JP3749310B2

JP3749310B2 - 波長多重光源

Info

Publication number: JP3749310B2
Application number: JP15131496A
Authority: JP
Inventors: 浩一谷口; 雅弘湖東
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2006-02-22
Anticipated expiration: 2016-06-12
Also published as: JPH09329817A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重光源に関し、特に波長分割多重（ＷＤＭ）光ファイバ通信における光源として有用な波長多重光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信において、波長多重光源は、そこに含まれる波長の異なる複数の光のそれぞれにて他波長光から独立して信号を伝送することができるので、大量の情報を伝送するうえですこぶる有用である。
波長多重光源は、従来は図６に示すように、沢山の異なる波長のレーザダイオードからの出力光を光合成器Ｃにより合成する方法が採られていた。しかしこの従来方法では、沢山の異なる波長のレーザダイオードが必要となる、各レーザダイオードからの出力を均一化するために精密な制御が必要となる、更には、全体のシステムが大掛かりとなり且つ複雑となる、などの問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、異なる波長のＬＤを多数用いることなく、しかも所望数の且つ波長差や出力がよく揃っている多重波を放出し得る波長多重光源を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の波長多重光源は、つぎの特徴を有する。
１．少なくとも二つの差周波発生波長変換素子（以下、単に波長変換素子と略称する）と、前記各素子のうちの１番目の波長変換素子（１）へシグナル光を入射する手段と、前記各素子へ、素子毎に異なる波長のポンプ光を入射する手段と、光取出し手段とを有し、且つ、
前記の各素子は一つの光学的ループ内に存在するように配置され、
前記光学的ループ内では、
１番目の波長変換素子（１）に、シグナル光と該素子のポンプ光Ｐ１とが入射する構成とされ、該素子で差周波発生した最初のアイドラ光と、該素子を通過したシグナル光とが、次に位置する波長変換素子（２）へ、該素子のポンプ光Ｐ２と共に入射する構成とされ、該素子（２）では、先のアイドラ光とシグナル光とポンプ光とによって、波長の異なる２つのアイドラ光が新たに差周波発生し、この２つのアイドラ光と、該素子（２）を通過した先のアイドラ光とシグナル光とが、さらにその次に位置する波長変換素子へ、その素子のポンプ光と共に入射する構成とされており、
１つの波長変換素子へ入射したシグナル光が、該素子で差周波発生したアイドラ光と共に、波長変換素子を順次通過しながら、光学的ループを周回する上記構成とされることによって、１つの波長変換素子を経由する度に、波長の異なるアイドラ光が２つずつ新たに追加発生し、最初の１つのシグナル光から波長多重光が発生可能となっていることを特徴とする、波長多重光源。
２．波長変換素子が非線形光学材料の結晶からなり且つ差周波発生し得る結晶方位に光を選択入射できるようにした構造である上記１記載の波長多重光源。
３．波長変換素子が非線形光学材料の結晶からなる分極反転構造である上記１記載の波長多重光源。
４．非線形光学材料がＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ からなる群から選ばれた少なくとも１種である上記１〜３のいずれかに記載の波長多重光源。
５．波長変換素子が導波路型である上記１〜４のいずれかに記載の波長多重光源。
６．波長変換素子がバルク型である上記１〜４のいずれかに記載の波長多重光源。
７．波長変換素子からの出力光中に含まれるポンプ光を除去する手段を有する上記１〜６のいずれかに記載の波長多重光源。
８．二つの波長変換素子の間に光増幅手段を有する上記１〜７のいずれかに記載の波長多重光源。
９．光増幅手段が、光励起基板型のものである上記８記載の波長多重光源。
１０．光増幅手段が、光ファイバ光増幅器である上記８記載の波長多重光源。
【０００５】
【作用】
各波長変換素子毎に異なる波長のポンプ光が入射されている状態において、ある波長のポンプ光と他の波長のシグナル光とを上記のループ内の１番目の波長変換素子に入射し、その出力光を２番目の波長変換素子に入射すると、後に詳述するように、入射したシグナル光とポンプ光の他に波長の異なる三つの光、即ちアイドラ光が新たに発生する。以降は、一つの波長変換素子を経由する度に波長の異なるアイドラ光が二つずつ新たに追加発生する。これを繰り返すことにより、換言すると、該ループを周回することにより、最初の一つのシグナル光から多数の光を発生させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明において波長変換素子としては、差周波発生し得る機能を有する各種のものが使用される。例えばＫＴｉＯＰＯ₄、β−ＢａＢ₂Ｏ₄、ＬｉＢ₃Ｏ₅、ＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃、あるいはその他の非線形光学材料の結晶からなり且つ差周波発生し得る結晶方位に光を選択入射できるようにした構造の素子や上記非線形光学材料の結晶とＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓあるいはその他の半導体結晶とから構成される擬似位相整合の分極反転構造の素子などが例示される。かかる素子は、導波路型やバルク型などの構造であってよい。これら波長変換素子のうち、波長変換効率が高くまた変換波長範囲の広いものが好ましい。就中、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃などから構成された分極反転構造は、発生波長の自由度が大きい、実効非線形光学定数（ｄ_eff）が大きく波長変換効率が高い、などの観点から特に好ましい。
【０００７】
本発明においては必ずしも必須ではないが、各波長変換素子からの出力光の中に含まれる余剰のポンプ光を除去する手段、および二つの波長変換素子の間に光増幅手段を有することが好ましい。出力光中に含まれる余剰のポンプ光が、次の波長変換素子に入射すると、このポンプ光により不要な変換光が発生する可能性があるので、これを可及的に、例えば余剰ポンプ光の８０％以上、特に９５％以上を除去することにより波長差や出力が実質的によく揃っている多重波を得ることができる。余剰のポンプ光は、後記の実施例に示すように、各波長変換素子の出力側下手の適当な個所に光ファイバ型や導波路型の光結合器を設置して系外に放出することにより十分除去することができる。
光増幅手段を設けることにより、所望の高出力と出力の均一化とを図ることができる。光増幅手段としては、周知のものであってよく、例えば光ファイバを用いた光増幅器、半導体を用いた光増幅器、あるいは後記の実施例４において詳述する光励起基板型のもの、などが例示される。
【０００８】
以下、本発明を詳細に説明する。図１〜図４は、いずれも本発明の波長多重光源の実施例の上面図である。図１〜図４の各実施例において、同一部分は同一数字にて示す。
【０００９】
【実施例】
図１において、１および２は導波路型の波長変換素子、Ａ１およびＡ２は光ファイバを用いた光増幅器、３〜１２は光ファイバ式の光結合器、１３〜２３は光ファイバからなる導光路である。波長変換素子１、光増幅器Ａ１、波長変換素子２、および光増幅器Ａ２が時計回りに配置され、かつそれらは導光路１３によりループ状に光学的に結合されている。ポンプ光Ｐ１は、導光路１５および光結合器４を経由して波長変換素子１に入射され、波長変換素子１を通過したそれの余剰分は光結合器５を経て導光路１６より外部に除去される。またポンプ光Ｐ２は、導光路１７および光結合器７を経由して波長変換素子２に入射され、それの余剰分は光結合器９を経て導光路１８より外部に除去される。
シグナル光Ｓは、導光路１４、光結合器３、導光路１３および光結合器４を順次経由してポンプ光Ｐ１と一緒に波長変換素子１に入射される。波長多重光Ｍは、導光路１３、光結合器５、導光路１３および光結合器６を順次経由して導光路１９より出力される。一方、光増幅器Ａ１には、その増幅機能を増大させるために、増幅用のポンプ光Ｐ３が導光路２０と光結合器９、光増幅器Ａ１、光結合器１０、および導光路２１を順次経て流されている。同様のことが光増幅器Ａ２についても行われている。
【００１０】
つぎに、図１の実施例について本発明の作動原理を説明する。
今、波長λ_s1のシグナル光Ｓと波長λ_P1のポンプ光Ｐ１とを波長変換素子１に入射すると、（１）式に従って新たに波長λ_n1のアイドラ光が発生し、２種の入射光とこのアイドラ光の３種が出力する。
１／λ_P1＝１／λ_s1＋１／λ_n1 （但し、λ_P1＜_s1、_n1）（１）
この３種の光のうち、ポンプ光Ｐ１は光結合器５を経て導光路１６より外部に除去され、したがってシグナル光Ｓと波長λ_n1のアイドラ光の２光が導光路１３のループを前進する。
次に、波長λ_p2のポンプ光Ｐ２、および上記の２光が波長変換素子２に入射すると、ポンプ光Ｐ２、シグナル光Ｓ、および波長λ_n1のアイドラ光とから（２）式および（３）式により新たに波長λ_s2、および波長λ_n2の二つのアイドラ光が発生する。
１／λ_p2＝１／λ_s1＋１／λ_s2 （２）
１／λ_p2＝１／λ_n1＋１／λ_n2 （３）
かくして、シグナル光Ｓ、ポンプ光Ｐ２、波長λ_s2、λ_n1、およびλ_n2の合計５光が波長変換素子２から出力するが、このうちポンプ光Ｐ２のみ光結合器９を経て導光路１８より外部に除去される。したがって、残る４光が導光路１３のループを前進する。
次に、ポンプ光Ｐ１および上記の４光が波長変換素子１に入射する。そこにおいてポンプ光Ｐ１、λ_s2およびλ_n2の３種の光から（４）式および（５）式により新たに波長λ_s3、および波長λ_n3の二つの光が追加発生し、ついで波長変換素子２においてポンプ光Ｐ２、λ_s3およびλ_n3の３種の光から（６）式および（７）式により新たに波長λ_s4、および波長λ_n4の二つの光が追加発生する。
１／λ_P1＝１／λ_s2＋１／λ_s3 （４）
１／λ_p1＝１／λ_n2＋１／λ_n3 （５）
１／λ_P2＝１／λ_s3＋１／λ_s4 （６）
１／λ_p2＝１／λ_n3＋１／λ_n4 （７）
即ち、以上において初期のシグナル光Ｓとポンプ光Ｐ１の２光とから、ループを１周した後において４種となり、ループを２周した後においてシグナル光Ｓ、波長λ_s2、λ_s3、λ_s4、λ_n1、λ_n2、λ_n3、およびλ_n4の合計８種に増加する。以降、ループを１周する毎に４種のアイドラ光が新たに追加発生して行く。
【００１１】
λ_s(m)とλ_s(m+1)（あるいはλ_n(m)とλ_n(m+1)）との差Δλは、２つの波長変換素子に入射される２つのポンプ光の波長差で決定されるので、各ポンプ光をその波長の観点から選択採用することにより、任意に設定することができる。Δλは、例えば０．５〜５０ｎｍ、特に１〜１０ｎｍ程度に設定するのが好ましい。
【００１２】
図１の実施例について、波長変換素子１および２として分極反転周期がいずれも１９．０μｍのＬｉＮｂＯ₃結晶の分極反転構造を用い、また余剰ポンプ光はアイソレーション５０ｄＢ以上の光結合器により除去し、ポンプ光Ｐ１の波長λ_P1を７７５ｎｍ、ポンプ光Ｐ２の波長λ_p2を７７７．５ｎｍ、Δλを５ｎｍ、またシグナル光Ｓの波長λ_s1を１５４７．５ｎｍとして、１０周回稼働させた。図５はその結果であって、各周回数毎に導光路１９より出力される波長多重光Ｍについて、そこに含まれている光の数と各光の波長とを示す。
【００１３】
図２の実施例は、実施例１のそれとは光増幅器Ａ１およびＡ２が共に半導体光増幅器であり、駆動電流Ａが印加されている点のみ異なる。
【００１４】
図３の実施例は、実施例１のそれとは波長変換素子１および２がバルク型構造のものであり、また波長変換素子１、光増幅器Ａ１、波長変換素子２、および光増幅器Ａ２のループ状での光学的結合、シグナル光Ｓの導入、ポンプ光Ｐ１およびＰ２の導入並びに導出除去、並びに波長多重光Ｍの導出の全てを光の空間伝搬およびミラーによる結合や分離にて行っている点のみ異なる。光増幅器Ａ１、Ａ２としては、光ファイバ光増幅器や半導体光増幅器が用いられる。
【００１５】
図４の実施例は、波長変換素子１、光増幅器Ａ１、波長変換素子２、および光増幅器Ａ２のループ状での光学的結合、シグナル光Ｓの導入、ポンプ光Ｐ１およびＰ２の導入並びに導出除去、並びに波長多重光Ｍの導出の全てを基板Ｂの上に形成された光導波路による導光、光結合、あるいは光分離にて行っている点、および増幅器Ａ１、Ａ２としては、後記する光励起基板型のものである点においてのみ実施例１と異なる。なお、光励起基板型増幅器Ａ１およびＡ２を励起するためのポンプ光Ｐ３およびＰ４の導入並びに導出も基板Ｂの上に形成された光導波路により行われている。
【００１６】
一般的に、基板として光導波路のクラッドとなり得る材料、例えば石英ガラスに希土類元素やＣｒなどの周知の光励起性元素を含有したものを用い、該基板上に導波路を形成するとよく知られた光励起効果により該導波路内の光は増幅作用を受ける。図４の実施例における光励起基板型増幅器Ａ１およびＡ２は、この増幅作用を利用した構造のものであって、基板Ｂのうちの少なくともと増幅器Ａ１およびＡ２が必要な個所は、上記した光励起性元素を含有した材料からなりその上にループ１３が成形されている。本発明において、基板Ｂの全面を、あるいは少なくともループ１３の全周にわたり、かかる光励起性元素を含有した材料にて形成して光増幅機能を具備させるもよい。
本実施例のように基板上に集積化する場合には、例えばＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃の結晶を構成素材として用いると、かかる集積化基板の製造が極めて容易となる。即ちＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ₃の結晶は、希土類元素を添加することで光増幅作用を示し、不純物拡散などにより光導波路を形成でき、しかも前記したように分極反転構造の波長変換素子を形成することも可能であるからである。
【００１７】
本発明においては、上記の実施例以外にも種々の変形実施態様が含まれる。例えば、波長変換素子をループ中に三つ以上有する態様、半導体基板を用いてシグナル光およびポンプ光用光源、光増幅器、および光導波路を全て一つの基板内に集積する態様などが例示される。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、すこぶる簡単な構造でありながら、所望数の多数の光をしかも各光の波長差を所望の且つ略等間隔に設定し均一に発生することができる。したがって本発明の波長多重光源は、大量の情報を伝送する光ファイバ通信の分野に好適に採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長多重光源の実施例の上面図である。
【図２】本発明の波長多重光源の他の実施例の上面図である。
【図３】本発明の波長多重光源の他の実施例の上面図である
【図４】本発明の波長多重光源の他の実施例の上面図である。
【図５】図１の実施例について、各ループ周回数毎に出力される波長多重光Ｍに含まれている光の数と各光の波長とを示す。
【図６】従来の波長多重光源の説明図である。
【符号の説明】
１、２波長変換素子
Ａ１、Ａ２光増幅器
３〜１２光結合器
１３〜２３導光路
Ｓシグナル光
Ｐ１、Ｐ２ポンプ光

Claims

少なくとも二つの差周波発生波長変換素子と、前記各素子のうちの１番目の差周波発生波長変換素子（１）へシグナル光を入射する手段と、前記各素子へ、素子毎に異なる波長のポンプ光を入射する手段と、光取出し手段とを有し、且つ、
前記の各素子は一つの光学的ループ内に存在するように配置され、
前記光学的ループ内では、
１番目の差周波発生波長変換素子（１）に、シグナル光と該素子のポンプ光Ｐ１とが入射する構成とされ、該素子で差周波発生した最初のアイドラ光と、該素子を通過したシグナル光とが、次に位置する差周波発生波長変換素子（２）へ、該素子のポンプ光Ｐ２と共に入射する構成とされ、該素子（２）では、先のアイドラ光とシグナル光とポンプ光とによって、波長の異なる２つのアイドラ光が新たに差周波発生し、この２つのアイドラ光と、該素子（２）を通過した先のアイドラ光とシグナル光とが、さらにその次に位置する差周波発生波長変換素子へ、その素子のポンプ光と共に入射する構成とされており、
１つの差周波発生波長変換素子へ入射したシグナル光が、該素子で差周波発生したアイドラ光と共に、差周波発生波長変換素子を順次通過しながら、光学的ループを周回する上記構成とされることによって、１つの差周波発生波長変換素子を経由する度に、波長の異なるアイドラ光が２つずつ新たに追加発生し、最初の１つのシグナル光から波長多重光が発生可能となっていることを特徴とする、波長多重光源。
差周波発生波長変換素子が非線形光学材料の結晶からなり且つ差周波発生し得る結晶方位に光を選択入射できるようにした構造である請求項１記載の波長多重光源。
差周波発生波長変換素子が非線形光学材料の結晶からなる分極反転構造である請求項１記載の波長多重光源。
非線形光学材料がＬｉＮｂＯ₃、ＬｉＴａＯ₃からなる群から選ばれた少なくとも１種である請求項１〜３のいずれかに記載の波長多重光源。
差周波発生波長変換素子が導波路型である請求項１〜４のいずれかに記載の波長多重光源。
差周波発生波長変換素子がバルク型である請求項１〜４のいずれかに記載の波長多重光源。
差周波発生波長変換素子からの出力光中に含まれるポンプ光を除去する手段を有する請求項１〜６のいずれかに記載の波長多重光源。
二つの差周波発生波長変換素子の間に光増幅手段を有する請求項１〜７のいずれかに記載の波長多重光源。
光増幅手段が、光励起基板型のものである請求項８記載の波長多重光源。
光増幅手段が、光ファイバ光増幅器である請求項８記載の波長多重光源。