JP3493272B2 - 光波長安定化装置および光伝送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号の波長と光
フィルタの波長を合致させる波長安定化装置および光フ
ァイバを用いた光情報伝送に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバグレーティングや導波
路光フィルタ等の新しい狭帯域光フィルタデバイスが大
きな進歩を示している。また光波長多重技術の進展に伴
い、狭帯域波長合分波器などの研究・実用化が急速に進
行している。例えばＩＴＵ−Ｔにより波長間隔０.８ｎ
ｍ といった高密度波長多重伝送の規格化が進められ、
同時にこれに対応した狭帯域合分波デバイスや光フィル
タの開発が進められている。以下では一般化のため、こ
れらの狭波長帯域特性を持つ光デバイスを総称して、単
に光フィルタと呼ぶ。すなわち、光ファイバグレーティ
ングといった狭帯域デバイスから、光波長合分波器，光
波長アドドロップ（Add-drop）といった機能デバイスま
でを含むものとする。

【０００３】一般に光通信の光源として用いられる半導
体レーザの波長ばらつきや安定度は数ｎｍのオーダーで
あり、帯域が例えば１〜２ｎｍ以下の狭帯域の光フィル
タと組み合わせて用いる場合には波長安定化という技術
が必要となる。波長安定化は例えば、光波長多重通信に
おいて、波長の異なる複数の光源波長を等間隔で精度良
く並べる場合にも必要となる。例えば上記０.８ｎｍ の
波長間隔を採用した場合、各光源の波長に要求される精
度は０.１ｎｍ のオーダーになり半導体レーザでは無制
御でこの精度を維持するのは困難であり、波長特性の安
定な光フィルタデバイスの透過・反射特性などを利用し
て光源波長を安定化することが検討されている。

【０００４】以下では従来例として、光ファイバグレー
ティングへの光源波長の安定化の例を示す。

【０００５】光ファイバグレーティングとは、光ファイ
バに紫外線を照射することによりその内部に光の波長オ
ーダーの微小な周期的屈折率変化を生じさせたものであ
る。このような光ファイバはグレーティングの周期で決
まる波長の光を反射する特性があり、反射型の光フィル
タ等に使用できる。また構造が簡素で作成も容易であ
り、反射特性をかなり自由に設定することが可能である
という特徴を持ち注目されている。特にグレーティング
の間隔が光ファイバの長手方向に徐々に変化するように
設計し、広い波長範囲で一定の分散特性が得られるよう
にしたチャープトグレーティングが、光ファイバ伝送に
おける分散補償に有効である。

【０００６】一般に分散量と波長帯域幅はトレードオフ
の関係にあるため、大きな分散量を設定すると波長帯域
は１ｎｍ以下と非常に狭帯域となる。このため、光源の
波長ゆらぎや精度，光ファイバグレーティングの温度変
化等による中心波長のずれなどを補償するため、波長安
定化を適用することが望ましい。

【０００７】図１は分散補償光ファイバグレーティング
を用いた従来の波長安定化の例である。光源１０１から
出力される光信号は光ファイバ１００を用いて光サーキ
ュレータ１０２，光ファイバグレーティング１０３，光
カプラ１０４に導かれている。光サーキュレータ１０２
は光非相反回路であり、光ファイバグレーティングで反
射された光信号を効率よく取り出すために使用されてい
る。光信号は光サーキュレータ１０２を通り、光ファイ
バグレーティング１０３へ入力される。光ファイバグレ
ーティング１０３の反射帯域の中心波長が光信号の波長
と一致している場合には、光信号は光ファイバグレーテ
ィング１０３で反射され、その際グレーティングの分散
特性により分散補償を受ける。

【０００８】図２は光ファイバグレーティング１０３の
反射特性を示している。波長帯域の幅Δλはおよそ数ｎ
ｍ〜０.１ｎｍ の範囲でありこの範囲で高い反射率を示
す。反射された信号光は、再び光サーキュレータ１０２
を通り、出力ファイバ１０７へと送出される。その途中
で光信号の一部が光カプラ１０４で分岐され光検出器１
０５に導かれている。波長安定化回路１０６は、光検出
器の出力信号が例えば最大となるように、すなわち反射
光量が最大となるように、光源１０１の波長の制御を行
っている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来方式では、
反射特性のピークに光源波長が安定化されるが、必ずし
も反射特性が単峰性で、ピークが中心にあるとは限らな
い。光ファイバグレーティングでは帯域をできるかぎり
広くするためにアポダイズという処理を行う場合が多
く、理論的には帯域内での反射率がほぼ９０〜９９％と
非常に平坦な特性となる。さらに反射特性が多峰となっ
たり、反射ピーク波長が中心以外に現れる場合もある。
このような場合には、必ずしも信号波長が波長特性の中
心に安定化されず、帯域が有効に使えなかったり、信号
スペクトルの一部がはみ出してしまう等の問題が起こる
可能性がある。また十分な制御精度が得られず、帯域内
で信号波長がふらつく等の問題が生じる可能性もある。

【００１０】また光フィルタの任意の位置に波長安定化
を行うことができず、光源ごとに別個の光フィルタを用
いて安定化を行うことが必要となる。例えば、一つのフ
ァイバグレーティングを複数の波長で共用するといった
使い方の場合、従来方式は適用できない。

【００１１】光ファイバグレーティングに限らず、波長
合波器や波長Add-Dropなどは矩形型の透過特性が要求さ
れることが多く、同様の問題が発生する可能性がある。
これらのデバイスを波長基準に用いた場合には、波長多
重伝送の波長間隔が不均一になる等の問題が生じる。

【００１２】また従来例では、例えば反射光を分離する
ために光カプラ等を用いる必要があり、余分な光信号の
損失が生じるなどの問題点もある。さらに、最大（もし
くは最小）値制御を行う場合、制御方向を識別するため
に同期検波や、微分回路を用いた最大値制御を行う必要
があり、制御系が複雑になるという問題点もある。

【００１３】本発明の目的は、光ファイバグレーティン
グ等の狭帯域な光フィルタデバイスを用いた波長安定化
装置において上記のような問題点を解決し、実用的な光
波長安定化装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、波長安定化
装置を、少なくとも光源，光フィルタ、および上記光フ
ィルタの側方向への散乱光を検出する一個以上の光検出
器によって構成することによって達成される。

【００１５】特に、上記光フィルタとして導波路型グレ
ーティングフィルタや光ファイバグレーティングを用い
た場合に特に効果的に達成できる。さらに上記光フィル
タに分散特性を持たせることにより、本発明が極めて有
効なものとなる。

【００１６】さらに上記光源にＡＭもしくはＦＭ等の変
調を施し、上記光検出器で本変調成分を抽出し波長安定
化に用いることにより、実用性が大きく向上する。

【００１７】本発明は、さらに光ファイバ伝送路，光受
信機を組み合わせ、光伝送装置として構成された場合に
有効となる。上記ＡＭもしくはＦＭ等の変調の周波数も
しくは符号等により各光検出器の出力から各光源に対応
する変調成分を識別・抽出することにより、実用性が向
上するとともに、また波長多重伝送においても波長の異
なる信号の識別に有効となる。また上記変調を誘導ブリ
ュアン散乱の抑圧に用いる低周波変調と共用することに
よりさらに実現が容易となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図３は本発明の第１の実施例を示
す説明図である。光源１０１から送出された光信号は光
サーキュレータ１０２を通り、光ファイバグレーティン
グ１０３へ入力される。グレーティングで反射された光
信号は出力ファイバ１０７から出力される。光ファイバ
グレーティング１０３の側面には光検出器１１０−１，
１１０−２（本図は光検出器が２個の場合）が配置され
ており、光ファイバグレーティングの側面方向への散乱
光のパワーを検出する。波長安定化回路１１１は、これ
らの光検出器１１０の出力信号から光源１０１の波長ず
れを検出し、波長安定化を行う。

【００１９】本発明の動作原理を示す。図４は本発明の
第１の実施例の動作の説明図であり、特にチャープト光
ファイバグレーティングを用いた場合の例を示してい
る。図４（ａ）は光検出器の配置と動作原理を、また
（ｂ）は光ファイバグレーティング１１４の反射率を示
している。光ファイバグレーティングや導波路グレーテ
ィングなどの光フィルタでは、フィルタ内部の光が側面
方向にわずかに散乱している。この強度はデバイスの構
造，光検出器の開口面積（立体角），光フィルタの長さ
によって大きく変化する。例えば５cmの光ファイバグレ
ーティングの場合、直径７mm程度の光検出器を用いると
入力光より３０〜５０ｄＢ程度低下した散乱光が観測で
きる。

【００２０】散乱光の空間分布は、光フィルタ内部の光
電界分布に密接に関係しているため、波長安定化に利用
することが可能である。例えば図４（ａ）に示すチャー
プト光ファイバグレーティング１１４では入力端から出
力端に向けて反射波長（ブラッグ波長）が長くなってい
る。したがってグレーティングの中心波長より入力波長
が短波の場合にはおよそ入力端付近で、長波の場合には
出力端付近で反射されるものと考えられ、これに対応し
て光ファイバグレーティング内部の光電界分布に位置・
強度の変化が生じる。したがって側方向散乱光を光検出
器で検出することで波長ずれに対応した信号を得ること
が可能となる。

【００２１】制御に必要となる光検出器の数は最小一個
であり、必要に応じてさらに数を増やすことができる。
一個の場合には一点での散乱光強度のみが得られるの
で、例えば光強度が一定，最大・最小となるような制御
を行うことで光波長安定化が可能となる。どの制御方式
を用いるかは、個々の光フィルタの動作原理や構造に大
きく依存する。複数の光検出器を用いる場合にはさらに
複雑な制御が可能となる。

【００２２】本方式では、光フィルタの透過・反射特性
のピーク位置とは無関係に例えば図４（ｂ）のように光
ファイバグレーティングの中央に波長安定化を行うこと
が可能となる。さらに光検出器の位置や制御方法を変え
ることで安定化位置を任意の位置に設定することも可能
である。

【００２３】チャープトグレーティング以外のグレーテ
ィングでも、入力波長の変化に対応して散乱光の分布の
位置・強度が変化する場合には本方式が適用可能であ
る。また導波路上にグレーティングを形成した導波路グ
レーティング等では、基板の上面もしくは下面に光検出
器を配置すれば問題なく適用可能である。なお光ファイ
バグレーティングの場合、入力光がグレーティング中心
波長より短波側の場合には入力光のクラッディングモー
ドへの結合が起こることが知られており、散乱光が増加
する可能性が考えられる。しかしながら、入力波長と散
乱光分布間に定量的な関係が成立していればこのような
状態でも問題なく本手法が適用できる。また本現象は、
帯域の狭いグレーティングでは帯域外で発生するため問
題がなく、さらに光ファイバ自体のコア径拡大などの技
術で避けることも可能であり、本質的な問題ではない。

【００２４】さらに本方式はグレーティングに限らず、
側方向散乱光の強度が帯域内光信号強度に対応していれ
ばどのような原理の光フィルタについても使用可能であ
る。例え非透過光を散乱モードに結合するタイプの光フ
ィルタであっても、後述のＡＭ／ＦＭ等の変調を施す手
法を用いれば散乱光の中から信号光成分のみを識別する
ことができ、問題なく適用可能である。

【００２５】また本実施例は反射型の光フィルタを用い
た場合の例であり、光サーキュレータ１０２で反射光を
取り出す構成としているが、光カプラ等に変更してもな
んの問題もない。さらに透過型の光フィルタを用いた場
合には光サーキュレータ１０２を使う必要はなくなる
が、この場合でも本発明の適用にはなんら問題は生じな
い。

【００２６】図５は本発明の第２の実施例であり、光フ
ィルタを二つ用い、それぞれに一つずつ光検出器を配置
した例である。光ファイバグレーティング１０３−１，
１０３−２にはそれぞれ光検出器１１０−１，１１０−
２が配置され、各グレーティングの側方向散乱光強度を
観測している。この際、例えば光ファイバグレーティン
グ１０３−１，１０３−２の反射中心波長をずらしてお
けば、光源波長が短波側にずれた場合、光検出器１０３
−１の出力増加，長波側にずれた場合１０３−２の出力
増加という形で検出できるため、例えば両信号光の強度
が等しくなるように制御することで波長安定化が行え
る。光フィルタの数や対応する光検出器の数は本例に限
らず適用可能であり、また制御方法も他の手法をとるこ
とが可能である。

【００２７】なお、本実施例では波長安定化回路１１１
より出力される制御信号を抵抗膜ヒータ１１５に印加
し、光ファイバグレーティング１０３−１，１０３−２
の温度を変化させて反射中心波長を変化させることによ
り、波長安定化を実現している。特に光源と光フィルタ
の配置場所が異なる場合には本実施例のように光フィル
タの中心波長を制御する方法が適している。制御方法は
必ずしも本実施例のように温度のみに限らず、光フィル
タの中心波長を変化させることの可能な手法はすべて適
用することが可能である。例えば物理的な張力，曲げ，
角度の変化を引き起こしたり、電流や電圧の印加，温度
の変化などフィルタの種類に応じてさまざまな手法が適
用可能である。

【００２８】図６は本発明の第３の実施例であり、本発
明を光伝送に用いる光中継器に適用した例である。光フ
ァイバ伝送路１２０−１から伝送された光信号は光中継
器１２７に入力されたのち、再び光ファイバ伝送路１２
０−２に出力されている。光中継器１２７内には光信号
の損失を補償する光アンプ１２１−１，１２１−２が配
置されている。本例は光フィルタとして導波路型グレー
ティング１１６を用いているが、本質的な構成の差はな
い。本光フィルタの機能としては、例えば光分散補償，
光Add-Drop，帯域透過フィルタなどを想定することがで
きる。

【００２９】図７は本発明の第４の実施例であり、本発
明を波長多重に適用した例である。本例は波長の異なる
二つの光源１０１−１，１０１−２を用いた例であり、
それぞれの波長は光ファイバグレーティング１０３−
２，１０３−１の反射帯域に対応している。例えばファ
イバグレーティング１０３−１の側方向散乱光は光検出
器１１０−１，１１０−２で検出され、波長安定化回路
１１１−２に入力され、光源１０１−２の波長が安定化
される。波長数がさらに増えた場合でも同様の構成で対
応することが可能である。なお、本実施例は例えば分散
補償等の用途の場合であるが、波長合分波器などに送信
波長を安定化するような場合でも同様の制御が可能であ
る。

【００３０】図８は本発明の第５の実施例であり、光フ
ァイバグレーティングの透過光も波長安定化に利用した
例である。本発明にフィルタの側方向散乱光以外の制御
量を導入してもなんら問題はない。本実施例では透過光
検出器１２２で検出しており、この出力信号が波長安定
化回路１１１に加えられている。波長安定化回路では、
例えば透過光と散乱光の比が一定になるように制御を行
ったり、もしくは透過光の量から信号波長がファイバグ
レーティング１０３の帯域外に出たことを検出すること
が可能である。

【００３１】図９は本発明の第６の実施例であり、本発
明を光伝送に適用した例である。本例では光送信光源１
２４に正弦波信号源１２３を用いて周波数ｆの小振幅の
ＡＭ変調を施した例である。光中継器１２７内部には狭
帯域光ファイバグレーティング１０３が配置され、分散
補償用途に用いられている。光ファイバグレーティング
１０３では波長安定化回路を用いて光信号の波長が反射
帯域内にはいるように安定化を行っている。この際光検
出器１１０−１，１１０−２では、周波数ｆの変調成分
のみを取り出して増幅し、波長安定化回路１１１に入力
する。このように周波数弁別を行うことで、強度の小さ
い散乱光の検出感度を大幅に向上することが可能とな
る。このような手法は光検出器の暗電流成分やＡＳＥな
どの雑音光などの影響も除去することができるので極め
て有効である。変調量を十分小さくすれば光伝送への影
響も小さい。このような光源の変調は光伝送用途に限ら
ず、本発明全体に適用できる。また変調方法もＡＭ変調
に限らず、ＦＭなどの周波数変調も適用可能である。周
波数変調の場合には、光信号の波長が変調されるので、
これにより散乱光の分布・強度が変化することから弁別
可能である。また正弦波に限らず、矩形変調，符号化変
調なども適用可能である。特に光通信においては、光フ
ァイバの非線形効果の一つである誘導ブリュアン散乱
（ＳＢＳ）を抑圧するため、光源に小信号の正弦波変調
を行う場合がある。この信号を本発明における変調と共
用することも可能である。

【００３２】なお本実施例では光ファイバグレーティン
グ１０３を光中継器内に配置している例を示している
が、光送信機，光受信機内などどこに配置しても構わ
ず、また光中継機の数が複数になってもよい。波長安定
化装置が複数用いられることになっても、同じ変調成分
を共用することが可能である。

【００３３】図１０は本発明の第７の実施例であり、第
６の実施例をさらに波長多重化した例である。本例では
正弦波信号源１２３−１，１２３−２の発振周波数をｆ
１，ｆ２と異なる値に設定している。光検出器１１０−
１，１１０−２は周波数ｆ１の散乱光を、また光検出器
１１０−３，１１０−４は周波数ｆ２の散乱光のみを検
出している。このようにすることで二つの波長安定化回
路１１１−１，１１１−２には、それぞれ光源１２４−
１，１２４−２の発振波長に対応した散乱光強度が入力
されることになり、両波長の安定化を完全に独立に行う
ことが可能となる。本方式は、波長数がさらに増えた場
合でも問題なく適用可能であり、また正弦波信号の周波
数以外にも、光送信器ごとに異なる変調符号を用いるこ
とでも制御信号の抽出が可能である。上記信号変調を用
いた場合、必ずしも波長ごとに対応した光フィルタを用
意する必要はなく、単一の光フィルタの異なる波長に複
数の信号光波長を安定化することも可能である。

【００３４】

【発明の効果】光フィルタの側方向散乱光を波長安定化
に用いることにより、光フィルタの透過・反射特性のピ
ークに限らず任意の波長に、波長安定化を行うことが可
能になる。同時に光カプラ等の光信号分岐用の素子が不
要となり、構造が簡素化され、また光信号の損失が低減
できる。

【００３５】光フィルタとして光ファイバグレーティン
グや導波路グレーティングを用いた場合、双方とも散乱
光の検出が容易であり、本発明の実現が容易になる。

【００３６】複数の光検出器を用いた場合には、散乱光
のピーク位置を一定位置に安定化するなどの高度な制御
も可能となる。例えば二つの光検出器を用いた場合に
は、両検出器の検出強度が等しくなるように制御するな
どの手法により、制御アルゴリズムを簡素化できるとい
う効果もある。また複数の光検出器を用いることにより
波長多重信号の安定化に適用できるようになる。

【００３７】また光フィルタに分散特性を持たせること
により、分散補償効果を持たせ、構成を単純化すること
が可能となる。

【００３８】さらに上記光源にＡＭもしくはＦＭ等の変
調を施し、光検出器で本変調成分を抽出し波長安定化に
用いることにより、検出感度を大幅に向上し、光検出器
の暗電流成分やＡＳＥなどの雑音光などの影響を除去す
ることができる。特に光伝送においては、誘導ブリュア
ン散乱（ＳＢＳ）を抑圧するための光源変調を本目的に
共用することにより構成が簡素化され、実現が容易にな
る。

【００３９】また上記光源の変調周波数や変調符号を光
源の波長ごとに異なるものとし、各光検出器では対応す
る各光検出器の出力から各光源に対応する変調成分を識
別・抽出することにより、波長多重信号における各波長
の散乱光を独立に検出できるようになる。さらに一つの
光フィルタに複数の光信号を安定化することができ、構
成が簡素化される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の光波長安定化装置の説明図。

【図２】従来の波長安定化装置における光ファイバグレ
ーティングの反射の特性図。

【図３】本発明の第１の実施例を示す説明図。

【図４】本発明の第１の実施例の動作の説明図。

【図５】本発明の第２の実施例を示す説明図。

【図６】本発明の第３の実施例を示す説明図。

【図７】本発明の第４の実施例を示す説明図。

【図８】本発明の第５の実施例を示す説明図。

【図９】本発明の第６の実施例を示す説明図。

【図１０】本発明の第７の実施例を示す説明図。

【符号の説明】

１０１…光源、１０２…光サーキュレータ、１０３…光
ファイバグレーティング、１０４…光カプラ、１０７…
出力ファイバ、１１０…光検出器、１１１…波長安定化
回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０４Ｂ 10/26 10/28 (56)参考文献 特開 平８−211433（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−189529（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−336324（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−64084（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−327663（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−188686（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−326410（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/00 - 3/30 H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/00 - 6/02 G02B 6/10 G02B 6/16 - 6/22 G02B 6/44 G02F 1/01 H04B 10/00 - 10/30

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光源（101）から送出された光信号
   を前記光信号の入力端から離れるに従って反射波長が長
   くなるように構成されたチャープト光ファイバグレーテ
   ィング（103）の前記入力端から入射するように構成さ
   れ、前記チャープト光ファイバグレーティング（103）
   の中心波長より入力光信号が短波の場合には前記入力端
   に相対的に近い位置で前記前記入力光信号は反射され、
   前記チャープト光ファイバグレーティング（103）の中
   心波長より入力光信号が長波の場合には前記入力端に相
   対的に遠い位置で前記前記入力光信号は反射されるもの
   であり、 前記チャープト光ファイバグレーティング（103）は側
   方向に前記光信号光が散乱されるものであり、 前記側方向であって、前記散乱光が検出可能な位置に一
   の光検出器が配置され、その光検出器で検出される光強
   度が一定または最大のいずれか一となるように前記レー
   ザ光源（101）の波長の大きさを制御することを特徴と
   する光波長安定化装置。
2. 【請求項２】レーザ光源（101）から送出された光信号
   をチャープト光ファイバグレーティング（103）の入力
   端から入射するように構成され、 前記チャープト光ファイバグレーティング（103）は側
   方向に前記光信号光が散乱されるものであり、 前記側方向であって、前記散乱光が検出可能な位置に一
   の光検出器が配置され、その光検出器で検出される光強
   度が一定または最大のいずれか一となるように前記レー
   ザ光源（101）の波長の大きさを制御することを特徴と
   する光波長安定化装置。
3. 【請求項３】レーザ光源（101）から送出された光信号
   をチャープト光ファイバグレーティング（103）の入力
   端から入射するように構成され、 前記チャープト光ファイバグレーティング（103）は側
   方向に前記光信号光が散乱されるものであり、 前記側方向であって、前記散乱光が検出可能な位置に二
   個以上の光検出器が互いに離間して配置され、それら光
   検出器で検出される光強度に基づいて前記レーザ光源
   （101）の波長ずれを検出して波長安定化を図るように
   構成されたことを特徴とする光波長安定化装置。
4. 【請求項４】レーザ光源（101）から送出された光信号
   をチャープト光ファイバグレーティング（103）の入力
   端から入射するように構成され、 前記チャープト光ファイバグレーティング（103）は側
   方向に前記光信号光が散乱されるものであり、 前記側方向であって、前記散乱光が検出可能な位置に光
   検出器が配置され、前記光検出器で検出される光強度に
   基づいて前記チャープト光ファイバグレーティング（10
   3）の反射中心波長を変化させることにより、前記チャ
   ープト光ファイバグレーティング（103）の中心波長の
   安定化を図るように構成されたことを特徴とする光波長
   安定化装置。