JP3698982B2

JP3698982B2 - 多格子光導波路モニタ

Info

Publication number: JP3698982B2
Application number: JP2000328223A
Authority: JP
Inventors: カイヨンミン; コーペンクリストファー
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: EP1096280A1; JP2001189697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の波長を監視装置へと方向を変えるために導波路格子を利用する光モニタに関し、特に、監視装置の解像度および性能を改善するために多ブレーズ格子を使用することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
多波長光通信システム（通常は「波長分割多重化システム」またはＷＤＭシステムと呼ばれている）においては、光ファイバからの電磁放射（本明細書中では、波長にかかわらず「光」と呼ぶ）を取り出すための効率的な波長選択手段は、たとえば、波長モニタ、チャネル・モニタ、デマルチプレクサ、増幅器モニタなどとしての様々な機能において、あるいは光増幅器を備えたフィードバック・ループにおいて有利に使用することが可能であった。
【０００３】
１９９１年１０月にG. Meltz et al.に発行された米国特許第５，０６１，０３２号は、光ファイバの外側の点で焦点を結ぶように、ファイバ内で導かれる光の方向を変えるために選択された、ブレーズされ、チャープされた屈折率格子を含む、光ファイバ・タップを開示している。この説明の全体を通して使用しているように、「ブレーズされた」という語は、屈折率摂動（perturbations）の平面（すなわち、格子）が、ファイバ内の案内されたモードの伝搬方向に直交していない格子を意味する。格子は、屈折率摂動間の（光）反復距離Λが、ファイバの軸座標ｚの関数として一定でない場合、すなわち、Λ＝Λ（ｚ）の場合に「チャープされる」。ブレーズされ、チャープされた屈折率格子を含む例示的な分散的光導波路タップは、１９９８年１１月３日にT.A. Strasser et al.に発行された米国特許第５，８３２，１５６号に開示されている。特に、Strasser et al.は、取り出されたモードを、フォトダイオードの配列などの関連づけられた検出装置へと方向づけるために、格子の領域内で光ファイバに隣接して設けられた結合手段を利用している。ファイバ内のブレーズされた格子も、異なった波長を配列内の異なった検出要素上に結合手段によって結像することができるように、光を角度をなして（θ）拡散するように機能する。その結果、検出器配列の電気信号は、ファイバを通って伝搬する元の信号と関連づけられた光のスペクトルを精密に示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
様々な先行技術の光モニタの光学的性能や費用（帯域幅、解像度および精度などのパラメータによって定義される）は、利用する格子／検出器の組み合わせによって主に決定される。間隔が密な稠密ＷＤＭ（「ＤＷＤＭ」）チャネル（たとえば、５０Ｇｈｚ以下の間隔）の信号対雑音比率（ＯＳＮＲ）の計測、拡張ダイナミック・レンジ計測、超広帯域（たとえば、６０〜８０ｎｍ）または多帯域（たとえば、ＣおよびＬ）の同時監視、ならびに多ネットワーク要素（たとえば、増幅器およびＡＤＤ／ＤＲＯＰノード）の同時監視などの、多数のより新しいアプリケーションにおいては、先行技術の装置の費用／性能の組み合わせは所望の目標を満たさない。
【０００５】
したがって、費用効率を維持しながら、新たに登場する光アプリケーションのために、帯域幅の拡張および／または解像度の向上を提供することができる、光導波路タップに対する必要性が先行技術には残っている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
先行技術に残る必要性は、本発明が解決する。本発明は、特定の波長を監視装置へと方向を変えるために導波路格子を利用する光モニタに関し、特に、監視装置の解像度および性能を改善するために多ブレーズ格子を使用することに関する。
【０００７】
本発明は、並んで配置された２つの個別のブレーズされたブラッグ格子を含む製品において実施する。関連づけられた１ｘ２の光スイッチの何れかの出力部から入射する光については、何れかのブレーズされたブラッグ格子は、光をファイバから取り出して、最終的に、関連づけられた検出器（フォトダイオード配列）に入れる役割を果たす。本発明のこの特定の実施形態の監視配置においては、一度に１つのブレーズされたブラッグ格子のみが「有効」である。すなわち、１ｘ２光スイッチの入力ポートに入る光は、排他的に２つの出力ポートの１つに向けられる（したがって、一対のブレーズされたブラッグ格子の一方に入れられる）。一般的に、各格子はそれに関連づけられた別個の光源を有してもよく、あるいは、更にもう１つの実施形態においては、複数Ｎ個の格子を備えて所定の組み合わせで複数Ｍ個の光信号を使用してもよい。
【０００８】
本発明の教示によれば、２つのブレーズされたブラッグ格子のパラメータは、たとえば、異なった波長範囲で光を取り出し、それによってモニタの全体的帯域幅を増加させるように選ぶことができる。代替的に、より狭い帯域幅を利用して、その帯域幅内の生データ・ポイント数の２倍計測を行うことにより、解像度の向上を達成することができる。本発明の折衷型の実施形態は、両方の技術を適用することにより帯域幅と解像度の両方を改善することができる（すなわち、帯域幅を増加させるが２倍にはしないことにより、増加した数の生データ・ポイントを依然として集めることができる）。
【０００９】
その最も一般的な形態においては、本発明のモニタは、関連づけられた１ｘＮスイッチ（または複数Ｎ個のオフ／オン・スイッチ）と共に使用する、Ｎ個のかかるブレーズされたブラッグ格子を含んでもよい。この場合に、帯域幅／解像度におけるＮ倍の改善を達成することができる。他の様々の光入力要素（たとえば、カプラまたは他のパススルー要素など）と関連して使用する場合に、異なった光信号を何個使用してもよい。実際に、本発明の多格子モニタは、所与の光システムと関連づけられた様々な異なった光信号を観察するために用いることができる。
【００１０】
本発明の上記以外の実施形態は、以下の説明を行う間に、付属の図面を参照して明らかになるであろう。
【００１１】
【発明実施の形態】
本発明の理解を助けるために、従来の先行技術の光タップモニタを簡潔に説明する。ここで、１つのかかる装置１０を、平面図で図１に示し、側面図で図２に示した。光導波路１２（如何なる光案内媒体を使用してもよいが、この場合には、光ファイバ）は、ブレーズされたブラッグ格子１４を含む。図１および図２の図（ならびに以下全ての図）を単純化するために、ファイバ１２を１本の線で示した。実際には、ファイバ１２は芯の部分（光案内用の）と周囲の被覆層とを含み、ブレーズされたブラッグ格子１４は従来の方法で芯に形成されることを理解されたい。例を挙げれば、ファイバは従来のシリカ・ベースの単一モードのファイバを含んでもよく、格子はフェーズ・マスクを使用してファイバにに「書き込み」（すなわち、フォトリソグラフィックに食刻）してもよい。格子周期Λおよびブレーズθ（すなわち、光軸に対する傾斜）は、所望の帯域幅Δλ内で光波長を取り出す（以下、「方向を変える」と言う。ここで、この語の使用は、たとえばユーザが望むように、１％〜９９％のどこかにある光信号の強さの一部の方向を変えるものと理解される）ために選ぶ。再び図１を参照すると、屈折率が一致するガラス・ブロック１６をファイバ１２に隣接して設けてあり、これは、光信号の焦点を検出器配列２０上に合わせるためのレンズ要素１８を含む。ここで、検出器はＩｎＧａＡｓフォトダイオードを含んでもよい。その結果、検出器配列の電気信号は、入力信号に関連づけられた光のスペクトルを精密に示す。次に、検出器配列のデータを抽出して分析するために、従来の制御電子機器（図示せず）を使用することができる。そして、特定のデータは、光スペクトルと、ＤＷＤＭチャネルの数を、それらの波長、強さ、および信号対雑音比率（ＳＮＲ）と共に定めてもよい。上記のように、図１および図２に示した先行技術の装置は、ブレーズされたブラッグ格子１４と光検出器配列２０との特定の組み合わせで達成することができる、帯域幅および解像度について限定される。
【００１２】
本発明に従った多ブレーズ格子の使用は、先行技術のこれらの限定を克服するものと考えられる。図３は、本発明に従って構成された例示的な光モニタ３０の側面図である。光モニタ３０は、その全体的な帯域幅および解像度を改善するために、関連づけられた一対の光ファイバ（または、他のあらゆる適切な光案内材料）３３および３５にそれぞれ形成された、一対のブレーズされたブラッグ格子３２および３４を利用している。ブレーズされたブラッグ格子３２および３４の並んだ配置を明確に示した光モニタ３０の平面図を、図４に示す。先行技術の装置と同様に、格子３２、３４は、レンズを付けた端面３８を含む屈折率適合ガラス・ブロック３６に接着してある。光検出器配列４０は、格子３２、３４によって方向を変えられた（「取り出された」）光信号を獲得するように配置してある。
【００１３】
本発明の例示的実施形態によれば、第１のブレーズされたブラッグ格子３２は、所定の光スペクトルλ_A−λ_Bをファイバ３３から出して検出器配列４０の方に方向を変えるように機能する、第１の格子周期Λ₁とブレーズ角θ₁を示すように形成してある。特に、角度を付けた置き換えを制御することにより、スペクトルλ_A−λ_Bによって光を当てられた配列４０内のフォトダイオードの特定のサブセットを、同様に制御することができる。第２のブレーズされたブラッグ格子３４は、本発明のこの実施形態に従って、異なったスペクトルλ_X−λ_Yの方向変換と関連づけられた、異なった格子周期Λ₂とブレーズ角θ₂を示すように形成してある。異なったブレーズ角度と格子周期の使用は、検出器配列上に結像されたスペクトル帯を変更するように機能する。図３および図４を参照すると、１ｘ２光スイッチ４２がファイバ３３および３５に結合されたものとして示されており、ここで、この実施形態においては何れの所与の時点においてもブレーズされたブラッグ格子を１つだけ使用するので、スイッチ４２の状態を使用して、ある時点でどの格子が「有効」であるかを制御する。すなわち、１ｘ２光スイッチ４２の光侵入入力ポート４４は、スイッチ４２の２つの出力ポート４６および４８の一方に排他的に向けてある。図には示していないが、光スイッチ４２および光検出器配列４０は、スペクトル較正および様々な関連計算用のマイクロプロセッサを含む外部電子機器によって制御する。本発明の装置は、上記で定義したように、「チャープされていない」か「チャープされている」ブレーズ格子を使用しても、「チャープされていない」ブレーズ格子と「チャープされた」ブレーズ格子との両方の何らかの適切な組み合わせを使用してもよいことを理解されたい。
【００１４】
一般的に、本発明の装置の利点は、格子３２および３４のパラメータを制御する能力に由来する。たとえば、格子は、光を異なった波長範囲で、すなわち、λ_A−λ_B（範囲Ｒ_ABと示した）とλ_X−λ_Y（範囲Ｒ_XYと示した）との間のスペクトルの重複がない状態で、取り出すように設計することができる。その結果、出力ポート４４と４６との間で１ｘ２光スイッチ４２を切り替えること（格子３２と３４との間で切り替えることに等しい）は、検出器配列４０上に結像される、波長範囲Ｒ_ABおよびＲ_XY内のスペクトルにそれぞれ帰結する。モニタ３０のＢで示した帯域幅は、焦点距離ｆに比例するので、多数の異なった方法で改善された性能を提供するために、格子３２、３４および焦点合わせ光学機械（ガラス・ブロック３６およびレンズ３８を含む）を選択することができる。たとえば、光モニタ３０は、所与の帯域幅の関連づけられた解像度を２倍にするように実施できる。すなわち、２つのより長い焦点距離の光学機械の要素を使用して、所望の帯域幅の半分を結像するために各格子３２、３４を使用することができ、同じ波長範囲に比べて２倍の数の生データ・ポイントを生ずることができる。代替的に、各ブレーズされたブラッグ格子について重複しない帯域を実施することにより、モニタの帯域幅を２倍にすることができる（所与の解像度について）。すなわち、同じ焦点距離光学機械を維持することにより、光検出器配列４０上に別個の全帯域を結像するために各格子３２および３４を使用することができ、総波長範囲を２倍にすることができる。これら２つの両極の状態の間に、高まった解像度と広がった帯域幅の両方を組み込んでもよいことを理解されたい。
【００１５】
ブレーズされたブラッグ格子３２、３４は、モニタ３０の総ダイナミック・パワー・レンジを高めるように選んでもよい。当該技術分野においてよく知られているように、ブレーズ格子は、ファイバからの光の１％未満から９９％を超える部分を取り出すように製造できる。その結果、強さが大きく異なる２つの格子を、入力強さレベルに応じて、その２つの間で切り替えるように制御される装置に使用することができる。特に、強い入力信号には、強さの小さい方の格子を用い、同様に、弱い入力信号には、強さの大きい方の格子を用いて、それぞれの場合に、十分な強さの光信号がモニタ４０に作用することを確実にする。十分に広範囲の入力強さ（例えば、２０ｄＢもしくはそれ以上の強さまで）を、単一モニタ３０により測定することが有利である。
【００１６】
モニタ３０の平面形状は例として示しただけであって、本発明の教示に従って多ブレーズされたブラッグ格子を利用できる、当該技術分野でよく知られた様々な他の装置がある。特に、図５は、図３および図４のレンズ３８を、取り出された光をガラス・ブロック３６を通して戻して（位置を変えた）検出器配列４０内に反射する凹面鏡５０で置き換えた、反射型平面形状装置を示している。
【００１７】
上記のように、本発明の教示は、一対のブレーズされたブラッグ格子の使用を越えて、複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子を採用した装置にまで拡張できる。図６は、それぞれが関連づけられた光導波路（たとえば、光ファイバ）６４₁〜６４_N内に形成された、並べて積み重ねた複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子６２₁〜６２_Nを含む、Ｎ要素光モニタ６０の側面図である。複数の格子６２₁〜６２_Nは、取り出された光の焦点を光検出器配列７０上に合わせるように機能する、ガラス・ブロック６６および関連づけられたレンズ要素６８に隣接して設けている。この特定の実施形態においては、所与の時点で「有効」である特定の格子を制御するために、１ｘＮ光スイッチ７２を使用している。かかる装置は、多数の、間隔が密な波長の使用を必要とするＤＷＤＭアプリケーションに特に適している。
【００１８】
代替的な実施形態においては、図７に示したように、１ｘＮスイッチ７２は、複数Ｎ個のオン／オフ・スイッチ７４₁〜７４_Nによって置き換えることができる。この装置は、たとえば、単一の装置で監視できる複数Ｎ個の個別のネットワーク要素などの、多数の入力部を監視するのに特に適している。
【００１９】
図３および図４に示したように、多格子光導波路モニタを実験的に証明した。それぞれ中心の波長が１５４７ｎｍおよび１５７５ｎｍである、一対のチャープされていないファイバ・ブレーズされたブラッグ格子３２および３４を、分散性要素として使用した。格子３２からの波長１５４７ｎｍおよび格子３４からの波長１５７５ｎｍが、ファイバの軸に対して同じ角度、すなわち１８°で発散するように、９°の値で等しくなるようにブレーズ角θ１およびθ２を選んだ。格子は、フェーズ・マスクを使用して、従来の単一モードのシリカ・ベースのファイバにフォトリソグラフィックに書き込んだ。格子の長さは約１０ｍｍであった。格子の強さは、中間波長にある単一モードの光の〜２０％がファイバから取り出されるような程度であった。ファイバとブロック間の結合を達成するために、格子を、光学的に透明であり、屈折率が密接に適合する（ｎ＝１．５６）接着剤で、シリカ・ガラス・ブロック（１５５０ｎｍでｎ＝１．４４）に接着した。ガラス・ブロック３６は、名目的に６ｃｍｘ３ｃｍｘ１ｃｍの寸法であった。焦点距離１００ｍｍの高反射率絶縁（Ｒ>９９％）の凹面鏡が、両方の格子３２および３４からの外結合された光の焦点を、２５６要素直線ＩｎＧａＡｓ検出器配列上に合わせる役割を果たした（二次元配列も代替物として使用できることを理解されたい）。各検出器要素は幅３０オｍ、長さ２５０オｍであった。配列は、各検出器要素が０．１４ｎｍの光の範囲に対応する、３５ｎｍの波長の幅の範囲を覆った。２つの格子の入力部は、１ｘ２光機械スイッチ４２の出力部に融合接続した。スイッチを出力ポート４６と４８との間で前後にトグルするために、スイッチの電気リード線に掛かる５Ｖ信号を使用した。
【００２０】
回転可能なヒューレット・パッカードおよびフォトネティクスの外部共振レーザ（ＥＣＬ）からのレーザ放射を共に多重化して、装置への入力として使用した。図８は、光スイッチ・リード線全体にわたって電圧が印加されていないときに、この実施例で説明したように設計された、二重格子モニタのスペクトル反応を示している。この構成においては、スイッチに侵入する光は出力ポート４６に向けられ、したがって、格子３２を通る。検出器配列４０上に入射する対応する波長範囲は、１５５６〜１５９１ｎｍである。同様に、図９は、５Ｖのバイアスがリード線全体にわたって印加されたときの反応を示している。ここで、光は出力ポート４８に向けられて、その後格子３４を通り、１５２９〜１５６４ｎｍの計測スペクトルになる。
【００２１】
本発明の主旨および範囲内に入ると思われる、上記の実施形態に対する多数の変形があることを理解されたい。たとえば、ブレーズ格子はファイバ格子、チャネルまたは平面導波路格子、あるいは一般的に、あらゆる適切な種類の光案内格子であってもよい。図３および図５に示したもの以外の平面形状を利用してもよく、更に、たとえば、球面レンズ、円柱レンズまたはこれらのレンズのあらゆる適切な組み合わせなどの、取り出された光の焦点を検出装置上に合わせることができる、あらゆる適当な種類のレンズ装置と組み合わせて使用してもよい。実際に、検出装置自体は、一次元配列のフォトダイオードおよび二次元配列のフォトダイオードを含む、あらゆる適当な配置を取ってもよい。ここで、各配列は、単一の「検出装置」または、代替的に、おそらくそれぞれが個別の格子からの光を一対一の関係で焦点を合わせる、多数の個別の小型検出装置として定義される。代替的に、異なった格子からのスペクトルを調査するために、多数の検出器を使用することもできる。本発明の多格子光導波路モニタは、ファイバ格子構造の何れの端部からの光入力信号も受け容れる、二方向装置として利用してもよい。これらの変形の全てが、特許請求の範囲によって定められる、本発明の主旨および範囲の中に入るものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術のブレーズされたブラッグ格子光タップ装置の平面図である。
【図２】図１の先行技術の装置の側面図である。
【図３】本発明に従って構成された例示的な多ブレーズされたブラッグ格子光タップ装置の側面図である。
【図４】本発明において使用する一対のブレーズ格子の並んだ配置を特に示す、図３の実施形態の平面図である。
【図５】装置に反射要素を組み込んだ、本発明の代替的実施形態を示す図である。
【図６】Ｎ個のブレーズ格子および関連づけられた１ｘＮ光スイッチを含む、本発明の実施形態の側面図である。
【図７】図６の１ｘＮ光スイッチを複数Ｎ個のオン／オフ・スイッチによって置き換えた、本発明の更にもう１つの実施形態の側面図である。
【図８】光スイッチ・リード線全体にわたって電圧が印加されていない場合の二重格子モニタのスペクトル反応を示す図である。
【図９】リード線全体にわたって５Ｖのバイアスが印加されたときの反応を示す図である。
【符号の説明】
１０従来技術の装置
１２、６４光導波路（光ファイバ）
１４、３２、３４、６２ブレーズされたブラッグ格子
１６、６６ガラス・ブロック
１８、６８レンズ要素
２０、４０、７０検出器配列
３０光モニタ
３３、３５光ファイバ
３６ガラス・ブロック
３８レンズ
４２光スイッチ
４４入力ポート
４６、４８出力ポート
５０凹面鏡

Claims

検出装置への入光信号の一部の方向を変える光モニタであって、
複数Ｎ個の入力光導波路を含み、前記複数Ｎ個の入力光導波路のそれぞれは、前記入光信号を画定された光軸に沿って伝搬させるために、前記入光信号を入力として受信するものであり、さらに、
複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子を含み、前記Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子のそれぞれが、前記光軸からの所定範囲の光波長の方向を変えるように、前記複数Ｎ個の入力光導波路のそれぞれ１つずつの中に形成され、そして前記Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子のそれぞれが異なる格子周期Λ_iと異なるブレーズ角度θ_iを含むものと定義されており、さらに、
前記入力信号を受け取る単一の入力ポートと、それぞれが前記複数Ｎ個の光導波路のそれぞれ１つずつに結合されている複数Ｎ個の出力ポートとを含む１ｘＮ光スイッチを含み、前記複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子の何れの格子を前記入力光信号と共に使用するかを決定するために、出力ポート間の切替を制御し、さらに、
前記複数Ｎ個のブレーズ格子によって方向を変えられた、前記所定範囲の光波長を獲得する光レンズ装置と、
前記光レンズ装置が獲得した、方向を変えられた光波長を受け取り、前記入光信号の所定の特性を監視するように設けられた光検出装置とを含む、光モニタ。
前記複数Ｎ個の入力光導波路は、内側の芯の部分と外側の被覆層とを含む複数Ｎ個の光ファイバを含み、前記複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子はそれに関連づけられた光ファイバの芯の部分に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の光モニタ。
前記複数Ｎ個の光ファイバは、複数Ｎ個の単一モード光ファイバを含むことを特徴とする、請求項２に記載の光モニタ。
前記複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子は、フォトリソグラフィックに書き込まれた複数の格子を含むことを特徴とする、請求項２に記載の光モニタ。
前記複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子の少なくとも２つのブレーズされたブラッグ格子は、異なったブレーズ角度θを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光モニタ。
少なくとも１つのブレーズされたブラッグ格子は、チャープされた格子であることを特徴とする、請求項１に記載の光モニタ。
前記光レンズ装置は、
前記複数Ｎ個のブレーズされたブラッグ格子によって方向を変えられた、前記所定範囲の光波長を獲得するように設けられた屈折率適合ブロックと、
前記所定範囲の光波長の焦点を前記光検出装置上に合わせるようにするために、前記屈折率適合ブロックの出力部に設けられたレンズ要素とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の光モニタ。
前記レンズ要素は、前記所定の波長を前記屈折率適合要素を通して前記光検出装置内へと方向を変える、凹面反射器を含むことを特徴とする、請求項７に記載の光モニタ。
前記光レンズ装置は、複数の異なった波長の焦点を合わせる複数の別個のチャープされたブレーズ格子と共に使用する、複数の別個のレンズ要素を含むことを特徴とする、請求項１に記載の光モニタ。