JP2008225217A

JP2008225217A - 波長変換器

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Publication number: JP2008225217A
Application number: JP2007065452A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Okuno; 俊明奥野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-25
Also published as: EP2120090A1; WO2008111633A1; EP2120090A4; US8054525B2; CN101641639A; US20100134868A1

Abstract

【課題】簡易かつ安価な構成とすることができる波長変換器を提供する。
【解決手段】変換対象である入力光は、励起光源１１から出力された励起光とともに、光合波部２１により合波されて光ファイバ３１の一端に入力される。光ファイバ３１の一端に入力された入力光および励起光が光ファイバ３１を導波する間に、非線形光学現象が発現して、入力光の波長と異なる波長の変換光が光ファイバ３１において発生する。その光ファイバ３１で発生した変換光は、光ファイバ３１の他端から出力され、光分岐部４１および波長選択部５１を経て出力される。光ファイバ３１の零分散波長が零分散波長調整手段６１により調整されるので、これにより波長変換器１における波長変換特性も調整され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力される入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する波長変換器に関するものである。

波長変換器は、光ファイバ等において発現する非線形光学現象（四光波混合）を利用して、入力光の波長と異なる波長の変換光を発生するものである。所望の波長変換特性を得るためには、光ファイバに入力される励起光の波長は、光ファイバの零分散波長に応じて調整される必要がある（非特許文献１を参照）。また、このような励起光の波長が可変である励起光源として用いられ得る波長可変光源が知られている（非特許文献２を参照）。

一方、光ファイバの零分散波長を調整することで同等の効果を目指す試みがなされている。例えば非特許文献３では、高非線形ファイバを引っ張ることにより、ファイバの零分散波長をシフトさせることが可能であることが示されている。非特許文献３では、ファイバに張力を付与する具体的な方法について明らかにされておらず、特に付与するべき張力を繰り返し変化させる方法については検討されていない。
M. Onishi, et al., Proc. 23th Eur. Conf. on Opt. Comm., vol.2,p.115, 1997. K. Inoue, et al., IEEE Photonics Technology Letters, vol.6, no.12,pp.1451-1453, 1994. M. Takahashi et al.: Proc. 32nd ECOC 2006Th.1.5.1. T. Okuno, et al.:IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron. Vol. 5 (1999) 1385. T. Okuno, et al.: Electron. Lett. vol. 39 (2003) 972.

しかしながら、波長可変光源を用いた波長変換器は、構成が複雑であり価格が高い。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、簡易かつ安価な構成とすることができる波長変換器を提供することを目的とする。

本発明に係る波長変換器は、入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する波長変換器であって、(1) 励起光を出力する励起光源と、(2) 入力光と励起光とを合波して出力する光合波部と、(3)光合波部により合波されて出力された入力光および励起光を入力して導波し、その導波の間に生じる非線形光学現象によって変換光を発生する一または複数のコイル状に巻かれた光ファイバと、(4) 光ファイバの温度、応力、または張力を調整することにより光ファイバの零分散波長を調整する零分散波長調整手段と、を備えることを特徴とする。

この波長変換器では、変換対象である入力光は、励起光源から出力された励起光とともに、光合波部により合波されて光ファイバの一端に入力される。光ファイバの一端に入力された入力光および励起光が光ファイバを導波する間に、非線形光学現象が発現して、入力光の波長と異なる波長の変換光が光ファイバにおいて発生する。その光ファイバで発生した変換光は、光ファイバの他端から出力される。このとき、光ファイバの零分散波長が零分散波長調整手段により調整されるので、これにより波長変換器における波長変換特性も調整され得る。

本発明に係る波長変換器は、光ファイバが高非線形性光ファイバ（非線形係数γが10 W^-1km^-1以上の光ファイバ、たとえば非特許文献４、非特許文献５に記載の光ファイバ）であるのが好適である。この場合には、波長変換効率が高く、光ファイバを短尺化することができる。それ故、偏波モード分散、誘導ブリルアン散乱および分散特性長手変動が低減される。

本発明に係る波長変換器では、零分散波長調整手段は、光ファイバの温度を調整することにより光ファイバの零分散波長を調整するのが好適であり、光ファイバの応力を調整することにより光ファイバの零分散波長を調整するのが好適であり、また、光ファイバの張力を調整することにより光ファイバの零分散波長を調整するのが好適である。また、零分散波長調整手段が光ファイバの温度を調整する場合には、その温度調整範囲は４０℃以上であるのが好適であり、この場合には、波長変換器における波長変換特性の調整量を充分なものとすることができる。特に、入力パワーが高くなると、四光波混合の位相整合が長波長側にシフトすることが知られており（非特許文献６を参照）、入力パワーに応じてゼロ分散波長を制御する必要が生じる場合もある。この場合にも、本発明により、入力パワーの増減に対し、波長を変化させることなく変換帯域を制御または保持するなど、柔軟に対応することが可能となる。

本発明に係る波長変換器は、(a) 光ファイバの状態を検出する検出部と、(b) 検出部による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段による光ファイバの零分散波長調整を制御する制御部と、を更に備えるのが好適である。この場合には、光ファイバの状態が検出部により検出部され、この検出部による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段による光ファイバの零分散波長調整が制御部により制御される。このようにすることにより、波長変換器における波長変換特性は、調整され得るだけでなく、所望特性に安定に維持される。

本発明に係る波長変換器は、特性の異なる複数のファイバをそれぞれコイル状にした構成、もしくは特性が同じファイバを複数のコイル状にした構成を有し、それらのコイルを一括もしくは独立して制御可能であると望ましい。複数のコイルが縦続に接続されることで、トータルとしての波長変換特性を制御する自由度を増すことが可能となる。

零分散波長調整手段において、温度や張力、応力の付与部分が、場所によって独立に制御できるようになっていることが望ましい。このことにより、零分散波長調整手段によって調整される光ファイバの零分散波長が、一つのコイル状の中でほぼ一定とすることが出来る。また、独立に制御しなくても、各零分散波長に応じて零分散波長を長手方向に一定とするようにあらかじめ設計された条件を制御系に与えておくことにより、簡単な構成での実現が可能となる。他にも、コイル状にする光ファイバの外径やコア径、残留応力特性などをあらかじめ長手に変化させたファイバを活用することにより、例えば１箇所の制御など、単純な零分散波長調整手段においてもコイル中でほぼ一定の零分散波長を保持することが可能となる。

本発明に係る波長変換器は簡易かつ安価な構成とすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る波長変換器の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る波長変換器１の構成図である。この図に示される波長変換器１は、励起光源１１、光合波部２１、光ファイバ３１、光分岐部４１、波長選択部５１、零分散波長調整手段６１、検出部７１および制御部７２を備え、入力される入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する。

励起光源１１は、励起光を出力する。光合波部２１は、変換対象である入力光を入力するとともに、励起光源１１から出力された励起光をも入力して、これら入力光と励起光とを合波して出力する。光ファイバ３１は、光合波部２１により合波されて出力された入力光および励起光を一端に入力して導波し、その導波の間に生じる非線形光学現象（四光波混合）によって変換光を発生して、その変換光を他端から出力する。光ファイバ３１は、励起光波長の近傍に零分散波長を有する。なお、光ファイバ３１の他端から出力される光には、変換光に加えて、入力光と同じ波長の光および励起光が含まれる。

光ファイバ３１は、高非線形性光ファイバであるのが好適である。この場合には、波長変換効率が高く、光ファイバ３１を短尺化することができる。それ故、偏波モード分散、誘導ブリルアン散乱および分散特性長手変動が低減される。また、光ファイバ３１は、コイル状に巻かれた状態であるのが好適である。この場合には、小型化可能であり、取扱が容易である。

光分岐部４１は、光ファイバ３１から出力された光の殆どを波長選択部５１へ出力するとともに、一部を分岐して検出部７１へ出力する。波長選択部５１は、光分岐部４１から出力されて到達した光を入力し、その入力した光のうち変換光を選択的に出力する。波長選択部５１は、例えば光フィルタや光分波器等である。

零分散波長調整手段６１は、光ファイバ３１の零分散波長を調整するものである。零分散波長調整手段６１は、光ファイバ３１の温度を調整することにより光ファイバ３１の零分散波長を調整してもよいし、光ファイバ３１の応力を調整することにより光ファイバ３１の零分散波長を調整してもよいし、また、光ファイバ３１の張力を調整することにより光ファイバ３１の零分散波長を調整してもよい。零分散波長調整手段６１が光ファイバ３１の温度を調整する場合には、その温度調整範囲は４０℃以上であるのが好適であり、この場合には、光ファイバ３１の零分散波長の調整量を充分なものとすることができ、ひいては、波長変換器１における波長変換特性の調整量を充分なものとすることができる。

検出部７１は、光分岐部４１により分岐されて到達した光を入力して受光し、その受光結果に基づいて光ファイバ３１の状態を検出する。このとき、検出部７１は、受光した光のパワーもしくはスペクトル、または、受光した光のうちの変換光のパワーに基づいて、光ファイバ３１の状態を検出する。制御部７２は、検出部７１による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段６１による光ファイバ３１の零分散波長調整を制御する。

この波長変換器１は以下のように動作する。変換対象である入力光は、励起光源１１から出力された励起光とともに、光合波部２１により合波されて光ファイバ３１の一端に入力される。光ファイバ３１の一端に入力された入力光および励起光が光ファイバ３１を導波する間に、非線形光学現象が発現して、入力光の波長と異なる波長の変換光が光ファイバ３１において発生する。その光ファイバ３１で発生した変換光は、光ファイバ３１の他端から出力され、光分岐部４１および波長選択部５１を経て出力される。

このとき、光ファイバ３１の零分散波長が零分散波長調整手段６１により調整されるので、これにより波長変換器１における波長変換特性も調整され得る。また、光ファイバ３１の状態が検出部７１により検出され、検出部７１による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段６１による光ファイバ３１の零分散波長調整が制御部７２により制御される。このように、本実施形態に係る波長変換器１は簡易かつ安価な構成とすることができる。

ここで、励起光の波長を１５４９.４ｎｍとし、また、光ファイバ３１として以下の諸元を有する高非線形性光ファイバを想定する。光ファイバ３１は、励起光波長において、室温付近での温度Ｔによる零分散波長λ_０の微係数（ｄλ_０／ｄＴ）の値が０.０２ｎｍ／℃であり、波長分散が０.０２４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが０.０３ｐｓ／ｎｍ^２／ｋｍであり、伝送損失が０.５ｄＢ／ｋｍであり、長さが１ｋｍであり、非線形係数γが２０Ｗ^−１ｋｍ^−１である。また、光ファイバ３１の分散スロープの波長依存性および零分散波長は、長手方向に一様であるとする。

この光ファイバ３１は、温度Ｔによる零分散波長λ_０の微係数（ｄλ_０／ｄＴ）の値が０.０２ｎｍ／℃であるから、４０℃の温度変化により、零分散波長が０.８ｎｍだけ変化する。図２は、第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる光ファイバ３１の波長分散特性を示す図である。この図は、或る温度Ｔ_０における波長分散特性（ケース１）、および、温度（Ｔ_０＋４０℃）における波長分散特性（ケース２）を示す。ケース１では零分散波長は１５４９.８ｎｍであり、ケース２では零分散波長は１５５０.６ｎｍである。

図３は、第１実施形態に係る波長変換器１における波長変換効率特性を示す図である。この図で、横軸のΔλは、入力光波長と励起光波長との差である。縦軸の波長変換効率ηは、入力光波長と励起光波長とが互いに一致する場合の波長変換効率で規格化されている。この図に示されるように、波長変換帯域幅は、ケース１では４９.２ｎｍであり、ケース２では２３.６ｎｍである。

次に、図４〜図７を用いて、第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる零分散波長調整手段６１の具体的構成について説明する。これらの図に示された構成では、光ファイバ３１は、ボビン３３の胴部の周囲にコイル状に巻かれている。

図４に示される零分散波長調整手段６１としての電圧印加部６１Ａは、ボビン３３に電圧を印加して電流を流し、これによりボビン３３を加熱するとともに、光ファイバ３１をも加熱して、光ファイバ３１の零分散波長を調整する。なお、零分散波長調整手段６１としてのヒータやペルチエ素子が、ボビン３３や光ファイバ３１に配置されていて、これにより光ファイバ３１の零分散波長を調整してもよい。

図５に示される零分散波長調整手段６１としての電圧印加部６１Ｂは、ボビン３３の胴部に電圧を印加して電流を流し、これによりボビン３３の胴部を熱膨張させるとともに、光ファイバ３１の応力を変化させて、光ファイバ３１の零分散波長を調整する。

図６に示される零分散波長調整手段６１としての伸縮部材６１Ｃは、ボビン３３の胴部の内側に挿入される円柱形状のものであり、ピエゾ素子等により径方向に伸縮自在である。この伸縮部材６１Ｃは、径方向の伸縮により、光ファイバ３１の応力を変化させて、光ファイバ３１の零分散波長を調整する。また、ボビンの胴部がピエゾ素子そのものであってもよい。

図７に示される零分散波長調整手段６１としての張力付与部６１Ｄは、光ファイバ３１の両端を把持して移動自在であり、光ファイバ３１に張力を付与することで、光ファイバ３１の零分散波長を調整する。なお、ボビン３３が回転することで、光ファイバ３１に張力を付与して、光ファイバ３１の零分散波長を調整してもよい。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る波長変換器の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る波長変換器２の構成図である。この図に示される波長変換器２は、励起光源１１、光合波部２１、光ファイバ３１，３２、光分岐部４１、波長選択部５１、零分散波長調整手段６１，６２、検出部７１および制御部７２を備え、入力される入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する。

図１に示された第１実施形態に係る波長変換器１の構成と比較すると、この図８に示される第２実施形態に係る波長変換器２は、波長変換媒体として２本の光ファイバ３１，３２を備える点で相違し、また、２本の光ファイバ３１，３２それぞれに対して個別に零分散波長調整手段６１，６２を備える点で相違する。

光ファイバ３１，３２それぞれは、第１実施形態における光ファイバ３１と同様のものである。光ファイバ３１，３２は、同一種類のものであってもよいし、異なる種類のものであってもよい。零分散波長調整手段６１，６２それぞれは、第１実施形態における零分散波長調整手段６１と同様のものである。零分散波長調整手段６１は、光ファイバ３１の零分散波長を調整する。零分散波長調整手段６２は、光ファイバ３２の零分散波長を調整する。

この波長変換器２は以下のように動作する。変換対象である入力光は、励起光源１１から出力された励起光とともに、光合波部２１により合波されて光ファイバ３１の一端に入力される。光ファイバ３１の一端に入力された入力光および励起光が光ファイバ３１，３２を導波する間に、非線形光学現象が発現して、入力光の波長と異なる波長の変換光が光ファイバ３１，３２において発生する。その光ファイバ３１，３２で発生した変換光は、光ファイバ３２の他端から出力され、光分岐部４１および波長選択部５１を経て出力される。

このとき、光ファイバ３１の零分散波長が零分散波長調整手段６１により調整され、また、光ファイバ３２の零分散波長が零分散波長調整手段６２により調整されるので、これにより波長変換器２における波長変換特性も調整され得る。また、光ファイバ３１，３２の状態が検出部７１により検出され、検出部７１による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段６１，６２による光ファイバ３１，３２の零分散波長調整が制御部７２により制御される。このように、本実施形態に係る波長変換器２は簡易かつ安価な構成とすることができる。

（第３実施形態）

次に、本発明に係る波長変換器の第３実施形態について説明する。図９は、第３実施形態に係る波長変換器３の構成図である。この図に示される波長変換器３は、励起光源１１、光分岐部１２、光合波部２１，２２、光ファイバ３１，３２、光分岐部４１、波長選択部５１、零分散波長調整手段６１，６２、検出部７１および制御部７２を備え、入力される入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する。

図８に示された第２実施形態に係る波長変換器２の構成と比較すると、この図９に示される第３実施形態に係る波長変換器３は、光分岐部１２および光合波部２２を備えていて、光ファイバ３１と光ファイバ３２との間においても励起光を合波する点で相違する。

光分岐部１２は、励起光源１１から出力される励起光を２分岐して、その２分岐した励起光を光合波部２１，２２へ出力する。光合波部２１は、変換対象である入力光を入力するとともに、光分岐部１２から到達した励起光をも入力して、これら入力光と励起光とを合波して出力して、光ファイバ３１へ入力させる。また、光合波部２２は、光ファイバ３１から出力された光を入力するとともに、光分岐部１２から到達した励起光をも入力して、これらの光を合波して出力して、光ファイバ３２へ入力させる。

この波長変換器３は以下のように動作する。変換対象である入力光は、励起光源１１から出力され光分岐部１２により分岐された一方の励起光とともに、光合波部２１により合波されて光ファイバ３１の一端に入力される。また、光ファイバ３１の他端から出力された光は、励起光源１１から出力され光分岐部１２により分岐された他方の励起光とともに、光合波部２２により合波されて光ファイバ３２の一端に入力される。入力光および励起光が光ファイバ３１，３２を導波する間に、非線形光学現象が発現して、入力光の波長と異なる波長の変換光が光ファイバ３１，３２において発生する。その光ファイバ３１，３２で発生した変換光は、光ファイバ３２の他端から出力され、光分岐部４１および波長選択部５１を経て出力される。

このとき、光ファイバ３１の零分散波長が零分散波長調整手段６１により調整され、また、光ファイバ３２の零分散波長が零分散波長調整手段６２により調整されるので、これにより波長変換器３における波長変換特性も調整され得る。また、光ファイバ３１，３２の状態が検出部７１により検出され、検出部７１による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段６１，６２による光ファイバ３１，３２の零分散波長調整が制御部７２により制御される。このように、本実施形態に係る波長変換器３は簡易かつ安価な構成とすることができる。

（第４実施形態）

次に、本発明に係る波長変換器の第４実施形態について説明する。図１０は、第４実施形態に係る波長変換器４の構成図である。この図に示される波長変換器４は、励起光源１１、光合波部２１、光ファイバ３１，３２、光分岐部４１、波長選択部５１、零分散波長調整手段６１、検出部７１および制御部７２を備え、入力される入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する。

図８に示された第２実施形態に係る波長変換器２の構成と比較すると、この図１０に示される第４実施形態に係る波長変換器４は、２本の光ファイバ３１，３２それぞれの零分散波長を共通の零分散波長調整手段６１が調整する点で相違する。

この波長変換器４は以下のように動作する。変換対象である入力光は、励起光源１１から出力された励起光とともに、光合波部２１により合波されて光ファイバ３１の一端に入力される。光ファイバ３１の一端に入力された入力光および励起光が光ファイバ３１，３２を導波する間に、非線形光学現象が発現して、入力光の波長と異なる波長の変換光が光ファイバ３１，３２において発生する。その光ファイバ３１，３２で発生した変換光は、光ファイバ３２の他端から出力され、光分岐部４１および波長選択部５１を経て出力される。

このとき、光ファイバ３１，３２の零分散波長が零分散波長調整手段６１により調整されるので、これにより波長変換器４における波長変換特性も調整され得る。また、光ファイバ３１，３２の状態が検出部７１により検出され、検出部７１による検出の結果に基づいて、零分散波長調整手段６１よる光ファイバ３１，３２の零分散波長調整が制御部７２により制御される。このように、本実施形態に係る波長変換器４は簡易かつ安価な構成とすることができる。

なお、光ファイバ３１，３２それぞれの分散スロープが互いに等しければ、温度を変化させた場合であっても、光ファイバ３１，３２それぞれの零分散波長の差は一定である。

第１実施形態に係る波長変換器１の構成図である。第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる光ファイバ３１の波長分散特性を示す図である。第１実施形態に係る波長変換器１における波長変換効率特性を示す図である。第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる零分散波長調整手段６１の具体的構成例を示す図である。第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる零分散波長調整手段６１の具体的構成例を示す図である。第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる零分散波長調整手段６１の具体的構成例を示す図である。第１実施形態に係る波長変換器１に含まれる零分散波長調整手段６１の具体的構成例を示す図である。第２実施形態に係る波長変換器２の構成図である。第３実施形態に係る波長変換器３の構成図である。第４実施形態に係る波長変換器４の構成図である。

符号の説明

１〜４…波長変換器、１１…励起光源、１２…光分岐部、２１，２２…光合波部、３１，３２…光ファイバ、４１…光分岐部、５１…波長選択部、６１，６２…零分散波長調整手段、７１…検出部、７２…制御部。

Claims

入力光の波長と異なる波長の変換光を発生する波長変換器であって、
励起光を出力する励起光源と、
前記入力光と前記励起光とを合波して出力する光合波部と、
前記光合波部により合波されて出力された前記入力光および前記励起光を入力して導波し、その導波の間に生じる非線形光学現象によって前記変換光を発生する一または複数のコイル状に巻かれた光ファイバと、
前記光ファイバの温度、応力、または張力を調整することにより前記光ファイバの零分散波長を調整する零分散波長調整手段と、
を備えることを特徴とする波長変換器。
前記光ファイバが高非線形性光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の波長変換器。
前記零分散波長調整手段は、前記光ファイバの温度を調整するものであり、
前記零分散波長調整手段による前記光ファイバの温度調整範囲が４０℃以上であることを特徴とする請求項１記載の波長変換器。
前記ゼロ分散波長調整手段は、前記一または複数のコイル状に巻かれた光ファイバの内側の胴径を変化させることにより前記光ファイバの応力を調整するものであることを特徴とする請求項１記載の波長変換器。
前記光ファイバの状態を検出する検出部と、
前記検出部による検出の結果に基づいて、前記零分散波長調整手段による前記光ファイバの零分散波長調整を制御する制御部と、
を更に備えることを特徴とする請求項１記載の波長変換器。
前記光合波部により合波されて出力された前記入力光および前記励起光を入力して導波し、その導波の間に生じる非線形光学現象によって前記変換光を発生する複数のコイル状に巻かれた光ファイバと、
前記複数のコイル状に巻かれた光ファイバの温度、応力、または張力を一括または独立して調整することにより前記複数のコイル状に巻かれた光ファイバの零分散波長を調整する零分散波長調整手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の波長変換器。
前記複数のコイル状に巻かれた光ファイバは、同一種類の光ファイバであることを特徴とする請求項６記載の波長変換器。
前記複数のコイル状に巻かれた光ファイバは、互いに異なる種類の光ファイバであることを特徴とする請求項６記載の波長変換器。
前記光ファイバの温度、応力、または張力を調整することにより前記一または複数のコイル状に巻かれた光ファイバおのおのにおいて零分散波長が一定になるように調整する零分散波長調整手段を有することを特徴とする請求項１記載の波長変換器。