JP2006209067A

JP2006209067A - マルチキャリア光源

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Publication number: JP2006209067A
Application number: JP2005201327A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamoto; 貴司山本; Hidehiko Takara; 秀彦高良; Takuya Ohara; 拓也大原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2025-07-11
Also published as: JP4621083B2

Abstract

【課題】広波長域においてばらつきが少なく高いＳＮＲの多数の光キャリアを発生できるマルチキャリア光源を実現する。
【解決手段】等間隔で多数の光キャリアを発生するマルチキャリア光源において、ＣＷ光源（１０１）から発生するＣＷ光を位相変調手段（１０３）で位相変調し、さらに波長分散付与手段（１０５）で波長分散を与えて光パルス列を発生し、その発生したパルス列を非線形光学媒質に入力することで、スペクトル幅を拡大する。非線形光学媒質として、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ（１１１）を用いる。これにより、広波長域においてばらつきが少なく高いＳＮＲの多数の光キャリアを発生できる。光増幅器（１０７）を位相変調手段と波長分散付与手段間に挿入することにより、ＣＷ光はパルス化される前に増幅され、光増幅器中の非線形現象により不要な光スペクトル変化が起こるのを防ぐことが可能となる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、複数の光キャリアを一括に発生することができるマルチキャリア光源に関し、特にＷＤＭ（波長分割多重）システムに用いる、等間隔で多数の光キャリアを発生する技術に関する。

近年、マルチキャリア光源として、図６に示すように、一定のパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐのパルス光源６０１と非線形光学媒質６０３とを組み合わせた構成の光源の研究開発が進められている（非特許文献１〜３）。繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの光パルス列は、そのスペクトルにおいては周波数軸上に間隔ｆ_ｒｅｐで光キャリア（線スペクトル）が並んでいる。パルス光源６０１から発生したこの光パルス列を非線形光学媒質６０３中に入射すると、非線形効果によりスペクトル幅が拡大して光キャリアの数が増大する。その結果、非線形光学媒質６０３から出力される光を周波数間隔ｆ_ｒｅｐのマルチキャリア光として応用することが可能となる。

従来、マルチキャリア光源用パルス光源６０１としては主に、モード同期ＬＤ（レーザダイオード）が用いられていた（非特許文献１，２）。このモード同期ＬＤ単体ではスペクトル幅がせいぜい数ｎｍ程度と狭いため、光キャリア数もせいぜい１０〜３０程度と少ない（キャリア間隔２５〜５０ＧＨｚ程度の場合）が、光ファイバなどの非線形光学媒質６０３に光パルス列を入射して、自己位相変調や四光波混合等の非線形光学効果を利用することにより、そのスペクトル幅が拡大し（数１０〜数１００ｎｍ）、光キャリア数も１００〜１０００へと増大する。

このようなマルチキャリア光源は、光キャリア周波数間隔が均一な１００以上の光キャリアを一括に発生することができるため、多波長ＷＤＭシステム用光源の応用へ有望である（非特許文献３）。ＷＤＭ用光源の場合、正確に規定の光周波数間隔に配置されて高いＳＮＲ（信号対雑音比）を有する光キャリアを発生することが必要である。

K. Sato, A. Hirano, and H. Ishii, "Chirp-compensated 40-GHz mode-locked lasers integrated with electroabsorption modulators and chirped gratings", IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. 5(1999) 590.：モード同期ＬＤに関する文献。

E. Yamada, H. Takara, T. Ohara, K. Sato, T. Morioka, K. Jinguji, M. Itoh, and M. Ishii,"150 channel Supercontinuum CW optical source with high SNR and precise 25 GHz spacing for 10 Gbit/s DWDM systems", Electron. Lett. 37(2001) 304.:マルチキャリア光源（ＬＤ）に関する文献。

H. Takara, E. Yamada, T. Ohara, K. Sato, K. Jinguji, Y. Inoue, T. Shibata, and T. Morioka,"106 channel x 10 Gbit/s,640km DWDM transmission with 25 GHz spacing with Supercontinuum multi-carrier source", Electron. Lett. 37(2001) 1534. :マルチ光源を用いたＷＤＭ伝送実験に関する文献。

M. Suzuki, H. Tanaka, N. Edagawa, K. Utaka, and Y. Matsushima,"Transform-limited optical pulse generation up to 20-GHz repetition rate by a sinusoidally driven InGaAsP electroabsorption modulator", J. Lightwave Technol., vol.11, pp.468-473.:ＣＷ光源＋強度変調に関する文献。

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しかしながら、モード同期ＬＤは、パルス繰り返し周波数が共振器長で決まり、可変域が１０ＭＨｚ程度と狭いため、ＷＤＭシステムで規定されている光周波数間隔（１２．５ＧＨｚ，２５ＧＨｚ，５０ＧＨｚ，１００ＧＨｚ）に正確に一致させるのは容易ではない。共振器周波数がずれたモード同期ＬＤを規定周波数で駆動すると、出力光のＳＮＲ等の劣化につながる。また、モード同期ＬＤには、モード分配雑音が生じることで、光キャリアのＳＮＲが劣化する場合もあった。また、モード同期ＬＤは、出力光パワーが一般的に数ｍＷ程度であり、この中に含まれる各光キャリアの光パワーは数分の一の１ｍＷ以下となり、ＳＮＲもこの光パワーで決まる値に制限されていた。

このモード同期ＬＤをパルス光源として使用して、非線形光学媒質でスペクトル拡大した場合、このスペクトルに含まれる光キャリアのＳＮＲも、共振周波数と駆動周波数のずれ、モード分配雑音により劣化する場合があった。これらの劣化要因がなくても、拡大された光スペクトル内の光キャリアのＳＮＲは、モード同期ＬＤ直後の光キャリアのＳＮＲ程度に制限されていた。

また、通常の非線形光学媒質で十分なスペクトル拡大を起こすためには、その非線形光学媒質にパルス幅１０ｐｓ（ピコ秒）以下の光パルス列を入射する必要がある。しかしながら、モード同期ＬＤではデューティが１／５〜１／１０程度であるため、パルス幅１０ｐｓ以下の光パルス列を発生することができる繰り返し周波数は１０ＧＨｚ以上となる。従って、光キャリア周波数間隔を１０ＧＨｚよりも狭くすることは困難であった。

一方、パルス繰り返し周波数が可変であるパルス光源として、ＣＷ（持続波、連続波）光源と外部光変調手段を組み合わせたパルス光源がある（非特許文献４，５）。図７、８にこれらの光源の基本構成を示す。

図７に示すＣＷ光源７０１と強度光変調手段７０３からなる従来のパルス光源の場合、強度光変調手段７０３として主に電界吸収型変調器が用いられている（非特許文献４）。この光源は強度変調手段７０３への駆動周波数によりパルス繰り返し周波数を制御することができる。しかし、この電界吸収型変調器７０３は損傷のない入射光パワー限界が１０ｍＷ以下と低く、変調器損失が１０ｄＢ以上と大きいため、この中に含まれる各光キャリアの光パワーは０．１ｍＷ以下となり、ＳＮＲがモード同期ＬＤよりも低い値しか得られない。

図８に示すＣＷ光源８０１と、位相変調手段８０３と、波長分散付与手段８０５とからなる従来のパルス光源では、外部位相変調手段８０３への駆動周波数と波長分散付与手段８０５の波長分散値とにより、パルス繰り返し周波数を制御することができる（非特許文献５）。この方法によるパルス光発生は、以下の動作原理によるものである。ＣＷ光源８０１から発生するＣＷ光に、位相変調手段８０３で正弦波位相変調を施すことにより、光強度は一定でＣＷ光のままだが、その瞬時周波数が正弦波的に変化するチャープ光が得られる。このチャープ光を波長分散付与手段８０５に通すことにより、光周波数成分ごとに異なる遅延が与えられる。その結果、ＣＷ光のエネルギーの一部が時間軸上の一点に周期的に集中する。その結果、ＣＷ光は、位相変調周波数に等しい繰り返し周波数を有する光パルス列へと変化する。

位相変調手段８０３としてＬｉＮｂＯ_３位相変調器を用いた場合には、このパルス光源は、１００ｍＷ以上の光パワーが入射でき、損失も３ｄＢ以下であるため、出力光として５０ｍＷ以上が得られる。また、このパルス光源は繰り返し周波数が１０ＧＨｚ以下であっても、１０ｐｓ以下の光パルスを発生することができる。しかしながら、図９の（Ａ）、（Ｂ）に示すように、このパルス光源からの出力光キャリアは、レベルの違いが大きく、ＳＮＲの波長依存性も大きいという点があった。即ち、位相変調器８０３の出力において、図９の（Ａ）に示すような各光キャリアの強度レベルのばらつき（中心の５本の光キャリア間で５ｄＢ以上）があることにより、ＳＮＲは図９の（Ｂ）に示すような波長依存性を持ってしまう。

上記の理由により、これまで、ＣＷ光源と外部光変調手段を組み合わせたパルス光源をＷＤＭ用光源へ適用することはできなかった。そのため従来、この位相変調手段８０３を用いたパルス光源と、非線形光学媒質７０３との組み合わせを、ＷＤＭ用マルチキャリア光源として使用することは検討されていなかった。

本発明の目的は、上述の課題を解決するため、１００波長以上のＷＤＭ用光源において、ＳＮＲが高く、光キャリア周波数間隔が容易に調整できる、マルチキャリア光源を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のマルチキャリア光源は、ＣＷ光を発生するＣＷ光源と、前記ＣＷ光をパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐで位相変調する位相変調手段と、位相変調されたＣＷ光に波長分散を与えてパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの光パルス列に変換する波長分散付与手段と、前記光パルス列を入射してスペクトル幅を拡大する非線形光学媒質として、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバとを有することを特徴とする。

ここで、前記波長分散付与手段として、光ファイバ、ファイバグレイティング、または平面型光波回路を用いたことを特徴とすることができる。

また、前記波長分散付与手段と、前記非線形光学媒質としての前記光ファイバとの間に、光増幅器および光バンドパスフィルタを配置したことを特徴とすることができる。

また、前記位相変調手段と、前記波長分散付与手段との間に、光増幅器および光バンドパスフィルタを配置したことを特徴とすることができる。

また、前記非線形光学媒質としての前記光ファイバにおいて光スペクトル拡大が起きる光パワーしきい値を、該光ファイバに入射する光パルス列のピークパワーよりも低く、且つ該光パルス列のペデスタルのパワーよりも高くしたことを特徴とすることができる。

上記構成により、本発明によれば、広波長域においてキャリア光源を提供することができる。さらに、本発明のマルチキャリア光源は、広波長域においてばらつきが少なく、かつ高いＳＮＲの多数の光キャリアを発生することができる。また、本発明のマルチキャリア光源は、均一で狭い周波数間隔の多数の光キャリアを発生することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明のマルチキャリア光源の第１の実施形態の構成を示す。本図に示すように、本実施形態のマルチキャリア光源は、パルス光源としてＣＷ光を発生するＣＷ光源１０１と、そのＣＷ光を周波数ｆ_ｒｅｐで位相変調する位相変調手段１０３と、位相変調されたＣＷ光に波長分散を与えてパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの光パルス列に変換する波長分散付与手段１０５と、非線形光学媒質として、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ（非線形光ファイバ）１１１とを有する。必要に応じて、その波長分散付与手段１０５と非線形光ファイバ１１１との間に、上記光パルス列を増幅する光増幅器１０７と、増幅された光パルス列をフィルタリングする光バンドパスフィルタ１０９とを接続しても好ましい。波長分散付与手段１０５としては、光ファイバ、ファイバグレイティングまたは平面型光波回路を用いることができる。

前述したように、ＣＷ光源と位相変調手段と波長分散付与手段とからなる従来のパルス光源は、出力された光キャリア間でレベルやＳＮＲのばらつきが大きいという課題があり、ＷＤＭ光源へ適用することができなかった。これに対し、本発明では、この従来と同様な構成１０１，１０３，１０５のパルス光源と、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ１１１とを組み合わせて構成しているので、従来技術の上記課題を解決し、広い波長域で、高いＳＮＲの光キャリアを発生することができる。以下、本発明のこの作用原理について説明する。

ＣＷ光源１０１と位相変調手段１０３と波長分散付与手段１０５とからなるパルス光源の時間領域でのパルス波形を図２に示す。ＣＷ光源１０１と位相変調手段１０３と波長分散付与手段１０５とからなるパルス光源の場合には、モード同期ＬＤやＣＷ光源＋電界吸収型変調器と異なり、光パルス間にＣＷ光成分が存在しており、各光パルスのすその部分に小さな山（ペデスタル）が生じる。

一方、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ１１１は、図３の（Ａ）に示すように、入射する光パルスのピークパワーと拡大したスペクトル幅の関係は非線形特性を持つ。光パルスのピークパワーが図３の（Ａ）で示したしきい値Ｐ_th、までは、スペクトルはほとんど広がらず（図３の（Ｂ）参照）、光パルスのピークパワーがしきい値Ｐ_thを超えると、スペクトルは急激に拡大する（図３の（Ｃ）参照）。

上記のＣＷ光源１０１と位相変調手段１０３と波長分散付与手段１０５とからなるパルス光源から出力された光パルス列を、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ１１１に入射して、ペデスタルのピークパワーをしきい値Ｐthよりも低く設定することで、光パルス間のＣＷ光成分と各光パルスのすそののペデスタルはスペクトル拡大に寄与せずに、所望のスペクトル拡大を行うことができる。

その結果、非線形光ファイバ１１１の出力は、図３の（Ｃ）に示すように、パルス光源がもともと有している励起光波長域（数ｎｍ程度）だけは多少のレベルばらつきが残るが、その他の広波長域（１００ｎｍ以上）で光キャリア間のレベルばらつきが非常に少ないスペクトルとなる。

従来例で既述したように、ＣＷ光源と位相変調手段と波長分散付与手段とからなるパルス光源は、モード同期ＬＤやＣＷ光源＋電界吸収型変調器に比べて高パワーの光パルス列が発生できる利点がある。従って、このパルス光源に非線形光ファイバ１１１を付加した本発明の構成により、このパルス光源の持つ難点（レベル・ＳＮＲのばらつき）を無くして、利点（高パワーによる高ＳＮＲ化）を活かすことができるため、励起光波長域以外の広波長域において、ばらつきが少なく、高いＳＮＲのマルチ光キャリアの発生が実現できる。

さらに、ＣＷ光源と位相変調手段と波長分散付与手段とからなるパワー光源は、既に従来例で説明したように、１０ＧＨｚ以下のパルス繰り返し周波数でも短光パルス列を発生することができるため、本発明のマルチキャリア光源により、低周波数間隔（１０ＧＨｚ以下）のマルチ光キャリア発生が実現できる。

本発明（ＣＷ光源＋位相変調手段＋波長分散付与手段＋長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ）における出力光キャリアと従来技術（図６のモード同期ＬＤ＋長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ）における出力光キャリアのＳＮＲの比較を行った結果を図４に示す。この場合、光キャリア周波数間隔は６．２５ＧＨｚに設定している。本発明の場合は、図１の構成により、直接、周波数間隔６．２５ＧＨｚのマルチ光キャリアを発生させている。

一方、従来技術の場合には、モード同期ＬＤ６０１から直接パルス繰り返し周波数６．２５ＧＨｚの光パルス列が発生できないため、図５に示すように、光ゲート５０１をモード同期ＬＤ６０１の直後に配置して、パルス繰り返し周波数を２５ＧＨｚから１／４の６．２５ＧＨｚへ間引くことで、周波数間隔６．２５ＧＨｚのマルチ光キャリアを発生させている。

図４から、本発明のＳＮＲが従来技術のＳＮＲよりも１〜４ｄＢ程度高いことより、本発明が従来技術よりも優れていることがわかる。

（第２の実施形態）
図１０は、本発明のマルチキャリア光源の第２の実施形態の構成を示す。ここで、図１と同様な構成要素には同一符号を用いている。図１０に示すように、本実施形態のマルチキャリア光源は、パルス光源としてＣＷ光を発生するＣＷ光源１０１と、そのＣＷ光を周波数ｆ_ｒｅｐで位相変調する位相変調手段１０３と、位相変調されたＣＷ光を増幅する光増幅器１０７と、波長分散を与えてパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの光パルス列に変換する波長分散付与手段１０５と、非線形光学媒質として、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ（非線形光ファイバ）１１１とを有する。必要に応じて、その光増幅器１０７の後段に、増幅後の光から不要な波長成分を除去する光バンドパスフィルタ１０９を接続しても好ましい。ここで、光増幅器１０７は位相変調手段１０３と波長分散付与手段１０５の間に挿入する。この位置に光増幅器１０７を挿入することにより、ＣＷ光はパルス化される前に増幅されることになる。これにより、光増幅器１０７を波長分散付与手段１０５の後段に挿入した場合よりも、光増幅器１０７中における光のピークパワーが低くなる。その結果、光増幅器中の非線形現象により不要な光スペクトル変化が起こるのを防ぐことが可能となる。

（他の実施の形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

本発明のマルチキャリア光源の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。図１のＣＷ光源と位相変調手段と波長分散付与手段とからなるパルス光源の時間領域でのパルス波形を示す図である。図１の長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバの特性を示し、（Ａ）は入射する光パルスのピークパワーと拡大したスペクトル幅の関係を示す図、（Ｂ）は光パルスのピークパワーがしきい値Ｐ_thまでの光周波数と光強度の関係を示す図、（Ｃ）は光パルスのピークパワーがしきい値Ｐ_thを超えたときの光周波数と光強度の関係を示す図である。本発明における出力光キャリアと従来技術における出力光キャリアのＳＮＲの比較を行った結果を示す図である。従来技術のモード同期ＬＤ＋非線形光ファイバからなるマルチキャリア光源の詳細構成を示すブロック図である。従来技術のパルス光源と非線形光学媒質からなるパルス光源の構成とその出力特性を示す図である。従来技術のＣＷ光源と強度変調器からなるパルス光源の構成とその出力特性を示す図である。従来技術のＣＷ光源と位相変調手段と波長分散付与手段とからなるパルス光源の構成とその出力特性を示す図である。図８のパルス光源の特性を示し、（Ａ）はパルス光源からの出力光キャリアの光周波数と光強度の関係を示す図で、（Ｂ）はその光周波数とＳＮＲの関係を示す図である。本発明のマルチキャリア光源の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ＣＷ光源
１０３位相変調手段
１０５波長分散付与手段
１０７光増幅器
１０９光フィルタ
１１１非線形光ファイバ
（長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバ）
５０１光ゲート
５０３光増幅器
５０７光フィルタ
６０１光パルス光源
６０３非線形光学媒質（非線形光ファイバ）
７０１ＣＷ光源
７０３強度変調器
８０１ＣＷ光源
８０３位相変調手段
８０５波長分散付与手段

Claims

ＣＷ光を発生するＣＷ光源と、
前記ＣＷ光をパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐで位相変調する位相変調手段と、
位相変調されたＣＷ光に波長分散を与えてパルス繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの光パルス列に変換する波長分散付与手段と、
前記光パルス列を入射してスペクトル幅を拡大する非線形光学媒質として、長手方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少する光ファイバと
を有することを特徴とするマルチキャリア光源。
前記波長分散付与手段として、光ファイバ、ファイバグレイティング、または平面型光波回路を用いたことを特徴とする請求項１に記載のマルチキャリア光源。
前記波長分散付与手段と、前記非線形光学媒質としての前記光ファイバとの間に、光増幅器および光バンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチキャリア光源。
前記位相変調手段と、前記波長分散付与手段との間に、光増幅器および光バンドパスフィルタを配置したことを特徴とする請求項１または２に記載のマルチキャリア光源。
前記非線形光学媒質としての前記光ファイバにおいて光スペクトル拡大が起きる光パワーしきい値を、該光ファイバに入射する光パルス列のピークパワーよりも低く、且つ該光パルス列のペデスタルのパワーよりも高くしたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマルチキャリア光源。