した測定結果である。図３は３ｄＢカプラを用いた従来技術における、合波部分での光の強度を入出力時で比較した測定結果である。図６は合波部分における光の強度を入出力時で比較するための測定に用いた回路図である。図７は本発明を用いて図６の回路で測定したスペクトラムアナライザの結果である。図８は３ｄＢカプラを使用した従来技術を用いて図６の回路で測定したスペクトラムアナライザの結果である。図９はポンプ光を２つ有する場合の実施例である。

符号の説明

１ポンプ光
２光増幅器
３ＢＰＦ
４信号光
５３ｄＢカプラ
６高非線形分散フラットファイバ
７ＦＢＧ
８光サーキュレータ
９制御回路
１０光サーキュレータ入力前のポンプ光強度
１１光サーキュレータ出力後のポンプ光強度
１２ＦＢＧ入射前の信号光強度
１３ＦＢＧ、光サーキュレータを通過後の信号光強度
１４３ｄＢカプラ入力前の光強度
１５３ｄＢカプラ出力後の光強度
１６偏波コントローラ
１７分散シフトファイバ
１８光スペクトラムアナライザ
１９信号光強度
２０ポンプ光強度
２１変換光強度
２２雑音レベル

Claims

ポンプ光、ファイバグレーティング、光サーキュレータ、光ファイバを有しファイバグレーティングと光サーキュレータによって信号光とポンプ光を合波する波長変換装置であって、ポンプ光は光サーキュレータを経由してファイバグレーティングで反射され、再度光サーキュレータを経由して光ファイバに入射することを特徴とする波長変換装置。
ポンプ光は光増幅器で増幅された後、光サーキュレータに入射する請求項１に記載の波長変換装置。
前記光ファイバの後段にバンドパスフィルタを備え、ポンプ光と信号光は前記バンドパスフィルタによって除去され、変換光はバンドパスフィルタを通過する請求項１ないし２に記載の波長変換装置。
ポンプ光、ファイバグレーティング、バンドパスフィルタが波長可変であるとき、制御回路からポンプ光、ファイバグレーティング、バンドパスフィルタに制御信号を送ることによって変換光の波長を変える請求項３に記載の波長変換装置。
波長の異なる２以上の信号光から構成される信号光群が、ファイバグレーティングに入射し、前記入射した信号光群中の各々の信号光が、ポンプ光によって一括して波長変換されることを特徴とする、請求項３記載の波長変換装置。
ポンプ光と信号光を合成した際に生じる四光波混合光を変換光とすることを特徴とする請求項３記載の波長変換装置。
前記信号光とポンプ光を合波するファイバグレーティングと光サーキュレータの挿入損失は２ｄＢ以下である請求項３から６のいずれかに記載の波長変換装置。