JP3781414B2 - 相互位相変調型波長変換器 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、相互位相変調型波長変換器に関し、波長変換に用いる光干渉用の半導体光増幅器のみならず、制御光をアシスト光として利用することにより信号光増幅用の半導体光増幅器をも低飽和出力特性の素子を使用することができるように工夫したものである。
【発明の属する技術分野】
【０００２】
【従来の技術】
光通信ネットワークには、情報伝達量を増大させるため、高速化・大容量化及び長距離伝送化が求められている。このうち大容量化を飛躍的に増大させる技術として波長多重（ＷＤＭ：Wevelength Division Multiplexing）通信方式が開発された。このＷＤＭ通信方式は、波長の異なる多数の光（ｎ本の光ビーム）を、波長合波器で多重して１本の光ファイバに結合し、長距離伝送した後に、波長分波器で波長ごとに分離して信号を取り出す方式である。このように、波長の異なるｎ本の光ビームを同じ１本の光ファイバ中に通すことにより、光ファイバ当りの総伝送容量をｎ倍にすることができる。例えば各波長の伝送ビットレートを１０Ｇｂ／ｓ、用いる波長数を３２とすれば、１本の光ファイバで３２０Ｇｂ／ｓという極めて大きな伝送容量を得ることができる。
【０００３】
上記ＷＤＭ通信方式を用いたＷＤＭネットワークとしては、次に示すように種々のものがある。
【０００４】
例えば日本では、分散シフトファイバを用いた不等間隔ＷＤＭネットワークが構築されている。分散シフトファイバは、屈折率分布形状の設計により、ゼロ分散波長を１．３μｍ帯から１．５５μｍ帯にシフトした光ファイバである。この分散シフトファイバでは、信号光の波長分散を抑制し、単一波長の信号光に対しては１０Ｇｂ／ｓで５００Ｋｍ以上という高速・長距離伝送を可能とする。しかし、分散シフトファイバによる伝送は、複数の波長を多重した波長多重信号光（ＷＤＭ信号光）に対して波長間の干渉が大きく、信号波形の劣化をもたらせるため、ＷＤＭ信号光の波長間隔を不等間隔にする工夫がなされている。
【０００５】
一方、北米やヨーロッパでは、通常分散ファイバを用いた等間隔ＷＤＭネットワークが構築されている。通常分散ファイバは、一般的なシングルモード光ファイバであり、１．３μｍ帯で分散がゼロになる。この通常分散ファイバによる伝送は信号光の波長分散が大きいため、高速・長距離伝送には不利であるが、ＷＤＭ伝送には有利であり、ＷＤＭ信号光の波長間隔を等間隔にすることができる。
【０００６】
更に近年では、ゼロ分散波長を１．５８μｍ帯にした光ファイバを用いて、等間隔ＷＤＭネットワークを構築することも研究されている。
【０００７】
このように種々のＷＤＭネットワーク同志を相互接続するためには、接続ポイントにおいて、一方のＷＤＭネットワークで用いるＷＤＭ信号光の各信号光の波長を、他方のＷＤＭネットワークで用いる信号光の波長に変換する波長変換器が必要である。
【０００８】
この波長変換器としては、光電変換をすることなく、信号光を光のままで波長変換する全光方式の波長変換器がある。このような全光方式の波長変換器として相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）型の波長変換器がある。
【０００９】
ここでＸＰＭ型の従来の波長変換器１を、図４を参照しつつ説明する。この波長変換器１では、ＸＰＭ型波長変換素子２と、信号光増幅用の半導体光増幅器３を主要部材として構成されている。
【００１０】
ＸＰＭ型波長変換素子２では、平面光導波路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）により形成されたプラットホーム１０の面上に、光導波路により構成した対称マッハツェンダ型光干渉回路２０が形成されている。
【００１１】
対称マッハツェンダ型光干渉回路２０は、マッハツェンダ型光干渉回路を形成する２本の光干渉用光導波路２１，２２と信号光用光導波路２３，２４を有している。そして、入力端側及び出力端側において、それぞれ、光干渉用光導波路２１，２２が近接することにより方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）２５，２６が形成されている。また、光干渉用光導波路２１と信号光用光導波路２３とが近接することにより方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）２７が形成され、光干渉用光導波路２２と信号光用光導波路２４とが近接することにより方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）２８が形成されている。
【００１２】
なお、方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）２５〜２８の代わりに、マルチモード干渉型の３ｄＢ光結合器（いわゆるＭＭＩカプラ）を用いても構わない。
【００１３】
光干渉用光導波路２１，２２により形成されたマッハツェンダ型光干渉回路のうち、アーム導波路の部分（光干渉用光導波路２１，２２のうち方向性光結合器２５，２６間に存在する部分）には、光干渉用の半導体光増幅器３１，３２が介装される状態で実装されている。このようにマッハツェンダ型光干渉回路に半導体光増幅器３１，３２を実装することにより、ＸＰＭ型の波長変換素子が構成される。なお、Ｐ１〜Ｐ８はポートである。
【００１４】
信号光増幅用の半導体光増幅器３は、信号光Ｓ１を増幅してポートＰ１に入射する。
【００１５】
一方、ポートＰ６には、波長がλｓの連続光である制御光Ｓｓが入射される。つまり、信号光Ｓ１と制御光Ｓｓとの進行方向が逆になるように、制御光Ｓｓを入射している。このようにポートＰ６に制御光Ｓｓを入射すると、制御光Ｓｓは、光分岐器として機能する方向性光結合器２６にて分岐され、光干渉用光導波路２１，２２のアーム導波路部分を伝送して半導体光増幅器３１，３２に入射される。
【００１６】
ポートＰ１に、波長がλ１の信号光Ｓ１を入射すると、信号光Ｓ１は方向性光結合器２７を介して光干渉用光導波路２１に入って半導体光増幅器３１に入射される。そうすると、半導体光増幅器３１は、飽和現象によりキャリア密度が減少し、これにより利得（ゲイン）が減少するとともに屈折率変化が引き起こされる。
【００１７】
このとき、半導体光増幅器３１を通過してきた制御光Ｓｓは位相が変化し、半導体光増幅器３２を通過してきた制御光Ｓｓは位相が変化しない。よって、半導体光増幅器３１を通過してきた制御光Ｓｓと、半導体光増幅器３２を通過してきた制御光Ｓｓが、方向性光結合器２５にて結合したときに位相変化が強度変化になって現れる。このため、出力ポートＰ２からは、波長がλｓとなっており、且つ、波形が信号光Ｓ１と同じ波形となっている変換信号光Ｓ_o が出力される。
【００１８】
かかる構成のＸＰＭ型の波長変換器１では、信号光増幅用の半導体光増幅器３にて信号光Ｓ１を増幅してから、ＸＰＭ型波長変換素子２に入射しているため、この波長変換器１に到達した（半導体光増幅器３にて増幅する前の）信号光Ｓ１の光強度が減衰していても、確実に波長変換動作をすることができる。
【００１９】
なお、制御光Ｓｓを、ポートＰ２に入射して、変換信号光ＳｏをポートＰ６から出力するようにしていてもよい。この場合には、ポートＰ６から出力された光を、光フィルタに通すことにより、波長λｓの変換信号光Ｓｏのみを分離して取り出す必要がある。
【００２０】
また、ポートＰ１に信号光Ｓ１を入射すると同時に、ポートＰ４に信号光Ｓ２を入射すると、このＸＰＭ型の波長変換器１は、光ｅｘＯＲ（排他的論理和）回路として機能する。
【００２１】
つまり、信号光Ｓ１，Ｓ２の信号レベルが共に「１」であるとき、または、信号光Ｓ１，Ｓ２の信号レベルが共に「０」であるときには、ポートＰ２から出力される変換信号光Ｓｏの信号レベルは「０」となり、信号光Ｓ１，Ｓ２の信号レベルの一方が「１」で他方が「０」であるときには、ポートＰ２から出力される変換信号光Ｓｏの信号レベルは「１」となるからである。換言すると、ポートＰ２から出力される変換信号光Ｓｏの信号レベルは、信号光Ｓ１，Ｓ２を光ｅｘＯＲ（排他的論理和）演算したものとなっている。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＸＰＭ型の波長変換器１では、信号光増幅用の半導体光増幅器３として、高飽和出力特性となっている半導体光増幅器を採用し、光干渉用の半導体光増幅器３１，３２として低飽和出力特性となっている半導体光増幅器を採用している。ここにおいて、「高飽和出力特性」とは、図５において特性αで示すように、出力光強度が大きくなってもゲインが下がりにくい特性をいい、「低飽和出力特性」とは、図５において特性βで示すように、出力光強度がある程度以上に大きくなるとゲインが下がってしまう特性をいう。
【００２３】
信号光増幅用の半導体光増幅器３として、高飽和出力特性の半導体光増幅器を採用している理由は、入射される信号光Ｓ１の光強度が大きくても確実に増幅ができるようにするためである。また、光干渉用の半導体光増幅器３１，３２として、低飽和出力特性の半導体光増幅器を採用している理由は、飽和現象を積極的に発生させて、効率的に屈折率変化を発生させるためである。
【００２４】
ところで、高飽和出力特性の半導体光増幅器と、低飽和出力特性の半導体光増幅器とでは、活性層の構造などがまったく異なっているため、それぞれ、別々の製造ラインにて製造しなければならない。
【００２５】
したがって、高飽和出力特性の半導体光増幅器３と、低飽和出力特性の半導体光増幅器３１，３２を必要とする、ＸＰＭ型の波長変換器１を製造するには、高飽和出力特性の半導体光増幅器を製造する製造ラインと、低飽和出力特性の半導体光増幅器を製造する製造ラインを別々に準備しておかなければならず、ＸＰＭ型波長変換器の製造コストが高くなるとともに、半導体光増幅器の製造を含む全体の製造設備が大きくなってしまうという問題があった。
【００２６】
本発明は、上記技術に鑑み、低飽和型の半導体光増幅器のみで構成できる性能の高い相互位相変調型波長変換器を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、光干渉回路を形成する２本の光干渉用光導波路と、この光干渉用光導波路の少なくとも一方に信号光を入射させる信号光用光導波路とを備えると共に、前記光干渉用光導波路に光干渉用の半導体光増幅器が介装される状態で実装されている相互位相変調型の波長変換素子と、
信号光を増幅してから前記信号光用光導波路に入射する信号光増幅用の半導体光増幅器とを備え、
前記光干渉用光導波路に前記信号光とは波長が異なる制御光を入射すると共に、前記信号光用光導波路に信号光を入射すると、波長が前記制御光の波長で波形が前記信号光の波形となっている変換信号光を出力すると共に、前記制御光が前記信号光増幅用の半導体光増幅器にも入射される相互位相変調型波長変換器において、
前記光干渉用の半導体光増幅器は、入力される光の波長に応じてゲイン・ロスが変化する波長特性を有すると共に、ゲインが得られる波長領域内に前記制御光の波長が入っている半導体光増幅器であり、
前記信号光増幅用の半導体光増幅器は、入力される光の波長に応じてゲイン・ロスが変化すると共に、前記光干渉用の半導体光増幅器とは異なる波長特性を有し、前記制御光の波長がゲインからロスに変化する波長になっている半導体光増幅器であることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態にかかる、ＸＰＭ型の波長変換器１０１を示す。この波長変換器１０１は、ハイブリッド集積により製造している。即ち、この波長変換器１０１では、平面光導波路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）により形成されたプラットホーム１１０の面上に、ＸＰＭ型波長変換素子１０２を形成するとともに、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３を実装して構成されている。
【００２９】
ＸＰＭ型波長変換素子１０２では、プラットホーム１１０の面上に、光導波路により構成した対称マッハツェンダ型光干渉回路１２０が形成されている。
【００３０】
対称マッハツェンダ型光干渉回路１２０は、マッハツェンダ型光干渉回路を形成する２本の光干渉用光導波路１２１，１２２と信号光用光導波路１２３，１２４を有している。そして、入力端側及び出力端側において、それぞれ、光干渉用光導波路１２１，１２２が近接することにより方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）１２５，１２６が形成されている。また、光干渉用光導波路１２１と信号光用光導波路１２３とが近接することにより方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）１２７が形成され、光干渉用光導波路１２２と信号光用光導波路１２４とが近接することにより方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）１２８が形成されている。
【００３１】
なお、方向性光結合器（３ｄＢ光結合器）１２５〜１２８の代わりに、マルチモード干渉型の３ｄＢ光結合器（いわゆるＭＭＩカプラ）をハイブリット集積により実装して光結合器を形成するようにしてもよい。
【００３２】
光干渉用光導波路１２１，１２２により形成されたマッハツェンダ型光干渉回路のうち、アーム導波路の部分（光干渉用光導波路１２１，１２２のうち方向性光結合器１２５，１２６間に存在する部分）には、光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２が介装される状態で実装されている。即ち、光干渉用光導波路１２１，１２２のうちのアーム導波路の部分に、半導体光増幅器実装用の凹部（マウント部）を形成しておき、この部分に、金／錫の半田バンプとセルフ−アセンブル法を採用して半導体光増幅器１３１，１３２を実装している。このようにマッハツェンダ型光干渉回路に半導体光増幅器１３１，１３２を実装することにより、ＸＰＭ型の波長変換素子が構成される。
【００３３】
また、信号光用光導波路１２３のうち、ポートＰ１に近い部分には、半導体光増幅器実装用の凹部（マウント部）を形成しておき、この部分に、金／錫の半田バンプとセルフ−アセンブル法を採用して信号光増幅用の半導体光増幅器１０３を実装している。
【００３４】
光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２及び信号光増幅用の半導体光増幅器１０３は、いずれも低飽和出力型の半導体光増幅器であり、入力される光の波長に応じてゲインやロスが変化する。しかも、制御光Ｓｓの波長λｓが例えば１５５０ｎｍである場合には、光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２としては、図２（ａ）に示すように、波長１５５０ｎｍがゲインピーク波長となるような、波長−ゲイン（ロス）特性を持った素子を採用しており、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３としては、図２（ｂ）に示すように、波長１５５０ｎｍがゲインクランプ波長（ゲインからロスに変化する波長）となるような、波長−ゲイン（ロス）特性を持った素子を採用している。
【００３５】
なお、本実施例では、光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２としては、波長１５５０ｎｍがゲインピーク波長となるような、波長−ゲイン（ロス）特性を持った素子を採用しているが、光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２によりゲインが得られる波長領域（例えば１４９０〜１６１０ｎｍ）に、入力される制御光Ｓｓの波長１５５０ｎｍが入るようになっていれば、かならずしもゲインピーク波長になっていなくてもよい。
【００３６】
信号光増幅用の半導体光増幅器１０３は、ポートＰ１に入射された信号光Ｓ１を増幅して、方向性光結合器１２７に送る。なお、Ｐ１〜Ｐ８はポートである。
【００３７】
一方、ポートＰ６には、波長がλｓの連続光である制御光Ｓｓが入射される。つまり、信号光Ｓ１と制御光Ｓｓとの進行方向が逆になるように、制御光Ｓｓを入射している。このようにポートＰ６に制御光Ｓｓを入射すると、制御光Ｓｓは、光分岐器として機能する方向性光結合器１２６にて分岐され、光干渉用光導波路１２１，１２２のアーム導波路部分を伝送して半導体光増幅器１３１，１３２に入射される。
【００３８】
ポートＰ１に、波長がλ１の信号光Ｓ１を入射すると、信号光Ｓ１は方向性光結合器１２７を介して光干渉用光導波路１２１に入って半導体光増幅器１３１に入射される。そうすると、半導体光増幅器１３１は、飽和現象によりキャリア密度が減少し、これにより利得（ゲイン）が減少するとともに屈折率変化が引き起こされる。
【００３９】
このとき、半導体光増幅器１３１を通過してきた制御光Ｓｓは位相が変化し、半導体光増幅器１３２を通過してきた制御光Ｓｓは位相が変化しない。よって、半導体光増幅器１３１を通過してきた制御光Ｓｓと、半導体光増幅器１３２を通過してきた制御光Ｓｓが、方向性光結合器１２５にて結合したときに位相変化が強度変化になって現れる。このため、出力ポートＰ２からは、波長がλｓとなっており、且つ、波形が信号光Ｓ１と同じ波形となっている変換信号光Ｓｏが出力される。つまり、波長がλ１の信号光Ｓ１を、波長がλｓの変換信号光Ｓｏに波長変換することができる。
【００４０】
更に、半導体光増幅器１３１を通過してきた制御光Ｓｓは、方向性光結合器１２７を介して信号光用光導波路１２３に入って、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３にも入射される。制御光Ｓｓの波長は１５５０ｎｍであり、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３のゲインクランプ波長となっている（図２（ｂ）参照）。
【００４１】
つまり、ゲインクランプ波長となっている制御光Ｓｓが、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３に入射され、この制御光Ｓｓが半導体光増幅器１０３のアシスト光Ｓａとなる。このようにゲインクランプ波長となっているアシスト光Ｓａ（＝制御光Ｓｓ）が半導体光増幅器１０３に入射されるため、この半導体光増幅器１０３の素子自体の特性が低飽和出力特性となっていても、飽和出力を上げることができる。
【００４２】
ここで、ゲインクランプ波長となっているアシスト光Ｓａ（＝制御光Ｓｓ）を半導体光増幅器１０３に入射することにより、この半導体光増幅器１０３の素子自体の特性が低飽和出力特性となっていても、飽和出力を上げることができる理由を、図３を参照しつつ説明する。
【００４３】
例えば信号光増幅用の半導体光増幅器１０３に入射される信号光Ｓ１の信号強度が極めて大きい場合には、光強度が大きいため多量のキャリアが消費されてしまい、仮にアシスト光Ｓａを入射していない場合には、ゲイン（ロス）特性は、図３（ａ）に点線で示すように下方にシフトしてしまう。ところが、本実施の形態では、ゲインクランプ波長となっているアシスト光Ｓａを入射しているため、アシスト光Ｓａのうち、ロス領域に入っている部分（Ｘの部分）が、光から電子に変換されてキャリアを供給する。このように、アシスト光Ｓａによりキャリアの供給が行われるため、ゲイン（ロス）特性は、図３（ａ）に実線で示す位置に維持される。結局、光強度の大きい信号光Ｓ１が入射されても、アシスト光Ｓａを入射していれば、ゲインが低下することはない。
【００４４】
一方、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３に入射される信号光Ｓ１の信号強度が極めて小さい場合には、消費されるキャリアが少数であるため、仮にアシスト光Ｓａを入射していない場合には、ゲイン（ロス）特性は、図３（ｂ）に点線で示すように上方にシフトしてしまう。ところが、本実施の形態では、ゲインクランプ波長となっているアシスト光Ｓａを入射しているため、アシスト光Ｓａがゲイン領域において浮いてしまい（Ｙの部分）、この浮いている部分のアシスト光Ｓａが光増幅されるため、キャリアが消費されて光が発生する。このようにアシスト光Ｓａを浮かしている部分を光とするためキャリア消費が行われるため、ゲイン（ロス）特性は、図３（ｂ）に実線で示す位置に維持される。
【００４５】
結局、本発明の実施の形態では、光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２のみならず、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３も、低飽和出力の素子を採用することができる。したがって、同一の製造ライン（低飽和出力特性の半導体光増幅器を製造するライン）により、光干渉用の半導体光増幅器１３１，１３２のみならず、信号光増幅用の半導体光増幅器１０３も製造することができ、製造コストを低減することができる。
【００４６】
なお、制御光Ｓｓを、ポートＰ２に入射して、変換信号光ＳｏをポートＰ６から出力するようにしていてもよい。この場合には、ポートＰ６から出力された光を、光フィルタに通すことにより、波長λｓの変換信号光Ｓｏのみを分離して取り出す必要がある。
【００４７】
また、ポートＰ１に信号光Ｓ１を入射すると同時に、ポートＰ４に信号光Ｓ２を入射すると、このＸＰＭ型の波長変換器１０１は、光ｅｘＯＲ（排他的論理和）回路として機能する。
【００４８】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように、本発明では、制御光の波長が素子のゲインクランプ波長となる、信号光増幅用の半導体光増幅器を用い、制御光をアシスト光として信号光増幅用の半導体光増幅器に入射するようにしているため、信号光増幅用の半導体光増幅器として低飽和出力特性の素子を用いても、高飽和出力特性を発揮させることができる。
この結果、波長変換に用いる光干渉用の半導体光増幅器のみならず、信号光増幅用の半導体光増幅器にも、低飽和出力特性の素子を使用することができる。
よって、同一の製造ライン（低飽和出力特性の半導体光増幅器を製造するライン）により、光干渉用の半導体光増幅器のみならず、信号光増幅用の半導体光増幅器も製造することができ、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるＸＰＭ型の波長変換器を示す構成図である。
【図２】光干渉用と信号光増幅用の半導体光増幅器の波長−ゲイン・ロス特性を示す特性図である。
【図３】半導体光増幅器の波長−ゲイン・ロス特性とアシスト光との関係を示す特性図である。
【図４】従来のＸＰＭ型の波長変換器を示す構成図である。
【図５】半導体光増幅器の飽和出力特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０１ ＸＰＭ型の波長変換器
１０２ ＸＰＭ型波長変換素子
１０３ 信号光増幅用の半導体光増幅器
１１０ プラットホーム
１２０ 対称マッハツェンダ型光干渉回路
１２１，１２２ 光干渉用光導波路
１２３，１２４ 信号光用光導波路
１３１，１３２ 光干渉用の半導体光増幅器
Ｓｓ 制御光
Ｓ１ 信号光
Ｓｏ 変換信号光

Claims (1)

1. 光干渉回路を形成する２本の光干渉用光導波路と、この光干渉用光導波路の少なくとも一方に信号光を入射させる信号光用光導波路とを備えると共に、前記光干渉用光導波路に光干渉用の半導体光増幅器が介装される状態で実装されている相互位相変調型の波長変換素子と、
   信号光を増幅してから前記信号光用光導波路に入射する信号光増幅用の半導体光増幅器とを備え、
   前記光干渉用光導波路に前記信号光とは波長が異なる制御光を入射すると共に、前記信号光用光導波路に信号光を入射すると、波長が前記制御光の波長で波形が前記信号光の波形となっている変換信号光を出力すると共に、前記制御光が前記信号光増幅用の半導体光増幅器にも入射される相互位相変調型波長変換器において、
   前記光干渉用の半導体光増幅器は、入力される光の波長に応じてゲイン・ロスが変化する波長特性を有すると共に、ゲインが得られる波長領域内に前記制御光の波長が入っている半導体光増幅器であり、
   前記信号光増幅用の半導体光増幅器は、入力される光の波長に応じてゲイン・ロスが変化すると共に、前記光干渉用の半導体光増幅器とは異なる波長特性を有し、前記制御光の波長がゲインからロスに変化する波長になっている半導体光増幅器であることを特徴とする相互位相変調型の波長変換器。

Images