JP2007333962A

JP2007333962A - 光スイッチ

Info

Publication number: JP2007333962A
Application number: JP2006164815A
Authority: JP
Inventors: Akira Okabe; 亮岡部; Shigeki Watanabe; 茂樹渡辺; Fumio Futami; 史生二見; Shunsuke Ono; 俊介小野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-27
Also published as: US7397975B2; EP1868029A1; US20070292070A1

Abstract

【課題】四光波混合の発生効率（パラメトリック利得）を低下させることなく、動作帯域を広帯域化した構成を有する光ファイバスイッチを提供する。
【解決手段】光ファイバ２３の出力端にミラーなどの折り返し手段２４を設け、入力された信号光と制御光を再び、光ファイバ２３に戻す。これにより、四光波混合の作用を受ける作用長が２倍になる。光ファイバ２３の零分散波長は長手方向に揺らぐが、比較的短ければ、零分散波長が単調に変化する光ファイバを歩留まり良く製造することができるので、零分散波長の変化が単調な、比較的短い光ファイバを利用可能になる。光ファイバの零分散波長の変化が単調であり、光ファイバが短いので、零分散波長の変化量が小さく、平均の零分散波長の位置に制御光を設定することにより、帯域が広くなる。また、光ファイバ長が短くても、作用長はその２倍なので、発生効率は低下しない。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スイッチに関する。

近年の光ファイバ通信の大容量化に伴い、次世代システムを目指した研究では、ビットレートが160 Gb/s以上に達し、これに適応可能な光スイッチが求められている。超高速に動作する光スイッチの中に、光ファイバ中の非線形光学効果を利用し、光で光を制御する全光信号処理技術を用いた光ファイバスイッチがある。特に高非線形ファイバを用いた光スイッチは、一般にスイッチ効率が高く、低損失な特性を持つ。

このような光ファイバスイッチに応用される非線形光学効果のひとつに、四光波混合と呼ばれる現象がある。四光波混合とは、光ファイバの零分散波長（λ₀）と同じ波長を持つ制御光(λ_C)と制御光とは異なる波長の信号光(λ_S)との両者を、光ファイバに入射すると、第三の光、アイドラー光(λ_I)が発生する現象である。このとき、信号光にも発生したアイドラー光と同じパワーの利得が生じる。これをパラメトリック利得と呼ぶ。

図５は、四光波混合を用いた光ファイバスイッチの典型的な構成例を示す図である。
本構成は、波長λ_Ｓの信号光と、波長λ_Ｃの制御光の偏光状態を、それぞれ偏光制御器１０−１、１０−２を用いて平行にそろえ、光カプラ等の方向性結合器１１を用いて合波し、零分散波長λ_０の光ファイバ１２に入力する構成である。

この四光波混合を効率よく発生させるためには、高非線形ファイバの長手方向に沿って、信号光と制御光の位相整合条件を満たす必要がある。位相整合条件とは、式（１）に示す、信号光と制御光の位相不整合量Δβが０である条件を言う。但し、ｄＤ／ｄλは光ファイバの分散スロープ[ps/nm²/km]、cは光速[m/s]、πは円周率を示す。

式（１）から明らかなように、制御光の波長λ_Ｃと光ファイバの零分散波長λ_０が同じであれば、位相不整合量Δβが０となることがわかる。したがって、光ファイバの長手方向に渡って、常に、制御光の波長λ_Ｃと光ファイバの零分散波長λ_０が一致していれば、一番高効率の四光波混合を発生させることができる。

また、四光波混合の発生効率ηと帯域の定義について説明する。四光波混合効率ηは、光ファイバの入力端における信号光の光パワー(P_S)に対する、光ファイバ出力端のアイドラー光の光パワー（P_I）の比P_I/P_Sと定義され、式（２）に示すように、光ファイバの非線形係数γ[W^-1km^-1]と光ファイバの長さL[km]、制御光のピークパワー（P_C）の積の2乗に比例する値である。

このとき、四光波混合の帯域とは、信号光の波長（λ_S）が制御光波長（λ_C）よりも短い波長（λ_S < λ_C）の場合と、信号光の波長（λ_S）が制御光波長（λ_C）よりも長い波長（λ_S > λ_C）の場合について四光波混合の発生効率について測定し、その発生効率が、最大発生効率が半減する（3dB減少する）信号光の帯域を、四光波混合帯域と定義する。

この四光波混合を光スイッチに用いる場合、発生効率が高く、広い帯域に渡って動作することが望ましい。位相不整合Δβが常に０であれば、いかなる信号光の波長でも位相整合条件が満たされ、動作帯域は、無限大に広くなる。その条件を満たすためには、光ファイバの分散スロープが常に０であること、もしくは、制御光の波長（λ_C）と信号光の波長(λ_S)が完全に一致していれば良いことが分かる。また、高い効率で四光波混合を発生させるためには、式（２）より、非線形係数を上げること、制御光のピークパワーを高くすること、光ファイバの長さを長くすれば良いことが分かる。これらの特性は、信号光に対するパラメトリック利得についても同じである。

しかしながら、実際の光ファイバは、分散スロープを完全に０にすることは困難であり、零分散波長が光ファイバの長手方向に沿って変動している。例えば、光ファイバの長手方向における零分散波長の測定結果について、非特許文献１で報告されており、高非線形ファイバについては非特許文献２で報告されている。

図６は、非特許文献２で報告された、高非線形ファイバの長手方向に沿って測定された零分散波長の分布について示す図である。
図中のFiber-AとFiber-Bは、異なる非線形係数を持つ高非線形ファイバのサンプルである。両者ともに、零分散波長は光ファイバの全長2kmの間で、およそ2nmほど変動していると報告されている。後述するが、ここで零分散波長の変動状態について記す。図６中の「Sample」とは、100mの切り出されたサンプルを示している。図から分かるように、数100m程度の長さに限定すれば、零分散波長が長手方向に沿って単調に増加（もしくは単調に減少）しているサンプルならば、多くのサンプルを切り出すことが可能であることが分かる。

このように、従来の光ファイバでは、長手方向に零分散波長が変動しているために、完全に位相整合条件を満たすことができず、四光波混合の発生効率や、帯域を制限する要因の一つとなっている。

従来の四光波混合を利用した光デバイスについては、特許文献１や２に記載されており、これらの中では、四光波混合による光デバイスの偏光による依存性を低減する技術が開示されている。
L.F.Mollenauer, et al., Tech. Digest, OFC’97 pp.255-256 Hirano et al., OFC 2005 Post deadline session 4 特開平５−２８９１２４号公報特開平１１−２３８９４１号公報

上記問題を解決するために、従来の手法では、高非線形ファイバの長さを短くすることで零分散波長の変動幅を減らし、動作帯域の広帯域化を図っていたが、発生効率が低くなる問題があった。一方、効率を高めるために光ファイバの長さLを長くすると、帯域が狭まってしまう問題が生じ、図７に示すように帯域と効率はトレードオフの関係にあった。

図７は、帯域と効率のトレードオフの関係の概念を示す図である。
図７にあるように、同一のパワー条件で比較した場合、光ファイバの長さＬが短いと、点線で示されているように、帯域は広いが、効率ηは低くなってしまう。また、光ファイバの長さＬが長いと、実践で示されているように、効率ηは高いが、帯域が狭くなってしまう。

本発明の課題は、四光波混合の発生効率（パラメトリック利得）を低下させることなく、動作帯域を広帯域化した構成を有する光ファイバスイッチを提供することである。

本発明の光スイッチは、信号光の偏光状態を制御する第１の偏光制御手段と、制御光の偏光状態を制御する第２の偏光制御手段と、該第１及び第２の偏光制御手段の出力を合波する合波手段と、該合波手段の出力を受光し、四光波混合を発生させる非線形媒体と、該非線形媒体の出力を折り返し、再び、該非線形媒体に入力する折り返し手段と、該折り返し手段によって折り返された、該非線形媒体通過後の信号光と制御光を、該合波手段からの信号光及び制御光と分離する分離手段と、該分離手段からの信号光と制御光の混合された光から信号光を抽出する抽出手段とを備えることを特徴とする。

本発明により、四光波混合の発生効率（パラメトリック利得）を低減させることなく、動作帯域を広帯域化した光ファイバスイッチが提供される。また、従来の構成よりも光ファイバスイッチに必要な光ファイバ長の短尺化が可能になるため、光スイッチに用いることが可能な光ファイバの歩留まりが向上する効果が見込まれる。

図１は、本発明の実施形態の基本構成図を示す図である。
図１において、信号光（波長：λ_S）と制御光（波長：λ_C）は、それぞれ偏光制御手段２０−１、２０−２により偏光状態を操作され、光カプラ等の方向性結合器２１により合波される。合波されたそれぞれの光は、光サーキュレータ等の方向性光分離手段２２を透過し、光ファイバ２３に入力される。光ファイバの出力端には、ミラー等の折り返し手段２４が設置され、信号光と制御光はそれぞれ折り返され、再び光ファイバ２３に入力される。そして、信号光と制御光は、方向性光分離手段２２により、取り出される。

本構成を用いることにより、光ファイバの長さをＬとすると、折り返しされるために、作用長が２倍の２Ｌになる。しかしながら、前述したように、実際の光ファイバでは、長手方向に零分散波長の変動が存在するため、従来構成（図５参照）において、長さを２Ｌにした場合と、本発明の構成で長さをＬとし作用長を２Ｌとした場合では、得られる効果が異なる。図２を用いて、その効果について説明する。

図２は、本発明の構成によって得られる効果について説明する図である。
図２は、横軸が作用長であり、縦軸は零分散波長の変動量を示している。従来の構成では、作用長と光ファイバの長さが等しく２Ｌである一方、本発明の場合は、作用長が従来構成と同様に２Ｌであるが、光ファイバの長さはＬである。図６を用いて説明したように、数100mであれば、零分散波長が単調に増加（もしくは単調に減少)しているファイバを想定することが可能であるために、ここでは、光ファイバの長手方向に単調に増加する場合を想定する。両者は、同じ作用長２Lであるが、零分散波長の変動量は、従来の構成ではΔλ_０であるのに対し、本発明実施形態の構成を採用することにより、光ファイバの長さが１／２になるので、変動量をΔλ_０／２と半減することが可能となる。零分散波長の変動量は、ファイバの作用長ではなくて、物理長で決まる。つまり、光が、Ｌの長さで反射されて戻ってくれば、ファイバの物理長は、Ｌなので、２Ｌの点での変動量Δλ_０よりも小さくなる。最終的に、光が折り返されてＬ＝０の点に戻れば作用長は、２Ｌとなるが、物理長は、Ｌとなるので、変動量も小さくてすむ。

図３は、零分散波長の変動量低減による四光波混合帯域への効果について説明する図である。
図３（ａ）は、数値計算シミュレーションに用いた零分散波長の変動モデルを示し、図３（ｂ）は数値計算シミュレーションした帯域の結果について示す。この数値計算シミュレーションは、式（２）の計算式を、詳細に記述した式（３）に基づく。

式（３）は、制御光のパワーが減衰せず、制御光のパワーが信号光のパワーに比べて十分に大きいという、仮定を含む。式（３）と位相不整合量Δβを示す式（１）は、式（４）により関係づけられる。

これにより、Δλと四光波混合効率（Efficiency）との相関関係（計算結果）が図３（ｂ）のように示される。図３（ｂ）の縦軸は、四光波混合発生効率を最大値で規格化した結果を示し、横軸のΔλは、制御光と信号光の波長差（離調量）を表わす。ここでは、先に定義した四光波混合帯域において信号光波長λ_Sが制御光波長λ_Cよりも短い場合のみについて示している。数値計算シミュレーションのモデルは、ファイバ長を1000mとし、制御光は、零分散波長の変動量Δλ_０が０のときに、λ_C=λ₀波長λ_Cとなるように設定した。各シミュレーション条件について説明する。（１）は、λ₀ = 0 nmの場合、（２）は、Δλ₀ = 4nm(従来構成の例)、（３）は、Δλ₀ = 2nm(本発明の例)、（４）は、Δλ₀ = 4nm(従来構成例でλ_Cを平均零分散に設定した場合)である。（１）は、式（１）で説明したように、零分散波長の変動が0である理想的な光ファイバであるために、完全に位相整合条件が満たされ、帯域は劣化せず、無限大に広がる。一方、従来の構成（２）では、本数値計算シミュレーションの条件においてΔλが12nmで、効率が半減するのに対し、本発明による構成の数値シミュレーション結果（３）は、Δλが19nmで効率が半減し、帯域が拡大する効果が示されている。また、（４）は、平均零分散波長に制御光を設定した場合のシミュレーション結果であるが、（３）よりも広い帯域の特性を示している。これは、本シミュレーション条件において、制御光と信号光が光ファイバを伝播するときに、位相不整合が光ファイバの全長に渡り最小となる条件であるためである。したがって、本発明の構成で、最大の帯域を発生させるためには、（３）の条件下で、（４）の条件を満たすように、すなわち、平均零分散波長に制御光を設定するようにすれば良い。

以上では、零分散波長の変動量が低減すれば、四光波混合の帯域が拡大する効果について説明した。従来構成と本発明の構成を比較し、本構成のデメリットについて考えてみる。本発明の構成では、従来の構成と比較し、光アイソレータ、光サーキュレータ、ミラーが新たに組み込まれ、挿入損失が増えることが上げられる。一般に市販されているこれらの光学素子の挿入損失は、General Photonics社（http://www.generalphotonics.com/）のカタログによると、総挿入損失は、およそ2dBほどで構成することが可能ある。四光波混合の発生効率は、式（２）において説明したように、光ファイバ長の2乗に比例する。つまり、従来の構成で光ファイバ長Lを用いた場合の四光波混合効率をηとすると、本発明の構成でファイバ長をLとしたとき、作用長が2倍になるために、効率として4倍向上する効果が得られる。この効果を用いて従来の構成と同じ発生効率ηを本発明で発生させる場合、上記の挿入損失を補償しても、光ファイバ長をおよそ35%短尺化した光ファイバ長0.65Lで実現することができる。以上のようにして、挿入損失のデメリットをも克服し、本発明は、発生効率を低減させることなく、広帯域化が可能となる。

図４は、本発明の基本構成を用いた光ファイバスイッチの構成例を示す図である。
なお、図４において、図１に対応する構成要件には対応する参照符号を付して、説明を省略する。

図４は、図１で説明した本発明の基本構成におけるスイッチ出力に、偏光子３１と光フィルタ３２を設置し、光パラメトリック利得を伴った信号光成分のみを抽出する光ファイバスイッチの構成例である。光パラメトリック利得とは、四光波混合により、信号光に利得が生じる効果を言う。本発明の基本構成を光ファイバスイッチに適応するに当たり、信号光と制御光は、それぞれ、連続発振光でも、光パルスでも良い。信号光と制御光が、ともに光パルスであり、時分割多重された信号光に同期した制御光パルスによりスイッチを行う場合には、信号光パルスと、制御光パルスのタイミングが時間的に重なるように調整を行う必要がある。この調整を行うには、光遅延線を信号光、制御光いずれかの入力に設置し、信号光パルスか制御光パルスの遅延時間を調整すれば良い。また、本光スイッチを光サンプリング等の用途のために、意図的に信号光パルスと制御光パルスの繰り返し周波数を変えて使用する場合には、必ずしも遅延線を設置する必要は無い。なお、信号光と制御光を合波する光カプラ２１は、信号光波長と制御光波長の信号を低損失に合波することが可能なWDMカプラでも良い。信号光と制御光の偏光状態は、次のように設定する。制御光が光スイッチに入力されていない状態のときに、光スイッチに信号光を入力し、偏光子３１の出力端において透過成分が遮断されるように設定する。つまり、信号光の偏光状態を偏光子３１の透過軸方向に対して直交するように設定する。次に、信号光に対して、制御光の偏光状態を、およそ45度になるように設定し、光ファイバへ入力する。制御光の偏光状態を光源から光ファイバまで保持して、光ファイバに最適な状態で入射できる構成の場合には、偏波制御器（２０−２）は必ずしも必要ない。このとき、信号光は、光ファイバ中で相互位相変調により偏光状態が回転する効果と、四光波混合によるパラメトリック利得を受け、偏光面が制御光とほぼ同じ状態になり、偏光子３１の透過軸方向の成分が偏光子３１を透過する。（およそ45度の角度で入力したときに、最も偏光子からの出力パワーが大きくなる。）このとき制御光の波長は、光ファイバの平均零分散波長に一致するように設定する。光ファイバは、分散シフトファイバ（DSF）、高非線形ファイバ、フォトニック結晶ファイバ（PCF）のいずれかで良い。また、このとき用いるミラーは、100%反射するミラーでも、偏光状態を90度回転し、反射する特徴を持つファラデーローテションミラーでも良い。このようにして、偏光子３１を透過した信号光の成分を光フィルタ３２により抽出する。この光フィルタ３２は、制御光の波長（λ_C）を遮断するバンドリジェクション・フィルタでも、信号光の波長(λ_S)のみを透過するバンドパス・フィルタのいずれでも、信号波長と制御光波長の信号を低損失に分離することが可能なWDMカプラのいずれかで良い。

なお、光アイソレータ３０は、ミラー２４から反射された光が、光サーキュレータ２２から漏れ、信号光と制御光の入力側に行かないようにするためのものである。

本発明の実施形態の基本構成図を示す図である。本発明の構成によって得られる効果について説明する図である。零分散波長の変動量低減による四光波混合帯域への効果について説明する図である。本発明の基本構成を用いた光ファイバスイッチの構成例を示す図である。四光波混合を用いた光ファイバスイッチの典型的な構成例を示す図である。高非線形ファイバの長手方向に沿って測定された零分散波長の分布について示す図である。帯域と効率のトレードオフの関係の概念を示す図である。

符号の説明

１０−１、１０−２、２０−１、２０−２偏光制御器（手段）
１１、２１光カプラ（方向性結合器）
１２、２３光ファイバ
２２方向性光分離手段（光サーキュレータ）
２４折り返し手段（ミラー）
３０光アイソレータ
３１偏光子
３２光フィルタ

Claims

信号光の偏光状態を制御する第１の偏光制御手段と、
制御光の偏光状態を制御する第２の偏光制御手段と、
該第１及び第２の偏光制御手段の出力を合波する合波手段と、
該合波手段の出力を受光し、四光波混合を発生させる非線形媒体と、
該非線形媒体の出力を折り返し、再び、該非線形媒体に入力する折り返し手段と、
該折り返し手段によって折り返された、該非線形媒体通過後の信号光と制御光を、該合波手段からの信号光及び制御光と分離する分離手段と、
該分離手段からの信号光と制御光の混合された光から信号光を抽出する抽出手段と、
を備えることを特徴とする光スイッチ。
前記合波手段は、光カプラであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記非線形媒体は、高非線形光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記折り返し手段は、ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記分離手段は、光サーキュレータであることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記抽出手段は、
偏光子と、
信号光の波長の光を抽出する光フィルタと、
からなることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
前記偏光子は、前記光スイッチに制御光が入力されていない場合には、信号光を通過させないことを特徴とする請求項６に記載の光スイッチ。
前記第１と第２の偏光制御手段は、信号光の偏光面と制御光の偏光面のなす角度をおよそ４５度に設定することを特徴とする請求項７に記載の光スイッチ。
前記偏光子の透過軸は、信号光の偏光面と９０度の角度をなすことを特徴とする請求項８に記載の光スイッチ。