JP2019197184A - 波長変換装置、光パラメトリック増幅器、伝送装置、及び光伝送システム - Google Patents

波長変換装置、光パラメトリック増幅器、伝送装置、及び光伝送システム Download PDF

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Abstract

【課題】非線形光学媒質を用いるときに生じるSBS後方散乱を抑制して、効率良く非線形光学効果を利用する。【解決手段】波長変換装置は、第1ポート、第2ポート、及び第3ポートを有し、互いに異なる周波数の信号光と励起光を含む入力光を前記第1ポートに入射し、前記入力光を前記第2ポートと前記第3ポートに分離する合分波器と、一端が前記合分波器の前記第2ポートに光学的に接続され、他端が前記合分波器の前記第3ポートに光学的に接続され、主軸が前記第2ポートと前記第3ポートの間で90°回転しているループ状の非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質に挿入され、前記非線形光学媒質の中で双方向に発生する誘導ブリルアン後方散乱光を除去する1以上の第1フィルタと、前記非線形光学媒質を伝搬した後に前記合分波器で合波されて前記第1ポートから出力される出力光の中から、前記信号光と前記励起光の前記周波数のいずれとも異なる第3の周波数を有する変換光を取り出す第2フィルタと、を有する。【選択図】図3

Description

本発明は、波長変換装置、光パラメトリック増幅器、伝送装置、及び光伝送システムに関する。
光ファイバ中の四光波混合(FWM:Four Wave Mixing)効果を用いて信号光の波長を変換する技術が研究・開発されている。FWMは、2以上の異なる波長の光を高非線形ファイバ(HNLF:Highly Non-Linear Fiber)に入射したときに、入射波長のいずれとも一致しない新たな波長が生じる現象である。変換帯域が広く、かつ波長変換効率の偏波依存性を低減した波長変換技術も提案されている(たとえば、特許文献1参照)。信号光の偏波状態に依存しにくい波長変換構成は「偏波ダイバーシティ」と呼ばれている。
非縮退四光波混合を用いた波長変換では、ハイパワーの励起光を非線形の光学媒質に入射するときに誘導ブリルアン散乱(SBS:Stimulated Brillouin Scattering)が発生する。SBSは光が物質中で音波と相互作用して振動数がずれることで生じる散乱である。大強度のビームが非線形の光学媒質を伝搬するときに、ビーム自体の電場振動が電歪効果によって光学媒質に超音波振動を生じさせ、この超音波振動(屈折率変動)により、光は入射方向と逆方向に散乱される。
非線形の光学媒質に光アイソレータを配置して、SBSによる後方散乱光の増大を抑制する構成が知られている(たとえば、特許文献2参照)。
特開2000−75330号公報 米国特許出願公開2007/0206903号
偏波ダイバーシティ構成の波長変換器で、非線形の光学媒質(たとえば非線形光ファイバ)中に光アイソレータを挿入すると、一方の偏波面の信号光が遮断され、波長変換器として機能しない。この問題を、図1と図2を参照して説明する。
図1は、偏波ダイバーシティ構成の波長変換器の波長変換効率を示す模式図、図2は、図1の構成に光アイソレータを挿入したときの波長変換効率を示す模式図である。偏波ダイバーシティ構成の波長変換器では、ループ状の偏波保持ファイバ(PMF:Polarization Maintaining Fiber)12が偏波ビームスプリッタ/コンバイナ(以下では「PBS」と略称する)90に接続されている(図1の(A))。信号光ESと励起光EPが光サーキュレータ8からPBS90のポート90Aに入力され、互いに直交する2つの偏波成分に分離される。第1の偏波面をもつ光成分(たとえばTMモードの電磁界分布を有する光)はポート90BからPMF12を伝搬し、第2の偏波面をもつ光成分(たとえばTEモードの電磁界分布を有する光)はポート90CからPMF12を伝搬する。PMF12の中で四光波混合により変換光ECが発生する。各偏波成分はPBS90で合波され、光サーキュレータ8からバンドパスフィルタ14へ送られ、バンドパスフィルタ14で変換光Ecが取り出される。
便宜上、PMF12のループをほどくと(図1の(B))、PMF12を伝搬中に、ポート90Bからポート90Cへ向かう励起光のTMパワーは逆方向のSBS後方散乱光によって減少し、ポート90Cで十分な変換光パワーを得ることができない(図1の(C))。同様に、ポート90Cからポート90Bへ向かう励起光のTEパワーは、逆方向のSBS後方散乱光によって減少し、ポート90Bで十分な変換光パワーを得ることができない(図1の(D))。
SBS後方散乱を抑制するために、図2のように一方向(たとえばポート90Bからポート90Cへ向かう方向)へ光を透過させる光アイソレータ(図中、「ISO」と表記)をPMF12に挿入すると、TM成分の光については、SBS後方散乱光が抑制され、ポート90Cで十分な変換光が得られる(図2の(C))。しかし、ポート90Cからポート90Bに伝搬するTE成分の光は、最初に入力するISOによってほぼゼロになり、ポート90Bで変換光を得ることができない(図2の(D))。一方の偏波成分の信号光と励起光が遮断されるため、図2の構成は偏波ダイバーシティ型の波長変換器として機能しない。非線形光学効果を利用して光パラメトリック増幅を行う場合にも同様の問題が起きる。
本発明は、SBS後方散乱を抑制して、効率良く非線形光学効果を利用することを目的とする。
一つの態様では、波長変換装置は、
第1ポート、第2ポート、及び第3ポートを有し、互いに異なる周波数の信号光と励起光を含む入力光を前記第1ポートに入射し、前記入力光を前記第2ポートと前記第3ポートに分離する合分波器と、
一端が前記合分波器の前記第2ポートに光学的に接続され、他端が前記合分波器の前記第3ポートに光学的に接続され、主軸が前記第2ポートと前記第3ポートの間で90°回転しているループ状の非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に挿入され、前記非線形光学媒質の中で双方向に発生する誘導ブリルアン後方散乱光を除去する1以上の第1フィルタと、
前記非線形光学媒質を伝搬した後に前記合分波器で合波されて前記第1ポートから出力される出力光の中から、前記信号光と前記励起光の前記周波数のいずれとも異なる第3の周波数を有する変換光を取り出す第2フィルタと、
を有する。
非線形光学媒質を用いるときに生じるSBS後方散乱が抑制され、非線形光学効果を効率良く利用することができる。
偏波ダイバーシティ型の波長変換構成におけるSBS後方散乱の問題を説明する図である。 図1の波長変換構成に光アイソレータを挿入することで生じる問題を説明する図である。 第1実施形態の波長変換装置の模式図である。 図3の波長変換装置で用いられる遮断フィルタの構成例を示す図である。 SBS後方散乱光と励起光の関係を示す図である。 様々な非線形媒質におけるSBSスペクトルの図である。 第1実施形態の波長変換装置の変形例を示す図である。 図7の波長変換装置の効果を示す模式図である。 実施形態の構成を位相共役変換に適用する例を示す図である。 実施形態の構成を光パラメトリック増幅に適用する例を示す図である。 パラメトリック増幅の原理を説明する図である。 実施形態の波長変換装置を用いた光伝装置と、光伝送システムの概略図である。 第2実施形態の波長変換装置の模式図である。 図13の波長変換装置で用いられるSBS遮断可変波長フィルタの構成例を示す図である。 変形例の遮断フィルタの遮断特性を示す図である。 変形例の非縮退FWM波長変換器の模式図である。 非線形光学媒質の入力信号と出力信号を示す模式図である。 偏波ダイバーシティ構成の例を示す図である。
実施形態では、非線形の光学媒質中に、SBS後方散乱光を遮断する遮断フィルタを1つ以上挿入する。
<第1実施形態>
図3は、第1実施形態の波長変換装置1Aの模式図である。波長変換装置1Aは、入力される信号光ESと励起光EPを互いに直交する2つの偏波成分に分離及び偏波合成するPBS9と、PBS9に光学的に接続されるループ状の非線形光学媒質と、非線形光学媒質に挿入されてSBS後方散乱光を双方向に遮断するSBS遮断フィルタ10とを有する。非線形光学媒質は、たとえば、偏波保持ファイバ(PMF)12である。
信号光ESは、入力ポート2から入力され、合波器6にて、励起光源4から出力される励起光EPと合波される。合波器6は、たとえば光カプラである。信号光ESと励起光EPは異なるエネルギー(波長)を有する。信号光ESの波長はλSで表され、励起光EPの波長はλPで表される。
合波された信号光ESと励起光EPは、光サーキュレータ8のポート8Aに入力され、ポート8Bから出力される。ポート8BはPBS9のポート9Aに接続されている。ポート9Aに入射した信号光ESと励起光EPの合波のうち、たとえば紙面と垂直な偏波面を有する光はポート9Bに結合されて、PMF12に入射する。ポート9BからPMF12に入射した光はPMF12のTMモードに適合する。一方、ポート9Aへの入射光のうち、紙面と平行な偏波面を有する光は、PBS9のポート9Cに結合され、逆方向からPMF12に入射する。ポート9CからPMF12に入射した光は、PMF12のTEモードに適合する。
PMF12のループは、ポート9Bとポート9Cの間で空間的に90度ねじれている。互いに直交する2つの偏波軸のうち、ポート9Bとの接続端でPMF12の偏波の主軸は紙面と垂直な方向に一致して、TM成分の光を伝搬させる。ポート9Cとの接続端でPMF12の偏波の主軸は、90度回転して紙面と平行な方向を向いており、TE成分の光を伝搬させる。
双方からPMF12を伝搬するそれぞれの偏波成分のSBS後方散乱光は、SBS遮断フィルタ10で除去され、信号光ESと励起光EP、及び四光波混合により生成された変換光ECが、SBS遮断フィルタ10を透過する。ここで、信号光ESの角周波数をωS、励起光EPの角周波数をωP(ωP≠ωS)とすると、非線形のPMF12の中で四光波混合により角周波数(2ωP−ωS)の変換光ECが生成される。
ポート9BからPMF12を伝搬したTM成分の光は、その偏波方向が90度回転してポート9Cに結合する。ポート9CからPMF12を伝搬したTE成分の光は偏波方向が90度回転して、ポート9Cからポート9Aに結合する。PBS9によって合波されたTM成分の光とTE成分の光は、光サーキュレータ8のポート8Bに入力され、ポート8Cから出力される。光サーキュレータ8のポート8Cから出力される光には、信号光ESと励起光EPと変換光ECが含まれている。ポート8Cから出力された光はバンドパスフィルタ14に導かれ、変換光ECが取り出されて出力ポート16から出力される。
図4は、PMF12に挿入されるSBS遮断フィルタ10の模式図である。SBS遮断フィルタ10として、狭帯域幅の周波数成分を切出すことのできる市販の光フィルタを用いてもよい。図4の例で、SBS遮断フィルタ10は、狭帯域透過膜102を用いて、SBS後方散乱光のみを除去し、信号光ES、励起光EP、及び変換光ECを取り出す。狭帯域透過膜102は、たとえばポートP1とポートP2を有する筐体101の中に配置されている。ポートP1はPBS9のポート9Bから延びるPMF12に接続され、ポートP2はPBS9のポート9Cから延びるPMF12に接続されている。
ポートP1から出射する一方の偏波の光(たとえばTM波)の光のうち、SBS後方散乱光のみが狭帯域透過膜102を透過し、信号光ES、励起光EP、及び変換光ECは狭帯域透過膜102で反射されて、ポートP2に結合する。同様に、ポートP2から出射する他方の偏波の光(たとえばTE波)のうち、SBS後方散乱光のみが狭帯域透過膜102を透過し、信号光ES、励起光EP、及び変換光ECは狭帯域透過膜102で反射されて、ポートP1に結合する。
これにより、SBS後方散乱光が除去されたTM波とTE波がPMF12を伝搬して、PBS9で合波される。
図5は、SBS後方散乱光と励起光の関係を示す図である。SBS後方散乱光は、励起光エネルギー(振動数)から所定のエネルギー量だけ低周波側にシフトした波長位置で発生する(図5の(A))。これは、励起光の電波振動が媒質中に生じさせた音響振動との相互作用によるものである。励起光の波長が1550nmのときは、励起光の波長から11GHz前後の量がシフトした光成分が後方散乱される。ストークス遷移過程では、励起光から約11GHzだけ、低周波側(長波長側)にシフトした成分が後方散乱される。SBS後方散乱光のスペクトル幅は、PMF12の材質にもよるが、たとえば100MHz程度である。
図6は、様々な媒質のSBSスペクトルである。横軸は周波数シフト量、縦軸は光パワー密度である。光ファイバの種類(材料)によって多少の差はあるが、10.6GHz〜11.4GHzのシフト量となっている。コアの屈折率を高めたGsO2添加コアファイバでは、SBSによる周波数シフト量は11.0GHz、そのスペクトル幅は約100MHzである。
図5に戻って、励起光から11.0GHz前後離れた周波数のSBS後方散乱光のみを除去することができれば、励起光の低下を抑制して効果的に波長変換された光を取り出すことができる。フィルタ構成として図4の配置構成を採用することで、双方向から伝搬するTM波とTE波のそれぞれで、SBS後方散乱光だけを除去することができる。SBS遮断フィルタ10による光損失は、SBS後方散乱光だけであり(図5の(B))、励起光と信号光の伝搬損失は抑制されている。
狭帯域透過膜102は、たとえば、異なる屈折率を有する二種類の膜を繰り返して配置した積層膜によって実現される。透過中心波長をλ0とすると、異なる二種類の膜の光学膜厚はλ0/4である。低屈折率側の膜をL、高屈折率側の膜をHとすると、狭帯域透過フィルタの積層は、
Sub/(HL)n・H・2mL・H・(LH)n/Air (1)
で表される。ここで、Subは基板、Airは最外層が接する空気層、(LH)nはLとHを交互にn回配置したミラー層である。2mLはキャビティ層であり、低屈折率側の膜Lの厚さを2m倍(mは整数)にすることを意味する。キャビティ層に入射する光は両側のミラー層によって反射される。2mLを調整することでフィルタの波長が決定される。
式(1)は1つのキャビティを配置しているが、式(1)の基板と空気層の間の構成を式(2)のように多段にすることで、透過特性を急峻にすることができる。
Sub/[(HL)n・H・2mL・H・(LH)n・L]k/Air (2)
図7は、図3の波長変換装置1Aの変形例である波長変換装置1Bの模式図である。波長変換装置1Bでは、PMF12に、複数のSBS遮断フィルタ10−1、10−2、10−3(以下、適宜「SBS遮断フィルタ10」と総称する)を挿入している。それ以外の構成は図3と同じであり、重複する説明を省略する。
複数のSBS遮断フィルタ10−1〜10−3を挿入することで、隣接するSBS遮断フィルタ10間の各セグメントで発生するSBS後方散乱を除去することができる。図3のように単一のSBS遮断フィルタ10を用いると、SBS遮断フィルタ10よりも後のPFM12の中で発生するSBS後方散乱光が波長変換効率に影響する場合もあり得る。そこで、図7のように複数のSBS遮断フィルタ10−1〜10−3を挿入して、SBS後方散乱光の抑制効果を高める。
図8は、図7の波長変換装置1Bの効果を示す模式図である。図8で、便宜上、PMF12のループをほどくと(図8の(A))、双方向に伝搬する励起光のそれぞれで発生するSBS後方散乱光の成長は、各SBS遮断フィルタ10で抑制される。
PBS9のポート9BからPMF12に入射された励起光において、非線形光学効果によって逆方向のSBS後方散乱光が生じるが、このSBS後方散乱光はSBS遮断フィルタ10を通過するごとにリセットされる。SBS後方散乱光の成長によるTM波のパワー低下が抑制され、ポート9Cで十分な変換光パワーを得ることができる(図8の(C))。同様に、ポート9CからPMF12に入射された励起光において、逆方向のSBS後方散乱光が発生するが、このSBS後方散乱光はSBS遮断フィルタ10を通過するごとにリセットされる。SBS後方散乱光の成長によるTE波のパワー低下が抑制され、ポート9Bで十分な変換光パワーを得ることができる(図8の(D))。
PFM12のループを伝搬したTM波(励起光、信号光、及び変換光を含む)とTE波(励起光、信号光、及び変換光を含む)は、PBS9で合波されてポート9Aから出力される。
図9は、第1実施形態の波長変換装置1(波長変換装置1A、1Bのいずれでもよい)の構成を位相共役変換に適用する例を示す。送信器20と受信器30の間の伝送路42の中間に位相共役変換器40が挿入されている。位相共役変換器40は、たとえば波長変換装置1Bと同じ構成である。伝送路42には、光増幅器41、43が挿入され、伝搬損失を補償する。
信号光に、伝送路42の伝搬中に波長分散による波形歪の影響を受ける。波形歪は伝搬につれて蓄積される。伝送路42の中間に位相共役変換器40を配置することで、伝搬する信号波長を、励起光(図中、「Pump」と表記)に対して対称な写像位置の波長域に逆相で変換する。複数の波長信号が密に多重されている場合は、逆相で励起光に対して対称な波長域に一括変換される。位相共役変換波は、もとの信号波が時間反転したかのような振る舞いをもち、伝搬路の前半で蓄積された歪が、伝送路の後半の波長分散による歪みによって補償される。
位相共役変換器の非線形光学媒質に、SBS後方散乱光のみを効果的に除去するSBS遮断フィルタ10が挿入されているので、入力される波長多重信号を、高い変換効率で位相共役信号光に変換することができる。これにより、波長分散による歪みを補償することができる。
<光パラメトリック増幅への適用>
図10は、第1実施形態の構成を光パラメトリック増幅に適用する例を示す。光パラメトリック増幅器50の構成自体は、図3または図7の構成と類似するが、波長変換光(アイドラ光)の取得よりも、信号光の増幅を目的としている。したがって、光サーキュレータ8のポート8Cからバンドパスフィルタ14Aに入射した光から、増幅された信号光E’Sが取り出される。
光パラメトリック増幅器50では、励起光源4Aの波長と出力パワー、PMF12Aの非線形定数と伝搬定数、及び信号光の波長が、光パラメトリック増幅の条件を満たすように制御されている。
図11は光パラメトリック増幅の原理を説明する図である。PMF12Aへ入射する光には、互いに異なる波長の信号光と励起光が含まれている(図11の(A))。信号光の波長をλS、励起光の波長をλPとする。周波数が互いに異なる信号光と励起光が非線形の光媒質であるPMF12に入射すると、非線形光学効果により、信号光と励起光のいずれとも一致しない波長λiの変換光またはアイドラ光が発生する。図10の系で光パラメトリック増幅の条件が満たされている場合、PMF12Aから出力される信号光のパワーは、励起光のパワーによって入射前よりも増幅されて出力される(図11の(B))。
図11では、ひとつの励起光波長λPが示されているが、2波の励起光(たとえばλP1とλP2)を用いる場合は、λP1とλP2をはさんで、λSの信号光と反対側にλiの変換光が生成され(非縮退四光波混合)、2つの励起光のエネルギーで入力信号光が増幅される。
光パラメトリック増幅の発生条件は、PMF12Aの非線形を考慮した位相整合条件
Δβ’=Δβ−2γPP =0 (3)
である。ここで、Δβは、
Δβ=(βP−βS)+(βP−βi) (4)
で表される位相整合条件、γは非線形光学定数、PPは励起光パワーである。
式(4)の位相整合条件のパラメータのうち、βPは励起光の伝搬定数、βSは信号光の伝搬定数、βiは4光波混合で発生するアイドラ光の伝搬定数である。
光パラメトリック増幅器50では、入射信号光の波長λSが既知であるときに、式(3)が満たされるように、PMF12Aの非線形定数と伝搬定数、励起光源4Aの波長と励起光パワーが設計される。PMF12Aを双方向で伝搬する偏波は、SBS遮断フィルタ10によってSBS後方散乱が除去されるので、SBS後方散乱による励起光EPのパワー低下が抑制され、結果として信号光が効率良く増幅され、ハイパワーに増幅された信号光E’Sを取り出すことができる。
<光伝送システムへの適用>
図12は、第1実施形態の波長変換装置1を用いた光伝送システム600の概要図である。この例では、図7の波長変換装置1Bを用いているが、図3の波長変換装置1Aを用いてもよい。
光伝送システム600は、送信装置60TXと、受信装置60RXと、これらを接続する光伝送路602を含む。送信装置60TXと受信装置60RXは、伝送装置の一例である。一般的には、双方向通信のために送信装置60TXと受信装置60RXがひとつの伝送装置内に組み込まれている。
実施形態の波長変換装置1B(または1A)は、単一バンドの光送受信器または光トランスポンダを有する伝送装置での波長変換を可能にする。
送信装置60TXは、たとえばC帯の波長信号を取り扱う設計となっており、C帯の送信器21−1〜21−NL、22−1〜22−NC、及び23−1〜23−NSを有する。
第1グループの送信器21−1〜21−NLから出力される各波長の信号は、C帯波長合波器61−1で多重され、光増増幅器41−1で増幅されて波長変換装置1Baに入力される。波長変換装置1Baは、入力されたWDM信号の波長帯域をC帯からL帯に変換する。波長変換装置1Baは、SBS後方散乱光を遮断するSBS遮断フィルタ10と、励起光源4(図7参照)を有する。波長変換装置1Baの励起光源4の波長は、C帯からL帯への変換に適した波長、たとえば1565nmに設定されている。L帯域に変換されたWDM信号はL帯光増幅器44で増幅されて波長合波器61に入力される。
第2グループの送信器22−1〜22−NCから出力される各波長の信号は、C帯波長合波器61−2で多重され、光増増幅器41−2で増幅される。第2グループのWDM信号は、波長変換を受けず、増幅後に波長合波器61に入力される。
第3グループの送信器23−1〜23−NSから出力される各波長の信号は、C帯波長合波器61−3で多重され、光増増幅器41−3で増幅されて波長変換装置1Bbに入力される。波長変換装置1Bbは、入力されたWDM信号の波長帯域をC帯からS帯の波長に変換する。波長変換装置1Bbは、SBS後方散乱光を遮断するSBS遮断フィルタ10と、励起光源4(図7参照)を有する。波長変換装置1Bbの励起光源4の波長は、C帯からS帯への変換に適した波長、たとえば1530nmに設定されている。L帯域に変換されたWDM信号はS帯光増幅器45で増幅されて波長合波器61に入力される。
波長合波器61は、L帯のWDM信号と、C帯のWDM信号と、S帯のWDM信号を多重して、伝送路に出力する。これにより広帯域通信が可能になる。光伝送路602を伝搬したWDM信号は、受信装置61RXで受信される。
受信装置60RXは、たとえばC帯の波長信号を取り扱う設計となっており、C帯の受信器31−1〜31−NL、32−1〜32−NC、及び33−1〜33−NSを有する。
光伝送路602を伝搬したWDM信号は、受信装置60RXの波長分波器63でL帯、C帯、S帯の3つの波長帯域に分波される。L帯の受信信号はL帯の光増幅器46で増幅されて、波長変換装置1Bcに入力される。波長変換装置1Bcは、入力された受信信号の波長帯域をL帯からC帯の波長に変換する。この波長変換処理は、図9の信号光から変換光への位相共役変換の逆のプロセスである。
波長変換装置1Bcは、SBS後方散乱光を遮断するSBS遮断フィルタ10と励起光源4を有する。波長変換装置1Bcの励起光源4の波長は、L帯からC帯への変換に適した波長、たとえば1565nmに設定されている。C帯域に変換された受信光信号はC帯光増幅器41−4で増幅されて、C帯の波長分波器62−1に入力される。波長分波器62−1により、C帯の受信信号は各サブキャリアに分波されて、対応するC帯の受信器31−1〜31NLに供給される。
波長分波器63で分波されたC帯の受信信号は、C帯の光増幅器41−5で増幅され、波長変換を受けずに、そのまま波長分波器62−2で各サブキャリアに分波される。各サブキャリアの信号は、対応するC帯の受信器32−1〜32NCに供給される。
波長分波器63で分波されたS帯の受信信号は、S帯の光増幅器47で増幅されて、波長変換装置1Bdに入力される。波長変換装置1Bdは、入力された受信信号の波長帯域をS帯からC帯の波長に変換する。この波長変換処理は、図9の信号光から変換光への位相共役変換の逆のプロセスである。
波長変換装置1Bdは、SBS後方散乱光を遮断するSBS遮断フィルタ10と励起光源4を有する。波長変換装置1Bdの励起光源4の波長は、S帯からC帯への変換に適した波長、たとえば1530nmに設定されている。C帯域に変換された受信光信号はC帯光増幅器41−6で増幅されて、C帯の波長分波器62−3に入力される。波長分波器62−3により、C帯の受信信号は各サブキャリアに分波されて、対応するC帯の受信器33−1〜33NSに供給される。
この光伝送システム600では、送信側と受信側の双方で、高効率で2以上の信号帯域に変換できるので、通信帯域を広げ、大容量の光通信が可能になる。
<第2実施形態>
図13は、第2実施形態の波長変換装置1Cの模式図である。第2実施形態ではSBS遮断フィルタを、可変波長フィルタにする。
非線形光学媒質には、波長分散がゼロとなる波長が存在する。励起光の波長がゼロ分散波長に一致するときに、広帯域な波長変換が可能となる。そのため、励起光源の波長をゼロ分散波長に合わせて調整することが望ましい。励起光の波長が可変になると、励起光波長から一定波長または一定振動数(たとえば11GHz)離れたエネルギーで発生するSBS後方散乱光の波長も変動する。SBS遮断フィルタ10として固定波長の狭帯域透過膜102(図4参照)を用いると、SBS遮断フィルタ10の除去帯域が、実際のSBS後方散乱光の波長から外れてしまう、あるいは進行方法に進む励起光を遮断してしまうなどの問題が起きる可能性がある。
そこで、励起光の波長制御に対応して、SBS遮断フィルタの遮断波長を制御する。
波長変換装置1Cの基本構成は、図3の波長変換装置1Aと類似する。相違点は、ループ状の偏波保持ファイバ(PMF)12に挿入されるSBS遮断フィルタを、SBB遮断可変波長フィルタ70に替えた点である。
波長変換装置1Cは、励起光源4の波長とSBS遮断可変波長フィルタ70の波長を制御するコントローラ800に接続されている。コントローラ800は、プロセッサ810とメモリ820を有する。
プロセッサ810は、励起光源4の波長を制御する励起光波長制御回路84と、SBS遮断可変波長フィルタ70の波長を制御するフィルタ波長制御回路81を有する。メモリ820は、励起光波長目標値83と、フィルタ波長目標値82と、SBSによる波長シフト量85を保持する。
励起光波長目標値83は、あらかじめ使用されるPMF12のゼロ分散波長を測定することで、設定可能である。SBSによる波長シフト量も、用いられるPMF12の材料によって、あらかじめSBS後方散乱による波長または振動数のシフト量(図6参照)を測定しておくことで、設定可能である。励起光源4の目標波長と、SBSによる波長シフト量が分かれば、SBS遮断可変波長フィルタ70の目標値は設定可能である。
励起光波長制御回路84は、メモリ820の励起光波長目標値83を参照して、励起光源4の波長を制御する。励起光源から出力される励起光EPの一部をモニタして、モニタ結果を励起光波長制御回路84にフィードバックしてもよい。
SBS遮断可変波長フィルタ70は、たとえば、非線形媒質の材料、構成などによって異なるゼロ分散波長をあらかじめ測定して複数種類の狭帯域透過膜102を形成することで実現されてもよい。この場合は、狭帯域透過膜102のそれぞれは、対応する非線形媒質のゼロ分散波長から10〜11GHz離れた周波数のSBS後方散乱光だけを透過させるように設計される。あるいは、励起光の制御波長に応じて、SBS後方散乱光を遮断するブロッカーを用いてもよい。
図14は、ブロッカーを用いたSBS遮断可変波長フィルタ70の構成例である。励起光の波長は、ゼロ分散波長に近づくように制御されるので、励起光の制御波長に応じて物理的に可動するブロッカーと分光器を用いる。
SBS遮断可変波長フィルタ70は、入出力ポートP1、合分波器71、コリメータレンズ72、可動ブロッカー73、コリメータレンズ74、合分波器75、及び入出力ポートP2を有する。可動ブロッカー73は特定位置で所望の波長だけ遮断するブロッカー731を有する。ブロッカー731の位置、またはブロッカー731までのスリットの高さHは、プロセッサ810のモータ制御回路811によって制御される。遮断波長の目標値821はあらかじめメモリ820に格納されており、プロセッサ810はメモリ820を参照して目標値の波長が遮断されるように可動ブロッカー73を制御する。この構成により、入出力ポートP1からP2へ伝搬する光成分と、入出力ポートP2からP1へ伝搬する光成分の双方でSBS後方散乱光が抑制される。
<その他の変形例>
図15は、SBS後方散乱光の遮断波長帯域の変形例を示す図である。SBS後方散乱光は、励起光の波長から約11.0GHzシフトした波長で生じる。上述した実施形態では、狭帯域の遮断フィルタで、約100MHz幅でSBS後方散乱光を除去していた。
しかし、励起光源4は、通常、±1GHz程度の公差を持っており、図15のように、公差の分だけ、SBS遮断フィルタ10のフィルタ幅に余裕を持たせておくことが望ましい。±1GHzのマージンを持たせても、SBS後方散乱光を、励起光、信号光、及び変換光から区別して除去することができる。
図16は、別の変形例として、非縮退FWM波長変換装置1Dを示す。非縮退FWM波長変換装置1Dは、異なる励起光波長を有する2つの励起光源4aと4bを用いて、非線形光学媒質121で四光波混合を生じさせる。励起光源4aは周波数νp1を有し、励起光源4bは周波数νp2を有する。周波数を「波長」と置き換えてもよい。変換光(またはアイドラ光)の周波数νiは、
νi=νP1+νP2−νS
νi=νs+(νP2−νP1)
などで表される。ここで、νSは入力される信号光の周波数である。
図16では、νP1≠νP2であり、非線形光学媒質121中で、非縮退四光波混合が生じる。光源ユニット105は、励起光源4a、4bと、光合波器104を有する。励起光源4a及び4bから出力される励起光は、光合波器104で合波され、光源ユニット105から出力される。異なる2つの周波数を有する励起光は、偏波ビームコンバイナ106によって信号光と合波され、非線形光学媒質121に入力される。
入力される信号光の周波数をνSとすると、非線形光学媒質121において、励起光の周波数νP1、νP2、及び信号光の周波数νSのいずれとも異なる周波数の変換光が生じる。このとき、非線形光学媒質121の非線形光学効果によって、SBS後方散乱が生じる。非線形光学媒質121には、SBS遮断フィルタ10が挿入されており、SBS後方散乱を遮断して、励起光、信号光、及び変換光を出力する。2つの励起光のそれぞれに対応する狭帯域透過膜102が直列で配置されて、各励起光に対応するSBS後方散乱光が順次除去される構成としてもよい。
非線形光学媒質121の後段に変換光の波長のみを通過させるバンドパスフィルタを配置する場合は、波長変換装置1Dとして用いることができる。非線形光学媒質121の非線形定数と伝搬定数、励起光源4a、4bのパワーと波長、及び信号光の波長をパラメトリック増幅の条件を満たすように設計してもよい。この場合、非線形光学媒質121の後段に、信号光の波長のみを通過させるバンドパスフィルタを配置することで、波長変換装置1Dを、光パラメトリック増幅器として用いることができる。
図17は、図16の波長変換装置1Dにおいて、信号光と励起光の偏波の方向、及び出力される変換光の偏波の方向を説明する図である。光の振動軸を互いに直交するX軸とY軸で表す。XY面に直交する軸を周波数軸νとする。入力される信号光の偏波の方向はX軸と平行であり、励起光の偏波の方向はY軸と平行である。周波数軸νに沿って2つの励起光、すなわち周波数νp1の連続光CW1と、周波数νp2の連続光CW2が用いられる。2つの励起光の周波数差Δνは、式(5)で表される。
Δν=νp2−νp1 (5)
入力される信号光の中心周波数はνSであり、信号幅はΔνSiである。信号光は、たとえば複数のサブキャリアが多重されたWDM信号である。たとえばWDM信号がC帯の信号である場合、2つの励起光の周波数(または波長)は、C帯の両端の近傍に設定されてもよい。変換光の中心周波数νCは、式(6)で表される。
νC=νS+Δν (6)
非線形光学効果により、2つの励起光のそれぞれについて、10〜11GHz程度低い周波数位置でSBS後方散乱光が発生する。非線形光学媒質12には、2つの励起光のそれぞれのSBS後方散乱光を遮断する2つのSBS遮断フィルタ10が用いられており、SBS後方散乱光を除去して、一括波長変換されたWDM信号(図中の「出力信号光」)を取り出す。この構成により、WDM信号を効率良く波長変換して、広帯域の光通信を実現することができる。
図18は、さらに別の変形例として、偏波ダイバーシティ構成の波長変換装置1Eを示す。波長変換装置1Eは非縮退FWMを利用して波長変換を行う。波長変換装置1Eは、光サーキュレータ8、励起光源4a、励起光源4b、合波器104、PBS9、及びPBS9に光学的に接続されたループ状の非線形光ファイバ122を有する。非線形光ファイバ122に、SBS遮断フィルタ10と、偏波コントローラ107が挿入されている。非線形光ファイバ122は偏波保持機能を有していなくてもよい。
信号光ESは、光サーキュレータ8のポート8Aに入射し、ポート8Bから出力されて、PBS9のポート9Aに入射する。実線の矢印で示すように、信号光ESには、縦方向(Y軸方向)の偏波面を有するTM偏波と、横方向(X軸方向)の偏波面を有するTE偏波が含まれる。
PBS9は、X軸方向の偏波を透過し、Y軸方向の偏波を反射する。ポート9Aに入射する信号光ESのうち、Y軸方向の偏波はPBS9で反射されて、ポート9Bから非線形光ファイバ122に入射する。X軸方向の偏波はPBS9を透過して、ポート9Cから非線形光ファイバ122に入射する。
励起光源4aから出力される励起光(νp1)と励起光源4bから出力される励起光(νp2)は、波長分割マルチプレクサ(WDM)等の合波器106で合波されて、PBS9のポート9Dに入射する。合波された励起光のPBS9への入射タイミングと、信号光ESのPBS9への入射タイミングは同期するように制御されている。
点線の矢印で示すように、PBS9のポート9Dに入射する励起光EPの偏波の主軸は、Y軸またはX軸に対して45°傾いている。励起光EPのうちX軸方向の偏波成分は、PBS9を透過してポート9Bに結合し、Y軸方向の偏波成分はPBS9で反射されてポート9Cに結合する。
その結果、ポート9Bから非線形光ファイバ122に入射する光には、Y軸方向の偏波面を有する信号光ESと、X軸方向の偏波面を有する励起光EPが含まれる。励起光EPの入射により非線形光ファイバ122の屈折率が変化し、信号光ESの位相がシフトして新たな波長の変換光が生成される。また、非線形光学効果によりSBS後方散乱光が発生する。
一方、ポート9Cから非線形光ファイバ122に入射する光には、X軸方向の偏波面を有する信号光ESと、Y軸方向の偏波面を有する励起光EPが含まれる。励起光EPの入射により非線形光ファイバ122の屈折率が変化し、信号光ESの位相がシフトして新たな波長の変換光が生成される。また、非線形光学効果によりSBS後方散乱光が発生する。
非線形光ファイバ122で双方向に発生するSBS後方散乱光は、SBS遮断フィルタ10によって除去される。
偏波コントローラ107は、変換光がPBS9を通過するように、伝搬光の偏波面を制御する。時計回りに非線形光ファイバ122を伝搬してポート9Cに入射する光のうち、X軸方向の偏波面を有する変換光はPBS9を透過してポート9Aに結合し、Y軸方向の偏波面を有する励起光は、PBS9で反射されてポート9Dに結合する。
反時計方向に非線形光ファイバ122を伝搬してポート9Bに入射する光のうち、Y方向の偏波面を有する変換光はPBS9で反射されてポート9Aに結合し、X方向の偏波面を有する励起光はPBS9で反射されてポート9Dに結合する。非線形光ファイバ122を双方向に伝搬した励起光はPBS9で合波され、合波された励起光EPがポート9Dから出力される。合波の結果、励起光EPの偏波の主軸は、X軸方向またはY軸方向から45°傾いている。
双方向からPBS9に入射した変換光はPBS9で合波され、合波された変換光ECはポート9Aから出力される。出力された変換光ECは、光サーキュレータ8のポート8Bに入射して、ポート8Cから出力される。ポート8Cから出力される変換光ECの一部をカプラ108で分岐してPD109でモニタし、モニタ結果を偏波コントローラ107にフィードバックしてもよい。非線形光ファイバ122の偏波変動が抑制されている場合は、フィードバック制御しなくても、初期設定だけで変換光がPBS9を透過するように制御可能である。
この構成でも、非線形光ファイバ122で双方向に発生するSBS後方散乱光を除去して、効率的に変換光ECを取り出すことができる。
上述した実施形態及び変形例は相互に組み合わせが可能であり、どのように組み合わせてもよい。たとえば、光伝送システム600で、第2実施形態のSBS遮断可変波長フィルタ70を有する波長変換装置1Cを用いてもよい。この場合、送信装置60TXと受信装置60RXの少なくとも一方で、各波長変換装置の励起光波長をゼロ分散波長に追従させる制御が行われてもよい。
以上の説明に対して、以下の付記を呈示する。
(付記1)
第1ポート、第2ポート、及び第3ポートを有し、互いに異なる周波数の信号光と励起光を含む入力光を前記第1ポートに入射し、前記入力光を前記第2ポートと前記第3ポートに分離する合分波器と、
一端が前記合分波器の前記第2ポートに光学的に接続され、他端が前記合分波器の前記第3ポートに光学的に接続され、主軸が前記第2ポートと前記第3ポートの間で90°回転しているループ状の非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に挿入され、前記非線形光学媒質の中で双方向に発生する誘導ブリルアン後方散乱光を除去する1以上の第1フィルタと、
前記非線形光学媒質を伝搬した後に前記合分波器で合波されて前記第1ポートから出力される出力光の中から、前記信号光と前記励起光の前記周波数のいずれとも異なる第3の周波数を有する変換光を取り出す第2フィルタと、
を有することを特徴とする波長変換装置。
(付記2)
前記第1フィルタは、前記励起光の波長から11.0±0.5GHz低周波側にシフトした周波数位置で前記誘導ブリルアン後方散乱光を除去することを特徴とする付記1に記載の波長変換装置。
(付記3)
前記第1フィルタは、前記周波数位置に所定の透過帯域幅を有する透過膜を有することを特徴とする付記2に記載の波長変換装置。
(付記4)
前記第1フィルタは、前記非線形光学媒質のループの途中に接続される第1のポートと第2のポートを有し、
前記透過膜は、前記第1のポートから前記透過膜に入射した伝搬光のうち、前記誘導ブリルアン後方散乱光を除く光成分を前記第2のポートに結合し、前記第2のポートから前記透過膜に入射した伝搬光のうち、前記誘導ブリルアン後方散乱光を除く光成分を前記第1のポートに結合することを特徴とする付記3に記載の波長変換装置。
(付記5)
前記励起光を出力する励起光源、
をさらに有し、
前記透過膜の前記透過帯域幅は、前記誘導ブリルアン後方散乱光のスペクトル幅に前記励起光源の公差を加えた幅であることを特徴とする付記3に記載の波長変換装置。
(付記6)
前記信号光は、複数のサブキャリアが多重された波長多重信号であり、
前記変換光は、前記複数のサブキャリアの波長が一括して変換された位相共役光であることを特徴とする付記1に記載の波長変換装置。
(付記7)
前記第1フィルタは、前記誘導ブリルアン後方散乱光の遮断周波数を可変に設定することのできる可変波長フィルタであることを特徴とする付記1に記載の波長変換装置。
(付記8)
前記第1フィルタの前記遮断周波数を制御する第1の制御回路と、
前記励起光の波長を制御する第2の制御回路と、
を有し、前記第1の制御回路は、前記励起光の波長に応じて前記遮断周波数を制御することを特徴とする付記7に記載の波長変換装置。
(付記9)
第1の励起光源と第2の励起光源、
を有し、
前記励起光は、前記第1の励起光源から出力される第1励起光と、前記第2の励起光源から出力され前記第1励起光と異なる周波数を有する第2励起光を含んでおり、
前記変換光は、前記非線形光学媒質における非縮退四光波混合によって生成されることを特徴とする付記1に記載の波長変換装置。
(付記10)
前記第1励起光と前記第2励起光の周波数差をΔν、前記信号光の中心周波数をνSとすると、前記変換光の中心周波数はνS+Δνで表されることを特徴とする付記9に記載の波長変換装置。
(付記11)
前記非線形光学媒質のループに挿入される偏波コントローラ、
をさらに有し、
前記偏波コントローラは、前記変換光が前記合分波器を通過するように前記変換光の偏波面を制御することを特徴とする付記1に記載の波長変換装置。
(付記12)
第1ポート、第2ポート、及び第3ポートを有し、周波数の異なる信号光と励起光を前記第1ポートで受け取って合波し、合波された光を前記第2ポートと前記第3ポートに分離する合分波器と、
一端が前記合分波器の前記第2ポートに光学的に接続され、他端が前記合分波器の前記第3ポートに光学的に接続され、主軸が前記第2ポートと前記第3ポートの間で90°回転しているループ状の非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質に挿入され、前記非線形光学媒質の中で双方向に発生する誘導ブリルアン後方散乱光を除去する1以上の第1フィルタと、
前記非線形光学媒質を伝搬した後に合波されて前記合分波器の前記第1ポートから出力される出力光の中から、前記信号光と同じ周波数の光を取り出す第2フィルタと、
を有し、
前記非線形光学媒質の非線形定数と伝搬定数、前記励起光のパワーと波長、及び前記信号光の波長は、所定の条件を満たすように設計されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
(付記13)
付記1〜11のいずれかに記載の波長変換装置を有する伝送装置。
(付記14)
前記波長変換装置は、第1バンドの前記信号光を、前記第1バンドと異なる第2バンドの前記変換光に変換し、
前記伝送装置は、前記第2バンドの前記変換光を光伝送路に出力する送信装置であることを特徴とする付記13に記載の伝送装置。
(付記15)
前記波長変換装置は、光伝送路から受信した第2バンドの信号光を、前記第2バンドと異なる第1バンドの前記変換光に変換し、
前記伝送装置は、前記第1バンドの前記変換光を処理する1以上の受信器を有する受信装置であることを特徴とする付記13に記載の伝送装置。
(付記16)
付記1〜11のいずれかに記載の波長変換装置を、第1の波長変換装置及び第2の波長変換装置として用いる光伝送システムであって、
前記第1の波長変換装置で第1バンドの信号光を第2バンドの信号光に変換する送信装置と、
前記第2の波長変換装置で前記第2バンドの信号光を前記第1バンドの信号光に変換する受信装置と、
前記送信装置と、前記受信装置との間を接続する光伝送路と、
を有することを特徴とする光伝送システム。
1A〜1E 波長変換装置
9 PBS(合分波器)
10 SBS遮断フィルタ(第1フィルタ)
12 PMF(非線形光学媒質)
14、14A バンドパスフィルタ(第2フィルタ)
21−1〜21−NL、22−1〜22−NC、23−1〜23−NS 送信器
31−1〜31−NL、32−1〜32−NC、33−1〜33−NS 受信器
50 光パラメトリック増幅器
60TX 送信装置(伝送装置)
60RX 受信装置(伝送装置)
61 波長合波器
63 波長分波器
70 SBS遮断可変波長フィルタ
81 フィルタ波長制御回路(第1の制御回路)
82 フィルタ波長目標値
83 励起光波長目標値
84 励起光波長制御回路(第2の制御回路)
85 波長シフト量
121 非線形光学媒質
122 非線形光ファイバ(非線形光学媒質)
600 光伝送システム
602 光伝送路
800 コントローラ
810 プロセッサ
820 メモリ

Claims (8)

  1. 第1ポート、第2ポート、及び第3ポートを有し、互いに異なる周波数の信号光と励起光を含む入力光を前記第1ポートに入射し、前記入力光を前記第2ポートと前記第3ポートに分離する合分波器と、
    一端が前記合分波器の前記第2ポートに光学的に接続され、他端が前記合分波器の前記第3ポートに光学的に接続され、主軸が前記第2ポートと前記第3ポートの間で90°回転しているループ状の非線形光学媒質と、
    前記非線形光学媒質に挿入され、前記非線形光学媒質の中で双方向に発生する誘導ブリルアン後方散乱光を除去する1以上の第1フィルタと、
    前記非線形光学媒質を伝搬した後に前記合分波器で合波されて前記第1ポートから出力される出力光の中から、前記信号光と前記励起光の前記周波数のいずれとも異なる第3の周波数を有する変換光を取り出す第2フィルタと、
    を有することを特徴とする波長変換装置。
  2. 前記第1フィルタは、前記励起光の波長から11.0±0.5GHz低周波側にシフトした周波数位置で前記誘導ブリルアン後方散乱光を除去することを特徴とする請求項1に記載の波長変換装置。
  3. 前記第1フィルタは、前記周波数位置に所定の透過帯域幅を有する透過膜を有することを特徴とする請求項2に記載の波長変換装置。
  4. 前記第1フィルタは、前記非線形光学媒質のループの途中に接続される第1のポートと第2のポートを有し、
    前記透過膜は、前記第1のポートから前記透過膜に入射した伝搬光のうち、前記誘導ブリルアン後方散乱光を除く光成分を前記第2のポートに結合し、前記第2のポートから前記透過膜に入射した伝搬光のうち、前記誘導ブリルアン後方散乱光を除く光成分を前記第1のポートに結合することを特徴とする請求項3に記載の波長変換装置。
  5. 前記第1フィルタは、前記誘導ブリルアン後方散乱光の遮断周波数を可変に設定することのできる可変波長フィルタであることを特徴とする請求項1に記載の波長変換装置。
  6. 第1ポート、第2ポート、及び第3ポートを有し、周波数の異なる信号光と励起光を前記第1ポートで受け取って合波し、合波された光を前記第2ポートと前記第3ポートに分離する合分波器と、
    一端が前記合分波器の前記第2ポートに光学的に接続され、他端が前記合分波器の前記第3ポートに光学的に接続され、主軸が前記第2ポートと前記第3ポートの間で90°回転しているループ状の非線形光学媒質と、
    前記非線形光学媒質に挿入され、前記非線形光学媒質の中で双方向に発生する誘導ブリルアン後方散乱光を除去する1以上の第1フィルタと、
    前記非線形光学媒質を伝搬した後に合波されて前記合分波器の前記第1ポートから出力される出力光の中から、前記信号光と同じ周波数の光を取り出す第2フィルタと、
    を有し、
    前記非線形光学媒質の非線形定数と伝搬定数、前記励起光のパワーと波長、及び前記信号光の波長は、所定の条件を満たすように設計されていることを特徴とする光パラメトリック増幅器。
  7. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の波長変換装置を有する伝送装置。
  8. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の波長変換装置を、第1の波長変換装置及び第2の波長変換装置として用いる光伝送システムであって、
    前記第1の波長変換装置で第1バンドの信号光を第2バンドの信号光に変換する送信装置と、
    前記第2の波長変換装置で前記第2バンドの信号光を前記第1バンドの信号光に変換する受信装置と、
    前記送信装置と、前記受信装置との間を接続する光伝送路と、
    を有することを特徴とする光伝送システム。
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