JP2006210652A - 光リミッタアンプ - Google Patents

Abstract

【課題】光サーキュレータをなくすなど、簡略化しつつパタン効果を抑制した光リミッタアンプを提供する。
【解決手段】 低飽和半導体光増幅器１１３と、光信号１００（波長λ１）を分波する光合分波器１０１と、光信号１００が入力され、当該光信号に対する論理符号の反転した波長λ２の光信号を生成する反転信号生成器１１１と、前記分波された一方のの光信号（λ１）を導波して低飽和半導体光増幅器１１３の一端に入力すると共に、前記分波された他方の光信号（λ１）を導波して反転信号生成器１１１の一端に入力し、反転信号生成器１１１から生成される論理符号の反転した光信号（λ２）を導波して低飽和半導体光増幅器１１３の一端に入力する光合分波器１０６と、低飽和半導体光増幅器１１３の他端に接続され、光信号（λ２）を遮断する波長フィルタ１１４とを有し、光信号１００の光強度にかかわらず所定強度の光信号を出力する光リミッタアンプとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光リミッタアンプに関し、例えば、光伝送システムにおける高速パケット通信の受信、中継再生時に適用することができる光リミッタアンプである。

近年、光伝送システムの高速化・高機能化に伴い、４０Ｇｂ／ｓを超える超高速パケット信号による光通信が期待されている。このような光伝送システムにおいては、光信号を電気信号に変換せずに光信号のまま処理を行う光スイッチ、光アンプなどの機能デバイスが知られている。

図２は、従来の超高速パケットを使用した光通信システムの一例を示す概略構成図である。同図に示すように、ユーザ端末１〜３は光ファイバ４ａ〜４ｃを介して光ルータ５と接続され、光ルータ５は光ファイバ６を介してユーザ端末７に接続されている。

ユーザ端末１〜３からそれぞれ超高速パケット８ａ〜８ｃをユーザ端末７に向けて送信した場合、それぞれのパケット８ａ〜８ｃが経由してくる距離は送信したユーザ端末１〜３によって異なるため、ユーザ端末７で受信する際には、各パケット間にレベル差が生じる（パケット９ａ〜９ｃを参照。）。

ユーザ端末７では、光受信器においてある閾値レベルを設定し、閾値レベル以上の光信号を論理符号１と判定し、閾値レベル以下の光信号を論理符号０と判定する。したがって、受信するパケットレベルに変動があると最適な閾値も変動することになり受信波形の判別が困難になる。

そこで、ユーザ端末７の光受信器において、光リミッタアンプなどを設けることにより、レベル等化や波形整形を行ってから受信波形の判定を行う方法が知られている（例えば下記非特許文献１を参照。）。

図３は、従来の光リミッタアンプ（低飽和半導体光増幅器）の概略透視構造図（ａ）と、光リミッタアンプの入出力パワー特性を示す図（ｂ）である。図３（ａ）に示すように、光リミッタアンプは、光信号を増幅する活性層１０と、活性層１０の両端に接続され、光信号を光ファイバに入出力させるためのスポットサイズ変換部１１ａ、１１ｂと、電極１２、１３とを備えている。活性層１０は、半導体レーザと同じｐｎ接合による埋め込み構造を有し、その両端面には無反射コーティングが施されている。

なお、ここでいう低飽和半導体光増幅器とは、図３（ｂ）に示すように入力光の強度増加と共に出力光の強度も増加する特性が、所定強度以上の入力光に対しては出力光の強度が増加しなくなる（飽和する）入出力パワー特性において、比較的低い入力光強度（例えば、図示するように、−１０ｄＢｍ）で飽和する半導体光増幅器である。

活性層１０の一端から入力された光信号は、電極１２と電極１３との間に加えられた電流により増幅され、活性層１０の他端から出力される。図３（ｂ）に光リミッタアンプの入出力パワー特性を示すように、入力光強度が弱いときは増幅度が高く、入力光強度が強いときは増幅度が低い。この特性によって、ある一定以上の光強度、例えば同図では−１０ｄＢｍと０ｄＢｍの入射に対して、レベル等化、すなわち出力光強度を０ｄＢｍと一定の値にすることができる。

しかしながら、半導体光増幅器にはパタン効果と呼ばれる問題点がある。図４は、半導体光増幅器のパタン効果を説明する図である。同図（ａ）は半導体光増幅器への入力光信号を示し、論理符号は10101010101111111111を０連続符号で挟んだ信号である。図４（ｂ）は半導体光増幅器の出力光信号を示す。

図４に示すように、０連続符号が続いた直後の最初の論理符号１は、単位時間に入力される平均入力光強度が低いために相対的に光リミッタアンプの増幅度は高く、光強度の高い波形が出力される。これに対して、２番目以降の論理符号１は相対的に光リミッタアンプの増幅度が低く、光強度の低い波形が出力される。また、光リミッタアンプの動作が入力信号に完全に追従しきれないために、波形の立ち上がり、立ち下りともに所定の光強度レベルに達しない。

これに対して、連続した論理符号１が入力されると、光リミッタアンプの動作が入力信号に追従するため、所定の光強度レベル１にまで達する。また、連続した論理符号０が入力されると所定の光強度レベル０にまで達する。

結果として、入力信号の論理符合によって出力信号の振幅が変化し、波形劣化を引き起こすという問題がある。このため、光リミッタアンプのリミッタ機能を保持しつつ、パタン効果を抑制する手法が必要である。図５は、パタン効果を抑制した従来の光リミッタアンプの概略構成図である。

同図に示すように、波長λ１の入力光信号９００は、光カプラ９０１の入出力ポート９０７から入射し、入出力ポート９０８と入出力ポート９１０へ２分岐される。そして、一方は反転信号生成器である波長変換素子９０３の一端に、他方は波長フィルタ９０６を介して低飽和半導体光増幅器９０２の一端に入力される。

連続光源（例えば、ＤＦＢ−ＬＤなど）からの波長λ２の連続光９０４は、波長変換素子９０３の他端へ入力される。その結果、入力光信号９００の反転信号が波長λ２で波長変換素子９０３の一端から出力される。波長変換素子としては例えば、相互利得変調（ＸＧＭ：cross-gain modulation）型や相互位相変調型（ＸＰＭ：cross-phase modulation）型がある。

波長変換素子９０３の一端から出力される波長λ２の反転光信号は、入出力ポート９０８に入力され、入出力ポート９０９から出力される。更に反転光信号は光サーキュレータ９０５を経由して、低飽和半導体光増幅器９０２の他端に入力される。

このようにして、波長λ１の入力光信号９００が低飽和半導体光増幅器９０２の一端に入力されると共に、波長λ２の反転光信号が低飽和半導体光増幅器９０２の他端に入力される。このとき、光路長の調整により、低飽和半導体光増幅器９０２へ入力する正転信号（波長λ１）と反転信号（波長λ２）はタイミングが合うようなっている。

低飽和半導体光増幅器９０２に正転信号と反転信号が同時に入力されることにより、低飽和半導体光増幅器９０２への全入力光パワーに急激なパワー変化は生じないため、光リミッタ機能を保持しつつパタン効果を抑制することができる。なお、波長フィルタ９０６は、波長λ２の反転光信号を遮断するために用いられる。

Y.Shibata et al.,"Semiconductor Laser Diode Optical Amplifiers/Gates in Photonic Packet Switching",JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,Vol.16,No.12,1998,pp.2228-2235

しかしながら、図５に示すような従来の光リミッタアンプでは、素子構成上、光サーキュレータが必須である。また、従来の光リミッタアンプを構成する波長フィルタは波長λ２の光信号を遮断するために使用され、最終的な出力光信号（波長λ１）のＡＳＥ（自然放出）光を遮断するためには更にもう１つの波長フィルタが必要となる。

本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、高価な光サーキュレータをなくすなど、構成する素子を簡略化しつつ、パタン効果を抑制した光リミッタアンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る光リミッタアンプは、
半導体光増幅器を備え、入力された光信号の光強度にかかわらず所定の光強度の光信号を出力する光リミッタアンプにおいて、
前記半導体光増幅器の一端に、第１波長の光信号と、当該光信号に対して論理符号の反転した第２波長の光信号とを入力し、
前記半導体光増幅器の他端から所定の光強度の第１波長の光信号を出力することを特徴とする光リミッタアンプである。

上記課題を解決する本発明に係る光リミッタアンプは、
半導体光増幅器を備え、入力された光信号の光強度にかかわらず所定の光強度の光信号を出力する光リミッタアンプにおいて、
第１波長の光信号を分波する第１光合分波器と、
第１波長の光信号が入力され、当該光信号に対して論理符号の反転した第２波長の光信号を生成する反転信号生成器と、
前記分波された一方の第１波長の光信号を導波して前記半導体光増幅器の一端に入力すると共に、前記分波された他方の第１波長の光信号を導波して前記反転信号生成器の一端に入力し、前記反転信号生成器から生成される論理符号の反転した第２波長の光信号を導波して前記半導体光増幅器の一端に入力する第２光合分波器と、
前記半導体光増幅器の他端に接続され、前記第２波長の光信号を遮断する波長フィルタとを有し、
所定の光強度の第１波長の光信号を出力することを特徴とする光リミッタアンプである。

上記課題を解決する本発明に係る光リミッタアンプは、
半導体光増幅器を備え、入力された光信号の光強度にかかわらず所定の光強度の光信号を出力する光リミッタアンプにおいて、
第１波長の光信号を入力する第１入出力ポートと、分波された前記第１波長の光信号の一方を出力する第２入出力ポートと、分波された前記第１波長の光信号の他方を出力する第３出力ポートとを有する第１光合分波器と、
前記分波された一方の第１波長の光信号が入力される第１入出力ポートと、当該第１入出力ポートに入力された光信号を出力する第２入出力ポートと、前記分波された他方の第１波長の光信号が入力される第３入出力ポートと、当該第３入出力ポートに入力された光信号を出力する第４入出力ポートとを有する第２光合分波器と、
前記第２光合分波器の第４入出力ポートに接続され、当該第４入出力ポートから出力された前記他方の第１波長の光信号に対して論理符号の反転した第２波長の光信号を生成し、前記第２光合分波器の第４入出力ポートに当該第２波長の光信号を入力する反転信号生成器とを有し、
前記第２光合分波器は、前記第４入出力ポートに入力された第２波長の光信号を前記第２入出力ポートから出力し、
前記半導体光増幅器の一端は、前記第２光合分波器の第２入出力ポートに接続され、前記半導体光増幅器の他端には前記第２波長の光信号を遮断する波長フィルタとが接続され、
所定の光強度の第１波長の光信号を出力することを特徴とする光リミッタアンプである。

また、上記光リミッタアンプにおいて、
前記反転信号生成器は、波長変換素子と第２波長の連続光を出力する光源とを有してなり、
前記波長変換素子の一端は前記第２光合分波器に接続され、前記波長変換素子の他端は前記光源に接続されていることを特徴とする光リミッタアンプである。

また、上記光リミッタアンプにおいて、
前記第１波長の光信号についての前記第１光合分波器から前記第２光合分波器を介して前記半導体光増幅器までの光路長Ｌ１と、
前記第１波長の光信号についての前記第１光合分波器から前記第２光合分波器を介して前記反転信号生成器までの光路長Ｌ２と、
前記第２波長の光信号についての前記反転信号生成器から前記第２光合分波器を介して前記半導体光増幅器までの光路長Ｌ３とについて、
光路長Ｌ２と光路長Ｌ３との和が、光路長Ｌ１と等しいことを特徴とする光リミッタアンプである。

また、上記光リミッタアンプにおいて、
前記半導体光増幅器は、低飽和半導体光増幅器であることを特徴とする光リミッタアンプである。

低飽和の半導体光増幅器とは、図３（ｂ）に示すように入力光の強度増加と共に出力光の強度も増加する特性が、所定強度以上の入力光に対しては出力光の強度が増加しなくなる（飽和する）入出力パワー特性において、比較的低い入力光強度（例えば、図示するように、−１０ｄＢｍ）で飽和する半導体光増幅器である。本発明の適用に際しては、低飽和の半導体光増幅器であるほど好ましく、例えば、出力光強度が飽和するときの入力光強度が０ｄＢｍ以下、好ましくは−１０ｄＢｍ以下の半導体光増幅器が挙げられる。

本発明によれば、高価な光サーキュレータを用いなくても、パタン効果を抑制した光リミッタアンプを実現することが可能である。また、第２波長の光信号の遮断する波長フィルタに、半導体光増幅器のＡＳＥを遮断する機能をもたせる構成とすることができ、簡便な構成の光リミッタアンプとすることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る光リミッタアンプの概略構成図である。同図に示すように、実施形態に係る光リミッタアンプは、光合分波器１０１と、光合分波器１０６と、反転信号生成器１１１と、低飽和半導体光増幅器１１３と、波長フィルタ１１４と、これらの素子を光接続する光導波路とから構成されている。

光合分波器１０１は、４つの入出力ポート１０２〜１０５を有し、入出力ポート１０２には波長λ１の光信号が入力されるようになっており、入出力ポート１０２に入力された波長λ１の光信号は、分波されて入出力ポート１０３と１０５とから出力される。光合分波器１０６は、４つの入出力ポート１０７〜１１０を有し、入出力ポート１０９又は１１０に入力された波長λ１の光信号は、それぞれクロス方向である入出力ポート１０８又は１０７から出力されると共に、入出力ポート１０７に入力された波長λ２の光信号は入出力ポート１０８から出力される。

光合分波器１０１の入出力ポート１０３、１０５は、それぞれ光合分波器１０６の入出力ポート１０９、１１０に接続される。反転信号生成器１１１の一端は光合分波器１０６の入出力ポート１０７に接続され、反転信号生成器１１１の他端には波長λ２の連続光１１２が入力されるようになっている。低飽和半導体光増幅器１１３の一端は光合分波器１０６の入出力ポート１０８に接続され、反転信号生成器１１１の他端には波長フィルタ１１４が接続されている。

まず、光合分波器１０１の入出力ポート１０２に波長λ１の入力光信号１００を入力すると、分波されて、一方は入出力ポート１０３から出力され、他方は入出力ポート１０５から出力される。

光合分波器１０１の入出力ポート１０２に入力された後、入出力ポート１０３から出力された光信号は、光合分波器１０６の入出力ポート１０９に入力された後、入出力ポート１０８から出力され、低飽和半導体光増幅器１１３の一端に入力される。

光合分波器１０１の入出力ポート１０２に入力された後、入出力ポート１０５から出力された光信号は、光合分波器１０６の入出力ポート１１０に入力された後、入出力ポート１０７から出力され、反転信号生成器１１１の一端に入力される。

一方、反転信号生成器１１１の他端には、波長λ２の連続光１１２が入力され、この結果、反転信号生成器１１１の一端から波長λ２の反転光信号（入力光信号１００の論理符号が反転した光信号）が出力される。反転信号生成器１１１の一端から出力された波長λ２の反転光信号は、光合分波器１０６の入出力ポート１０７に入力された後、入出力ポート１０８から出力され、低飽和半導体光増幅器１１３の一端に入力される。

したがって、波長λ１の入力光信号１００と波長λ２の反転光信号とが合波されて、低飽和半導体光増幅器１１３の一端に入力される。波長フィルタ１１４では、波長λ２の反転光信号が遮断され、波長フィルタの他端から波長λ１の所定強度の光信号が出力される。なお、波長フィルタ１１４は、波長λ２の光信号を遮断すると共に、低飽和半導体光増幅器１１３のＡＳＥを遮断する機能を有する。

ここで、光リミッタアンプ内の光路長については、以下のように調整されている。まず、波長λ１の入力信号光１００について、光合分波器１０１の入出力ポート１０２から、光合分波器１０１の入出力ポート１０３、光合分波器１０６の入出力ポート１０９、１０８を介して、低飽和半導体光増幅器１１３までの光路長をＬ１とする。

また、波長λ１の入力信号光１００について、光合分波器１０１の入出力ポート１０２から、光合分波器１０１の入出力ポート１０５、光合分波器１０６の入出力ポート１１０、１０７を介して、反転信号生成器１１１までの光路長をＬ２とする。

更に、波長λ２の反転光信号について、反転信号生成器１１１から、光合分波器１０６の入出力ポート１０７、１０８を介して、低飽和半導体光増幅器１１３までの光路長をＬ３とする。

光リミッタアンプ内の光路長については、光路長Ｌ２と光路長Ｌ３との和が光路長Ｌ１と等しくなるように（Ｌ１＝Ｌ２＋Ｌ３）調整されている。

本実施形態に係る光リミッタアンプの素子構成を見て分かるように、２個の光合分波器１０１と光合分波器１０６を用いることにより、高価な光サーキュレータを用いなくても、パタン効果を抑制した光リミッタアンプを実現することが可能である。また、波長フィルタ１１４に、波長λ２の光信号の遮断する機能と、低飽和半導体光増幅器１１３のＡＳＥを遮断する機能をもたせることができる。

光合分波器１０１、１０６の一例として、２×２光カプラや波長カプラなどが挙げられる。光合分波器１０６として波長カプラを適用した場合、例えば、波長λ１の入力光信号に対してはクロス方向（例えば、入出力ポート１０７と１１０との間を接続する方向）に出力され、波長λ２の入力光信号に対してはバー方向（例えば、入出力ポート１０７と１０８との間を接続する方向）に出力されるように設定する。

また、本実施形態では、反転信号生成器１１１として半導体光増幅器を適用し、相互利得変調型波長変換によって反転光信号を出力したが、半導体光増幅器に限られず、反転信号を出力することができる素子であればどのような素子でもよい。例えば、発信波長抑圧型の波長変換を用いれば、連続光１１２は不要になる。

更に、入力光信号１００として、それぞれ強度の異なる複数の波長（例えば波長λ１、λ３）を入力した場合であっても、光リミッタ機能を維持することができる。このとき、光合分波器１０６の出力設定としては、波長λ１、λ３の入力光信号に対してはクロス方向に出力され、波長λ２（反転光信号波長）の入力光信号に対してはバー方向に出力されるように設定する。

本発明の実施形態に係る光リミッタアンプの概略構成図である。 従来の超高速パケットを使用した光通信システムの一例を示す概略構成図である。 従来の光リミッタアンプ（低飽和半導体光増幅器）の概略透視構造図（同図（ａ））と、光リミッタアンプの入出力パワー特性を示す図（同図（ｂ））である。 半導体光増幅器のパタン効果を説明する図であり、半導体光増幅器への入力光信号を示す図（同図（ａ））と、半導体光増幅器の出力光信号を示す図（同図（ｂ））である。 パタン効果を抑制した従来の光リミッタアンプの概略構成図である。

符号の説明

１００ 入力光信号
１０１ 光合分波器
１０２〜１０５ 入出力ポート
１０６ 光合分波器
１０７〜１１０ 入出力ポート
１１１ 反転信号生成器
１１２ 連続光
１１３ 低飽和半導体光増幅器
１１４ 波長フィルタ
１〜３ ユーザ末端
４ａ〜４ｃ 光ファイバ
５ 光ルータ
６ 光ファイバ
７ ユーザ末端
８ａ〜８ｃ パケット
９ａ〜９ｃ パケット
１０ 活性層
11ａ，11ｂ スポットサイズ変換部
１２，１３ 電極
９００ 入力光信号
９０１ 光カプラ
９０２ 低飽和半導体光増幅器
９０３ 波長変換素子
９０４ 連続光
９０５ 光サーキュレータ
９０６ 波長フィルタ
９０７〜９１０ 入出力ポート

Claims (6)

1. 半導体光増幅器を備え、入力された光信号の光強度にかかわらず所定の光強度の光信号を出力する光リミッタアンプにおいて、
   前記半導体光増幅器の一端に、第１波長の光信号と、当該光信号に対して論理符号の反転した第２波長の光信号とを入力し、
   前記半導体光増幅器の他端から所定の光強度の第１波長の光信号を出力することを特徴とする光リミッタアンプ。
2. 半導体光増幅器を備え、入力された光信号の光強度にかかわらず所定の光強度の光信号を出力する光リミッタアンプにおいて、
   第１波長の光信号を分波する第１光合分波器と、
   第１波長の光信号が入力され、当該光信号に対して論理符号の反転した第２波長の光信号を生成する反転信号生成器と、
   前記分波された一方の第１波長の光信号を導波して前記半導体光増幅器の一端に入力すると共に、前記分波された他方の第１波長の光信号を導波して前記反転信号生成器の一端に入力し、前記反転信号生成器から生成される論理符号の反転した第２波長の光信号を導波して前記半導体光増幅器の一端に入力する第２光合分波器と、
   前記半導体光増幅器の他端に接続され、前記第２波長の光信号を遮断する波長フィルタとを有し、
   所定の光強度の第１波長の光信号を出力することを特徴とする光リミッタアンプ。
3. 半導体光増幅器を備え、入力された光信号の光強度にかかわらず所定の光強度の光信号を出力する光リミッタアンプにおいて、
   第１波長の光信号を入力する第１入出力ポートと、分波された前記第１波長の光信号の一方を出力する第２入出力ポートと、分波された前記第１波長の光信号の他方を出力する第３出力ポートとを有する第１光合分波器と、
   前記分波された一方の第１波長の光信号が入力される第１入出力ポートと、当該第１入出力ポートに入力された光信号を出力する第２入出力ポートと、前記分波された他方の第１波長の光信号が入力される第３入出力ポートと、当該第３入出力ポートに入力された光信号を出力する第４入出力ポートとを有する第２光合分波器と、
   前記第２光合分波器の第４入出力ポートに接続され、当該第４入出力ポートから出力された前記他方の第１波長の光信号に対して論理符号の反転した第２波長の光信号を生成し、前記第２光合分波器の第４入出力ポートに当該第２波長の光信号を入力する反転信号生成器とを有し、
   前記第２光合分波器は、前記第４入出力ポートに入力された第２波長の光信号を前記第２入出力ポートから出力し、
   前記半導体光増幅器の一端は、前記第２光合分波器の第２入出力ポートに接続され、前記半導体光増幅器の他端には前記第２波長の光信号を遮断する波長フィルタとが接続され、
   所定の光強度の第１波長の光信号を出力することを特徴とする光リミッタアンプ。
4. 請求項２又は３に記載する光リミッタアンプにおいて、
   前記反転信号生成器は、波長変換素子と第２波長の連続光を出力する光源とを有してなり、
   前記波長変換素子の一端は前記第２光合分波器に接続され、前記波長変換素子の他端は前記光源に接続されていることを特徴とする光リミッタアンプ。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載する光リミッタアンプにおいて、
   前記第１波長の光信号についての前記第１光合分波器から前記第２光合分波器を介して前記半導体光増幅器までの光路長Ｌ１と、
   前記第１波長の光信号についての前記第１光合分波器から前記第２光合分波器を介して前記反転信号生成器までの光路長Ｌ２と、
   前記第２波長の光信号についての前記反転信号生成器から前記第２光合分波器を介して前記半導体光増幅器までの光路長Ｌ３とについて、
   光路長Ｌ２と光路長Ｌ３との和が、光路長Ｌ１と等しいことを特徴とする光リミッタアンプ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載する光リミッタアンプにおいて、
   前記半導体光増幅器は、低飽和半導体光増幅器であることを特徴とする光リミッタアンプ。

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