JP2011142544A - 光給電型光源およびそれを用いた光給電型ｒｏｆシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＢＳを発生させずに無変調の単一縦モードのレーザ光の長距離伝送を行うことが可能な光給電型光源およびそれを用いた光給電型ＲＯＦシステムを提供する。
【解決手段】波長λ_aの無変調光の単一縦モードのレーザ光ａを出力する第１の光源部１１と、波長λ_bの複数の縦モードを有するレーザ光ｂを出力する第２の光源部１２と、レーザ光ａとレーザ光ｂを合波する合波器１３と、合波器１３によって合波されたレーザ光ａ、ｂの合波光ｃが入射され、該レーザ光ｂにより該レーザ光ａをラマン増幅しながら伝搬させる光ファイバ１４と、光ファイバ１４を伝搬された合波光ｃから波長λ_aのレーザ光ａ'および波長λ_bのレーザ光ｂ'を分波する分波器１５と、分波器１５によって分波されたレーザ光ｂ'を光電変換し電力として出力する光電変換素子１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光給電型光源およびそれを用いた光給電型ＲＯＦシステムに関し、特に、無変調光を光ファイバで長距離伝送するための光給電型光源およびそれを用いた光給電型ＲＯＦシステムに関する。

近年、アナログ地上放送に代わる放送として地上デジタル放送が開始され、電波の有効利用やテレビ放送の高画質化および高機能化が推進されている。しかしながら、このような状況下にあっても、離島、山間地域を中心とする難視聴地域が依然として存在しており、その解消が急務となっている。

この解決策として、ＲＯＦ（Radio On Fiber）システムが注目されている。ＲＯＦとは無線信号で光を強度変調し、光ファイバで伝送する技術である。光ファイバは、同軸ケーブルに比べ低損失で広帯域なため、高周波の無線信号を数ｋｍ先の遠隔地まで伝送することができる。さらに、光ファイバには、外来ノイズや落雷の影響を受けにくいというメリットがある。

図７にＲＯＦシステムの適用例の１つである受信システムの構成を示す。即ち、従来のＲＯＦシステムは、レーザ光をそれぞれ出射するレーザ光源５１、５２と、該レーザ光をそれぞれ伝搬させる光ファイバ５３、５４と、光ファイバ５３を伝搬されたレーザ光を光電変換して電力として出力する光電変換素子５５と、を備えている。

さらに、従来のＲＯＦシステムは、電波を受信して受信信号を出力するアンテナ５６と、該受信信号を増幅する増幅器５７と、光ファイバ５４を伝搬されたレーザ光を増幅された受信信号に応じて変調することにより信号光を生成する光変調器５８と、光変調器５８から出力された信号光を伝搬させる光ファイバ５９と、光ファイバ５９を伝搬された信号光を電気信号に変換する受光器６０と、該電気信号を受信する受信器６１と、を備えている。

ここで、レーザ光源５１、５２、受光器６０および受信器６１の設置場所と、光電変換素子５５、アンテナ５６、増幅器５７、光変調器５８の設置場所とは遠く離れているものとする。なお、増幅器５７は、光電変換素子５５から出力された電力を動作電力とするようになっている。

図７の受信システムでは、アンテナ５６で受信された受信信号は、増幅器５７によって所定の増幅率で増幅、あるいは所定の振幅となるように増幅されて、光変調器５８へ出力される。光変調器５８において、レーザ光源５２からのレーザ光は増幅器５７から供給された受信信号で強度変調されて光強度信号に変換される。そして、光変調器５８から出力された光強度信号は、光ファイバ５９を介して受光器６０へ伝送され、受光器６０において電気信号に変換される。受光器６０から出力された電気信号は受信器６１で受信される。

特開平９−８７３７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたような従来のＲＯＦシステムにおいては、レーザ光源と光変調器を結ぶ光ファイバに４０〜５０ｍＷの無変調の単一波長光が伝送されていたため、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）が起こりやすかった。

ＳＢＳは、３次の非線形光学効果の１つで、光ファイバに入射された大強度の光（例えばレーザ光）と、この入射光により光ファイバ中に励起された音響フォノンとの相互作用によって生じる散乱現象である。ＳＢＳが起こると、入射光の伝搬方向と反対の方向にブリルアンシフト周波数と呼ばれる周波数だけ低い周波数を持つ後方散乱光が発生する。従って、ＳＢＳが起こると入射光の伝送特性が劣化し、入射光の長距離伝送が困難になる。

ところで、ＳＢＳには、この現象が発生する閾値パワーＰ_thが存在する。この閾値パワーＰ_thは、入射光の線幅が狭いほど小さくなるという性質を持っている。従って、ＳＢＳを抑制するためには、入射光である無変調の単一波長光の光パワーを抑えればよいが、実際には光パワーを２ｍＷ程度まで抑える必要があり、やはり長距離伝送が困難になるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、ＳＢＳを発生させずに無変調の単一縦モードのレーザ光の長距離伝送を行うことが可能な光給電型光源およびそれを用いた光給電型ＲＯＦシステムを提供することを目的とする。

本発明の光給電型光源は、波長λ_aの無変調光を出力する第１の光源部と、波長λ_bの励起光を出力する第２の光源部と、前記無変調光と前記励起光を合波する合波器と、前記合波器によって合波された無変調光および励起光の合波光が入射され、該励起光により該無変調光をラマン増幅しながら伝搬させる光ファイバと、前記光ファイバを伝搬された合波光から波長λ_aの無変調光および波長λ_bの励起光を分波する分波器と、前記分波器によって分波された励起光を光電変換し電力として出力する光電変換素子と、を備える構成を有している。

この構成により、ＳＢＳを発生させずに無変調の単一縦モードのレーザ光の長距離伝送を行うことが可能な光給電型光源を実現できる。

また、本発明の光給電型光源は、前記第１の光源部が単一縦モードで発振する半導体レーザである構成を有していてもよい。また、本発明の光給電型光源は、前記第２の光源部が複数の縦モードで発振する半導体レーザである構成を有していてもよい。

また、本発明の光給電型ＲＯＦシステムは、上記の光給電型光源と、電波を受信して受信信号を出力するアンテナと、前記光電変換素子から出力された電力を動作電力とし、前記受信信号を増幅する増幅器と、前記分波器によって分波された無変調光を前記増幅器によって増幅された受信信号に応じて変調して信号光を生成する光変調器と、前記信号光を電気信号に変換する受光器と、前記電気信号を受信する受信器と、を備える構成を有している。

この構成により、アンテナで受信された電波が微弱であっても、十分な強度を有する光強度信号として遠方の受信器へ伝送することが可能な光給電型ＲＯＦシステムを実現できる。

本発明は、ＳＢＳを発生させずに無変調の単一縦モードのレーザ光の長距離伝送を行うことが可能な光給電型光源およびそれを用いた光給電型ＲＯＦシステムを提供するものである。

本発明の第１の実施形態の光給電型光源の構成を示すブロック図 本発明の第１の実施形態の光給電型光源に使用されるＤＦＢ半導体レーザの光の導波方向に沿った断面図 本発明の第１の実施形態の光給電型光源に使用される光源部の構成を示すブロック図 励起光波長と利得との関係を示すグラフ 本発明の第２の実施形態の光給電型ＲＯＦシステムの構成を示すブロック図 本発明の第２の実施形態の光給電型ＲＯＦシステムに使用される光変調器の上面図 従来の光給電型ＲＯＦシステムの構成を示すブロック図

以下、本発明に係る光給電型光源およびそれを用いた光給電型ＲＯＦシステムの実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
本発明に係る光給電型光源の第１の実施形態を図１〜図４を用いて説明する。図１は本実施形態の光給電型光源１の構成を示すブロック図である。

即ち、光給電型光源１は、無変調の単一縦モードのレーザ光ａ（波長λ_aの無変調光）を出力する第１の光源部１１と、複数の縦モードを有するレーザ光ｂ（波長λ_bの励起光）を出力する光源部１２と、レーザ光ａ、ｂを合波する合波器１３と、合波器１３によって合波されたレーザ光ａ、ｂの合波光ｃが入射され、該レーザ光ｂにより該レーザ光ａをラマン増幅しながら伝搬させる光ファイバ１４と、を備えている。

また、光給電型光源１は、光ファイバ１４を伝搬された合波光ｃから波長λ_aのレーザ光ａ'および波長λ_bのレーザ光ｂ'を分波する分波器１５と、分波器１５から出射されたレーザ光ａ'、ｂ'をそれぞれ伝搬させる光ファイバ１６、１７と、光ファイバ１７を伝搬されたレーザ光ｂ'を光電変換して電力として出力する光電変換素子１８と、を備えている。

光電変換素子１８は、例えば、Ｇｅ、ＩｎＧａＡｓ、または、ＩｎＧａＡｓＰ等の材料からなるフォトダイオードが用いられる。

光源部１１は、例えば、単一縦モードでレーザ発振する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）半導体レーザからなる。ＤＦＢ半導体レーザは、光導波路に光の導波方向に沿った周期構造を備えており、周期構造のピッチの長さと光導波路の屈折率によって定まる特定波長の単一縦モードのレーザ発振を実現するものである。

ここで、光源部１１が備えるＤＦＢ半導体レーザの具体的な構成例を図２に示す。図２は、ＤＦＢ半導体レーザを光の導波方向に沿って切断した断面図である。

即ち、光源部１１が備えるＤＦＢ半導体レーザは、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１１１の上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１１２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ層（光閉じ込め層）１１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸層（ＭＱＷ）を含む活性層１１４、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１１５、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１６、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１１７が順次積層されて構成される。

さらに、ＳＣＨ層１１５とｐ型ＩｎＰクラッド層１１６との間には回折格子１１８が形成され、コンタクト層１１７上には上部電極１１９、ｎ型半導体基板１１１の下面には下部電極１２０が蒸着形成されている。

また、図２に示したＤＦＢ半導体レーザは、劈開によって形成された後方端面１１ａおよび出射端面１１ｂを備えている。活性層１１４は、後方端面１１ａから出射端面１１ｂにかけて設けられており、駆動電流が上部電極１１９と下部電極１２０との間に供給されることによってレーザ光を生成し、生成したレーザ光を出射端面１１ｂから出射する構成を有している。なお、後方端面１１ａおよび出射端面１１ｂには低反射膜が形成されていてもよい。

なお、上記のＤＦＢ半導体レーザを構成する各層の組成比、ドープされる不純物の種類および量は、レーザ光ａの波長が所望の波長（例えば１５５０ｎｍ）となるように適宜調整すればよい。

光源部１２は、複数の縦モード発振可能な１つのレーザ光源からなっていてもよい。レーザ光ａの波長が１５５０ｎｍである場合には、発振の中心波長は約１４５０ｎｍであればよい。

あるいは、光源部１２は、図３に示すように、複数の中心波長λ₁〜λ_n（λ₁＜・・・＜λ_n）（ｎ≧２）を有する励起光（レーザ光ｂ）を出力する複数のレーザ光源からなっていてもよい。レーザ光ａの波長が１５５０ｎｍである場合には、最小の中心波長λ₁と最大の中心波長λ_nとの間にレーザ光ａの波長よりも約１００ｎｍ短い波長（約１４５０ｎｍ）が含まれるようにすればよい。なお、図３には、レーザ光ｂの中心波長として２つの波長λ₁、λ₂を用いた例を図示している。これらの中心波長λ₁、λ₂のレーザ光はそれぞれ複数の縦モードを有している。

光源部１２は、図３のブロック図に示すように、偏波面が互いに異なる波長λ₁のレーザ光をそれぞれ出射する２つの半導体レーザ４１Ａ、４１Ｂと、偏波面が互いに異なる波長λ₂のレーザ光をそれぞれ出射する２つの半導体レーザ４１Ｃ、４１Ｄと、半導体レーザ４１Ａ〜４１Ｄからの出射光の波長λ₁、λ₂を安定化するための外部共振器としてのＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄと、を備えている。

さらに、光源部１２は、ＦＢＧ４２Ａ、４２Ｂからの出射光を偏波合成する偏波合成器４３と、ＦＢＧ４２Ｃ、４２Ｄからの出射光を偏波合成する偏波合成器４４と、偏波合成器４３、４４からの出力光を合波してレーザ光ｂを生成し、生成されたレーザ光ｂを合波器１３に出力する合波器４５と、を備えている。

なお、半導体レーザ４１Ａ〜４１Ｄから各偏波合成カプラ４３、４４の間は偏波保持ファイバ４６で接続され、偏波面が異なる２つのレーザ光が各偏波合成カプラ４３、４４で合成されるようになっている。

図４は、中心波長λ₁、λ₂を有するレーザ光ｂ（励起光）と利得との関係を模式的に示すグラフである。光ファイバ１４に入射されたレーザ光ｂにより、光ファイバ１４において中心波長λ₁、λ₂から１００ｎｍ程度長波長側に利得ｇが生じる。この状態で光ファイバ１４に利得ｇの波長帯域のレーザ光ａが入射されるとレーザ光ａがラマン増幅される（誘導ラマン散乱）。

レーザ光ａがラマン増幅される際にＳＢＳが起こると、レーザ光ａ、ｂが共に後方に散乱され、増幅度が減少してしまうため好ましくない。ＳＢＳを抑制しながら高い増幅度でレーザ光ａをラマン増幅するためには、光ファイバ１４に入射される光の線幅を実質的に広げることが必要である。

ところで、光ファイバに入射されるレーザ光の縦モードの本数が増えるほど１本あたりの縦モードに対するＳＢＳの閾値パワーＰ_thが減少することが知られている。これは、縦モード数が増えることによってレーザの線幅が実質的に広がるためと考えられる。本実施形態の光給電型光源１は、単一縦モードのレーザ光ａに、複数の縦モードを有するレーザ光ｂを重畳することにより、合波光ｃの線幅を実質的に広げてＳＢＳの発生を抑制している。

以上のように構成された本実施形態の光給電型光源１は、単一縦モードのレーザ光ａ（無変調光）に対してＳＢＳの発生を抑制しながらラマン増幅を行うことができるため、レーザ光の長距離伝送を行うことができる。例えば、光源部１１から出射された光パワーが２ｍＷ程度の単一縦モードのレーザ光ａを光ファイバ１４を伝搬される過程で徐々にラマン増幅することにより、遠隔地に設置された分波器１５に到達したレーザ光ａの光パワーを４０〜５０ｍＷ程度まで増幅させることができる。そして、分波器１５によって分波されたレーザ光ａ'は後段の入力されるべき構成部品への入力時において、十分な光パワーを有することができる。

また、本実施形態の光給電型光源１は、分波器１５によって合波光ｃからレーザ光ａ'およびレーザ光ｂ'に分波して、レーザ光ｂ'を光電変換素子１８に入射させることにより、ラマン増幅の励起光として用いられたレーザ光ｂの残りであるレーザ光ｂ'を外部装置用の電力として有効に活用することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態の光給電型光源の応用例として、遠隔地に設置されたアンテナから出力される信号の受信システムとして機能する光給電型ＲＯＦシステムの実施形態について図５〜図６を用いて説明する。第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

図５は第２の実施形態の光給電型ＲＯＦシステム２の構成を示すブロック図である。即ち、光給電型ＲＯＦシステム２は、第１の実施形態の光給電型光源１の構成に加えて、電波を受信して受信信号を出力するアンテナ２１と、光電変換素子１８から出力された電力を動作電力とし、該受信信号を増幅する増幅器２２と、分波器１５によって分波された無変調光としてのレーザ光ａ'を増幅器２２によって増幅された受信信号に応じて強度変調することにより、信号光を生成する光変調器２３と、を備えている。

さらに、光給電型ＲＯＦシステム２は、光変調器２３から出力された信号光を伝搬させる光ファイバ２４と、光ファイバ２４を伝搬された信号光を電気信号に変換する受光器２５と、該電気信号を受信する受信器２６と、を備えている。

ここで、光源部１１、１２、受光器２５および受信器２６の設置場所と、光電変換素子１８、アンテナ２１、増幅器２２、光変調器２３の設置場所とは遠く離れているものとする。

増幅器２２は、アンテナ２１からの受信信号を増幅し、増幅された受信信号を光変調器２３に供給するようになっている。なお、増幅器２２は、光電変換素子１８から出力された電力を動作電力とするようになっている。受光器２５は、例えばフォトダイオード等の受光素子からなり、不図示のレンズ（光学系）で光ファイバ２４から出射された信号光を集光して受光するようになっていてもよい。

光変調器２３は、例えば図６に示すように、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）のように電界が印加されることにより屈折率が変化する、いわゆる電気光学効果を有する基板２３１と、基板２３１の表面に形成された相互作用光導波路２３２ａ、２３２ｂを有する光導波路２３２と、相互作用光導波路２３２ａ、２３２ｂの近傍にそれぞれ配置された信号電極２３３ａ、接地電極２３３ｂと、を備えている。

信号電極２３３ａおよび接地電極２３３ｂは、例えば、それぞれの終端が抵抗２３４で接続された進行波型電極になっており、アンテナ２１からの受信信号（電圧信号）が印加されることにより、信号電極２３３ａと接地電極２３３ｂの間に電界を発生させるようになっている。発生した電界により、相互作用光導波路２３２ａ、２３２ｂに異なる屈折率変化が生じる。

光ファイバ１６から光変調器２３の光導波路２３２に入射されたレーザ光ａ'は、２分割されて相互作用光導波路２３２ａ、２３２ｂを伝搬される。このとき、２分割されたレーザ光ａ'の位相は、相互作用光導波路２３２ａ、２３２ｂに生じた屈折率変化に応じて変化する。位相が変化した２つの光は、合波されて位相変化量の差に応じた信号光（光強度変調信号）となり、光ファイバ２４に出力される。なお、光変調器２３の内部損失および結合損失によって光ファイバ２４に入射される光が弱まるとともに、光変調器２３から出力された信号光が変調により実質的に線幅の広がった光となっているため、光ファイバ２４においてＳＢＳが発生しにくい。

以上のように構成された本実施形態の光給電型ＲＯＦシステム２は、アンテナ２１と光変調器２３との間に増幅器２２を備えることにより、アンテナ２１で受信された電波が微弱であっても、十分な強度を有する光強度信号として遠方の受信器２６へ伝送することができる。

また、本実施形態の光給電型ＲＯＦシステム２は、遠隔地に設置された増幅器２２に電力を供給する電源として、ラマン増幅の励起光として用いられたレーザ光ｂの残りであるレーザ光ｂ'を光電変換する光電変換素子１８を用いることで、電源の保守管理を不要とすることができるとともに、レーザ光を有効に利用することができる。

また、本実施形態の光給電型ＲＯＦシステム２は、ＳＢＳを起こさずに信号光の長距離伝送を行うことができるため、遠隔地に設置されたアンテナ２１からの信号を高品質に伝送して受信することができる。

また、本実施形態の光給電型ＲＯＦシステム２は、受信器２６の後段に、電気信号を増幅する増幅器（図示せず）と、該増幅器によって増幅された電気信号を放射するアンテナ（図示せず）と、をさらに備えた構成とすることにより、中継システムとしても利用可能である。

以上のように、本発明に係る光給電型ＲＯＦシステムは、ＳＢＳを発生させずに無変調の単一縦モードのレーザ光の長距離伝送を行うことができるという効果を有し、地上デジタル放送波の受信システムまたは中継システムや、携帯電話基地局が携帯電話端末との間で送受信する無線信号を信号光に変換して光ファイバを介して中継伝送するＲＯＦシステムとしても有用である。

１ 光給電型光源
２ 光給電型ＲＯＦシステム
１１ 光源部（第１の光源部）
１２ 光源部（第２の光源部）
１３ 合波器
１４ 光ファイバ
１５ 分波器
１８ 光電変換素子
２１ アンテナ
２２ 増幅器
２３ 光変調器
２５ 受光器
２６ 受信器

Claims (4)

1. 波長λ_aの無変調光を出力する第１の光源部（１１）と、
   波長λ_bの励起光を出力する第２の光源部（１２）と、
   前記無変調光と前記励起光を合波する合波器（１３）と、
   前記合波器によって合波された無変調光および励起光の合波光が入射され、該励起光により該無変調光をラマン増幅しながら伝搬させる光ファイバ（１４）と、
   前記光ファイバを伝搬された合波光から波長λ_aの無変調光および波長λ_bの励起光を分波する分波器（１５）と、
   前記分波器によって分波された励起光を光電変換し電力として出力する光電変換素子（１８）と、を備える光給電型光源。
2. 前記第１の光源部が単一縦モードで発振する半導体レーザである請求項１に記載の光給電型光源。
3. 前記第２の光源部が複数の縦モードで発振する半導体レーザである請求項１または請求項２に記載の光給電型光源。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光給電型光源と、
   電波を受信して受信信号を出力するアンテナ（２１）と、
   前記光電変換素子から出力された電力を動作電力とし、前記受信信号を増幅する増幅器（２２）と、
   前記分波器によって分波された無変調光を前記増幅器によって増幅された受信信号に応じて変調して信号光を生成する光変調器（２３）と、
   前記信号光を電気信号に変換する受光器（２５）と、
   前記電気信号を受信する受信器（２６）と、を備える光給電型ＲＯＦシステム。

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