JP3825033B2 - 光送信システム - Google Patents

Description

本発明は、光送信機並びに波長多重光送信用の光送信システム及び光受信システム並びにこれらシステムに適用可能な光フィルタアレイに関する。

近年、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の出現により、光の直接増幅を行う伝送システムの検討が行われている。ＥＤＦＡは１．５μｍ帯において、数十ｎｍの広い増幅帯域を有しているため、複数の光源を用いて波長多重（ＷＤＭ）をなされた信号光を一括して増幅することができる。このため、例えば幹線系の大容量化を目的として、ＥＤＦＡ及びＷＤＭが適用される伝送システムについての研究及び開発が活発化している。

ＥＤＦＡを備えた光中継器が複数使用される伝送システムにおいては、総合的な増幅帯域（光出力の変動やＳＮ比等の観点から伝送に用いることができる帯域）はＥＤＦＡ単体での増幅帯域に比べて減少するが、それでも総合的な増幅帯域は１５ｎｍ程度は確保することができると考えられている。この場合、単純に計算して、波長間隔１ｎｍの等間隔に並んだ信号光を１６波伝送することができることになる。

このように波長間隔を１ｎｍ程度に詰めた高密度なＷＤＭ（従来検討されていたＷＤＭにおいては、１０ｎｍ程度の波長間隔が想定されていたため、これに比較して高密度という意味）を行う場合、送信側では、各送信光源の相対的な波長間隔の管理や絶対波長の管理が必要になる。その理由は以下の通りである。

（１）光源として用いられるレーザダイオード（ＬＤ）には温度変動に伴う発振波長の変動がある。発振波長の変動は例えば０．１ｎｍ／°Ｃである。ＬＤモジュールに温度制御を施したとしても、環境温度が大きく変動すると、ＬＤの温度もわずかに変化するため、波長変動が生じる。温度制御を行っているにもかかわらずＬＤの温度が変化するのは、ＬＤと温度制御用の温度センサとの距離が離れているため、温度センサの温度が一定になったとしても、ＬＤと温度センサの間に温度勾配が生じ、この温度勾配が外気温度の変動に伴い変化するからである。

（２）ＬＤの経時劣化による波長変動がある。経時劣化の大きさは現状では不明であるが、安定動作を確保するためには、少なくとも０．５ｎｍ程度の変動があることを前提にシステム設計を行う必要があると考えられている。

（３）ＬＤの直接変調を行う場合には、光出力や変調振幅等を一定に保つために、ＬＤに与えるバイアス電流を制御している。この制御に際してバイアス電流を変化させると、発振波長が変動する。

送信側で発振波長に変動が生じると、受信側で所望の波長の信号光を選択的に受信するための波長選択受信機の受信可能な波長帯域から信号光の波長が外れ、受信品質が劣化したり受信不能になることがある。

波長選択受信機に内蔵されている波長選択光フィルタが、透過波長を受信したい信号光の波長変動に追従させるトラッキング機能を有している場合には、ある程度の送信側での波長変動に耐えることができる。しかし、送信光源の波長が大きく変動し、ＷＤＭにおける隣接チャネルの信号光の波長に接近すると、隣接チャネルの信号パワーが本来受信したい信号のクロストーク成分となり、受信品質が劣化する。

ところで、ＷＤＭが１点対１点を結ぶ閉じたシステムに適用されている場合には、送信光源の波長の絶対値はあまり重要ではない。従って、光部品やＥＤＦＡの波長特性が所要値を満足するように適当に波長を定めればよく、主として各送信光源の相対的な波長間隔を制御すれば足りる。しかし、さまざまなノードがネットワーク上にあるような１点対多点或いは多点対多点を結ぶようなシステムにＷＤＭが適用されている場合には、各送信光源の絶対波長の管理も必要となってくる。

以上のように、ＷＤＭが適用される伝送システムにおいては、受信側での安定動作を維持するためには、送信側での信号光の波長の相対的な或いは絶対的な安定化が必要である。具体的には、受信側でのクロストークの影響を避けるためには、ＷＤＭにおける隣接チャネル間の波長間隔の１／１０〜１／５程度、即ち、１ｎｍの波長間隔の場合には、０．１〜０．２ｎｍ程度に波長間隔を安定化する必要がある。尚、この値は受信機に内蔵される波長選択フィルタの性能に依存する。絶対波長の管理が必要な場合でも、少なくとも上述の波長間隔と同じく０．１ｎｍ程度以下の精度で管理する必要がある。

ところで、ＷＤＭが適用される伝送システムのもう１つの課題として、必要な伝送容量に応じてチャネルを増設、休止させる場合や装置が故障した場合における安定動作の確保がある。例えば、チャネルを増設する場合において、送信光源にＬＤが用いられているときには、光源の立ち上げ（コールドスタート）に際してバイアス電流を所定の電流値まで上昇させる時間中やＬＤの温度を設定温度に安定化するまでの時間中に数ｎｍ程度の波長変動が生じてしまう。光源の休止時にも同様のことが生じる。

また、システムの一部に故障が生じた場合、特にＬＤ自身又はＬＤのバイアス電流制御回路もしくは温度制御回路に障害が発生した場合には、突発的な波長変動が生じる可能性がある。送信側では、光源の波長変動の影響が他の光源に及ばないように安定な動作の確保が望まれる。

よって、本発明の主たる目的は、送信側における波長変動に対処することにある。本発明の他の目的は、以下の説明から明らかになる。

本発明の一側面によると、信号光を出力する複数の光送信機と、該各光送信機からの信号光を加え合わせて一つ又はそれ以上の光伝送路に送出する光マルチプレクサとを備え、上記各光送信機は、それぞれ、光源と、該光源からの光を通過させるバンドパスフィルタと、該バンドパスフィルタを通過した光を少なくとも２つの分岐光に分岐する光分岐手段と、該分岐光のうちの１つをその強度に応じたレベルを有する電気信号に変換する受光器と、該電気信号を受け、上記分岐光の強度が一定になるように上記光源の波長を制御する制御手段とを含み、上記分岐光のうちの他の１つが上記信号光として送出され、上記複数のバンドパスフィルタは同一の基板上に形成され、上記複数のバンドパスフィルタの温度を一定に保つための温度制御回路を備え、前記複数の光源の一つは基準光源であり、上記温度制御回路は、上記基板に密着して設けられたペルチェ素子を有し、上記基準光源からの光を通過させるバンドパスフィルタに対して設けられた受光器から出力される電気信号に基づいて、該バンドパスフィルタの透過波長を上記基準光源に対してロックするように上記ペルチェ素子を制御する波長分割多重伝送用光送信システムが提供される。

以上説明したように、本発明によると、送信側における波長変動に対処することができるようになるという効果が生じる。また、ＷＤＭに必要な光フィルタを精度良く安定に得ることができ、これを用いることでより実用的なＷＤＭシステムの構築が可能になる。

以下本発明の望ましい実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。

図１は本発明を適用可能なＷＤＭ伝送システムのブロック図である。互いに異なる波長が設定される複数の光送信機２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）からそれぞれ出力された信号光は、光マルチプレクサ４で加え合わされて光伝送路６に送出される。光伝送路６の途中には、例えばＥＤＦＡを備えてなる複数の光中継機８が設けられている。

多中継伝送されたＷＤＭ信号光は、受信側でまず光分配機１０で多重数に対応したチャネルに分配される。分配された各光は、波長選択光フィルタ１２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）に供給される。そして、選択された信号光がそれぞれ光受信機１４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）によって受信される。

図２は図１のシステムに適用可能な本発明の光送信機の基本構成を示すブロック図である。この光送信機は、例えばＬＤ及びその駆動回路を含む送信光源１６と、光源１６からの光を通過させるバンドパスフィルタ１８と、バンドパスフィルタ１８を通過した光を少なくとも２つの分岐光に分岐する光カプラ２０と、分岐光のうちの１つをその強度に応じたレベルを有する電気信号に変換する受光器２２とを備えている。

受光器２２としては例えばフォトダイオードが用いられる。光カプラ２０で分岐された他の１つの分岐光は図示しない光伝送路に送出される。

受光器２２からの電気信号は増幅回路２４で増幅されて制御回路２６に供給される。制御回路２６は、光カプラ２０における分岐光の強度が一定になるように送信光源１６の波長を制御する。

バンドパスフィルタ１８は、例えば、透過率と波長の関係において狭帯域な特性を有しており、この特性を維持するために、バンドパスフィルタ１８の温度を一定に保つための温度制御回路２８が設けられている。

バンドパスフィルタ１８としては、誘電体膜を多層に積層した干渉フィルタやグレーティングを用いたバルク型或いは導波路型のフィルタを用いることができる。干渉フィルタの経年劣化は０．１ｎｍ以下であり、前述の波長間隔１ｎｍ程度のＷＤＭを行うのに十分な安定度を得ることができる。尚、バンドパスフィルタ１８について温度制御を行わなくても所要の安定性が得られる場合には、温度制御回路２８は不要である。

この実施例では、波長基準としてバンドパスフィルタ１８を用いているので、この光送信機を複数用いてＷＤＭを行う場合に、送信光源１６の波長が大きく変動したとしてもそれによる他チャネルの信号光への影響が回避される。つまり、バンドパスフィルタ１８が波長基準として機能する他保護フィルタの役目をも果たすのである。

従って、この光送信機の立ち上げ（コールドスタート）に際しては、光スイッチ等を用いた信号光の遮断や他チャネルとの制御の同期を取ることが不要である。

図３は光送信機の第１実施例を示すブロック図である。この実施例では、送信光源としてレーザダイオード３０が用いられている。レーザダイオード３０から出力された光は、バンドパスフィルタ１８を通ってビームスプリッタ３２で分岐される。分岐光の一方は図示しない光伝送路に送出され、分岐光の他方は受光器２２に供給される。

この実施例では、受光器２２からの電気信号を受けて分岐光の強度が一定になるように光源の波長を制御する制御手段は、低周波信号を出力する発振器３４と低周波信号でレーザダイオード３０をわずかに周波数変調する手段と、発振器３４からの低周波信号及び受光器２２からの電気信号を受けてこの電気信号に含まれる低周波成分を検出する同期検波手段とを含んでいる。そして、レーザダイオード３０の波長はバンドパスフィルタ１８の特性におけるピークを与える波長に一致するように制御が行われる。具体的には次の通りである。

発振器３４からの低周波信号は、ＬＤ駆動回路３６及び同期検波回路３８に供給される。ＬＤ駆動回路３６は、発振器３４からの低周波信号に基づいてレーザダイオード３０を小さい変調度で周波数変調する。

同期検波回路３８には、発振器３４からの低周波信号からの他に、増幅器２４で増幅された受光器２２からの電気信号が供給される。同期検波回路３８の出力信号は、ローパスフィルタ４０を通ってＰＩＤコントローラ４２に供給される。

以下の説明では、発振器３４から同期検波回路３８に供給される信号を「低周波信号」と称し、増幅器２４から同期検波回路３８に供給される信号を「電気信号」と称する。同期検波回路３８は、低周波信号と電気信号の位相差を検出する。従って、この位相差はローパスフィルタ４０から出力されるＤＣ信号に反映されることとなる。そして、このＤＣ信号に基づいて、ＰＩＤコントローラ４２が比例・積分・微分制御の原理に基づいて、レーザダイオード３０の発振波長を制御して、これによりレーザダイオード３０の発振波長がバンドパスフィルタ１８の特性におけるピークを与える波長に一致するように制御される。

図４により同期検波の原理を説明する。図４の（Ａ）はバンドパスフィルタ１８における透過率と波長の関係を表している。符号４４はバンドパスフィルタ１８の特性曲線を示す。

レーザダイオード３０の出力光の波長が特性曲線４４におけるピーク波長よりも低い波長であるときに、符号４６Ａで示されるような低周波信号に基づいてレーザダイオード３０が周波数変調されると、バンドパスフィルタ１８の出力光は符号４８Ａで示されるように低周波信号と同相で強度変調される。

一方、レーザダイオード３０の出力光の波長が特性曲線４４におけるピーク波長よりも大きい波長であるときに符号４６Ｃで示されるような低周波信号によってレーザダイオード３０が周波数変調されると、バンドパスフィルタ１８の出力光は符号４８Ｃで示されるように低周波信号と逆相で強度変調されることになる。

レーザダイオード３０の出力光の波長が特性曲線４４におけるピーク波長に一致しているときに低周波信号によってレーザダイオード３０を周波数変調したとしても、バンドパスフィルタ１８の出力光には低周波信号の成分が生じない。即ち、この場合には、バンドパスフィルタ１８の出力光は符号４８Ｂで示されるように低周波信号の周波数の倍の周波数によって強度変調されることになる。

従って、同期検波回路３８によって分岐光に含まれる低周波信号の周波数成分を抽出することによって、レーザダイオード３０の出力光についての周波数弁別（波長弁別）を行うことができる。

図４の（Ｂ）に誤差電圧（ローパスフィルタ４０からのＤＣ信号のレベル）とピーク波長からの離上波長との関係を示す。前述の原理に従って、バンドパスフィルタ１８の特性曲線４４について微分した特性（符号５０）が得られていることがわかる。レーザダイオード３０の出力光の波長がピーク波長よりも大きい場合には誤差電圧は正となり、ピーク波長よりも小さい場合には誤差電圧は負となり、ピーク波長に一致しているときには誤差電圧は０となる。従って、微分特性の比例領域５２を用いてＢＩＤ制御を行うことによって、レーザダイオード３０の出力光の波長をバンドパスフィルタ１８の特性曲線のピーク波長に一致させることができる。

本発明の光送信機の優位性を説明するために、図５に従来の光送信機のブロック図を示す。全図を通して実質的に同一の部分については同一の符号が付されている。

この従来例では、波長基準として分子吸収セル５４が設けられている。分子吸収セル５４は、真空透明容器内にＨＣＮやＮＨ3 等のガスを適当な圧力で封入して構成されており、このセルはレーザダイオード３０の出力光の光路上に配置される。

分子吸収セル５４は、封入ガスの種類によって定まる固有振動数に相当する波長の光をわずかに吸収するので、ちょうど図４の（Ａ）の特性曲線と逆の形状をなす特性曲線が得られる。

従って、前述した同期検波の原理に従ってレーザダイオード３０の出力光の波長を分子吸収セル５４における吸収波長に一致させることができる。

しかし、この従来例では、例えばこの光送信機のコールドスタートに際してや制御回路の故障に際してレーザダイオード３０の出力光の波長が大きく変動したときに、レーザダイオード３０の出力光の光伝送路への供給を遮断する手段が設けられていないので、この光送信機をＷＤＭ伝送システムに適用したときに他チャネルへの影響を回避することができない。

これに対して本発明の光送信機では、波長基準としてバンドパスフィルタ、特に図３の実施例では狭帯域のバンドパスフィルタを用いているので、光源の波長が大きく変動したとしても、この光はバンドパスフィルタを透過することがなく、従って、光送信機がＷＤＭ伝送システムに適用されている場合に他チャネルの信号への影響がほとんどない。

ところで、幹線系に適用される光送信機においては、強度変調時の波長変動を抑圧して高速伝送に対応するため、外部変調が行われることが一般的である。外部変調器としては、基板材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を用いたマッハツェンダ型光変調器が実用化されている。

この種の光変調器においては、光変調器に供給するＤＣバイアスに低周波信号を重畳して光出力を一部分岐して受光し、同期検波により光変調器の動作点を安定化させる制御（ＡＢＣ；Automatic Bias Control）が行われることがある。

また、光送信機においては、光出力を安定化するための制御（ＡＰＣ；Automatic Power Control ）が行われる。尚、前述した波長の安定化の制御はＡＦＣ（Automatic Frequency Control ）と称される。

以下、図６により、ＡＢＣ，ＡＰＣ及びＡＦＣが行われている外部変調方式の光送信機の実施例を説明する。図６は本発明の光送信機の第２実施例を示すブロック図である。

これまでの実施例で送信光源（レーザダイオード）がその駆動回路によって直接変調されているのに対して、この実施例では、レーザダイオード３０は一定強度の光を出力し、この出力光が光変調器５６によって強度変調される。光変調器５６は例えばＬｉＮｂＯ3 を導波路基板材料としたマッハツェンダ型光変調器である。光変調器５６には伝送データに基づく変調信号と動作点制御用のバイアス電圧が供給される。光変調器５６からの強度変調光は、バンドパスフィルタ１８を通って光カプラ２０で分岐され、分岐光の一方は図示しない光伝送路に送出され、他方は受光器２２によって電気信号に変換される。変調信号は変調回路６６から供給される。

受光器２２からの電気信号は、増幅回路２４で増幅されて、ＡＢＣ制御回路６０、ＬＤ駆動回路３６及び波長制御回路６２に供給される。

ＡＢＣ制御回路６０はＡＢＣを行うためのもので、その出力信号に基づいてＬＮ駆動回路５８が光変調器５６に制御されたバイアス電圧を供給する。

波長制御回路６２はＡＦＣのためのものであり、同期検波回路、ローパスフィルタ及びＰＩＤコントローラ等がこの中に含まれる。

ＬＤ駆動回路３６は、波長制御回路６２から与えられる信号に基づいてレーザダイオード３０のバイアス電流を制御する。この例では、増幅回路２４で増幅された受光器２２からの電気信号もＬＤ駆動回路３６に直接供給され、ＡＰＣが成されるようになっている。

ＡＢＣ及びＡＰＣでは同期検波が行われているので、同期検波のための回路を共通化することができる。例えば、光カプラ、受光器及び増幅回路を共通化し、同期検波で用いる低周波信号の周波数をＡＢＣとＡＦＣとで異ならせておくことにより、両方の制御を独立に行うことができる。

尚、この実施例では、タイミング制御回路６４を用いて、ＡＢＣ，ＡＦＣ及びＡＰＣを時分割制御するようにし、低周波発振器をも共通化するようにしている。

図７に時分割制御のタイミングチャートの例を示す。この実施例では、タイミング制御回路６４による切り換えによって、ＡＦＣ，ＡＢＣ及びＡＰＣをこの順に順次切り換えて、制御のための回路を共通化するようにしている。各制御のタイムシーケンスは例えば１乃至１０秒である。

続いて本発明の光送信システムのいくつかの実施例を説明する。図８は本発明の光送信システムの第１実施例を示すブロック図である。

この光送信システムは、信号光を出力する本発明の光送信機を複数有しており、各光送信機からの信号光は光マルチプレクサによって加え合わされて１つ又はそれ以上の光伝送路に送出される。この実施例では、光マルチプレクサとして光スターカプラ７０が用いられている。
各光送信機には、それぞれ、波長λ1 ，λ2 ，・・・，λn の信号光を出力する送信光源ユニット６８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が備えられている。各送信光源ユニット６８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）内には、それぞれ、直接変調されるレーザダイオード或いは一定強度の光を出力するレーザダイオード及び外部変調器の組み合わせが収容されている。

また、各光送信機には、それぞれ、バンドパスフィルタ１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）、光カプラ２０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）、受光器２２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）、増幅回路２４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）及び温度制御回路２８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が備えられている。

各受光器からの電気信号が供給される制御回路７２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は各送信光源ユニットのＡＦＣを行うためのものであり、送信光源ユニットに外部変調器が含まれる場合には、各制御回路７２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）内にはＡＢＣのための回路も含まれる。また、ＡＰＣの機能を成すように各制御回路が構成されていてもよい。

この光送信システムにおいては、各送信光源ユニットに異なる波長λ1 ，λ2 ，・・・，λn が割り当てられているので、このシステムはそのままＷＤＭに適用可能である。

ところで、図８の実施例ではバンドパスフィルタが各光送信機毎に独立して設けられているが、バンドパスフィルタを波長基準として捉えた場合、基準が独立して複数個ある形態は望ましいものではない。例えば、各バンドパスフィルタの特性に温度依存性がある場合、各フィルタの環境温度が大きくばらつくと波長間隔の維持精度が劣化する可能性がある。

そこで、以下の実施例では、各バンドパスフィルタとして、複数の入力ポート及びこの入力ポートの数に対応する数の出力ポートを有する空間分割型の光フィルタアレイの各フィルタエレメントを用いる。

図９に空間分割型の光フィルタアレイの例を示す。この光フィルタアレイ１８０は単一の基板ＳＢを有しており、この基板上に、それぞれ波長λ1 ，λ2 ，・・・，λn の透過中心波長を有するバンドパスフィルタエレメント１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が形成される。

符号７４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は各フィルタエレメントの入力ポートを示し、符号７６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は各フィルタエレメントの出力ポートを示している。

尚、図６の実施例では、レーザダイオード３０からの光について光変調器５６により変調した後で変調光がバンドパスフィルタ１８を透過するようにしているが、変調による信号光のスペクトラムの広がりが大きい場合には、狭帯域なバンドパスフィルタ１８によってスペクトルの側部がカットされ復調に際しての符号誤り率の増大の恐れがあるので、このような場合には、レーザダイオード３０からの光にバンドパスフィルタ１８を透過させた後光変調器による変調を行ってもよい。

この場合には、図示はしないが、光送信機における各部分の配置は、レーザダイオード３０、バンドパスフィルタ１８、光変調器５６及び光カプラ２０の順となる。

空間分割型光フィルタアレイの具体例を図１０乃至図１３により説明する。図１０は光フィルタアレイの第１実施例を示す図である。

この光フィルタアレイは、導波路基板７６上に格子定数が異なる複数の導波路型回折格子７８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を形成して構成される。そして、各導波路型回折格子７８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の両端がそれぞれこの光フィルタアレイの入力ポート及び出力ポートを成している。

図１１は光フィルタアレイの第２実施例を示す図である。この光フィルタアレイは、複数のＶ溝８０Ａを有する基板８０と、各Ｖ溝８０Ａに着座する格子定数が異なる複数のファイバグレーティング型光フィルタ８２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）とを備えている。

各Ｖ溝８０Ａは、装置の組み立て等を簡略化するために、この例では互いに平行に形成されている。そして、各ファイバグレーティング型光フィルタ８２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の両端がそれぞれこの光フィルタアレイの各入力ポート及び各出力ポートを成している。

図１２は光フィルタアレイの第３実施例を示す図である。この光フィルタアレイの各入力ポートは互いに平行に配置された複数の入力側光ファイバ８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）であり、各出力ポートは入力側光ファイバ８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）に対向して互いに平行に配置された複数の出力側光ファイバ８６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）である。

そして、各入力ポートと出力ポートとの間に平行光ビームからなる光学パスを形成するために、入力側光ファイバ８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の励振端の近傍にはそれぞれレンズ８８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が配置され、出力側光ファイバ８６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の励振端の近傍にはレンズ９０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が配置される。

符号９２は上述の各光学パスと交錯するように設けられた透明基板を表している。透明基板９２は例えば平行ガラス平板である。

透明基板９２上には、厚みが各光学パスの配列方向に連続的に変化する干渉膜９４が形成されている。干渉膜９４としては、例えば、高屈折率層としてのＴｉＯ2 と低屈折率層としてのＳｉＯ2 とを交互に複数積層して成る誘電体多層膜が用いられる。

干渉膜９４の厚みを上述のように連続的に変化させるためには、この干渉膜を例えば蒸着により形成する場合に、透明基板９２の一端９２Ａ及び他端９２Ｂまでの蒸着源からの距離を異ならせておけばよい。即ち、蒸着装置内に収容される透明基板９２を傾斜させておくのである。

干渉膜９４の厚みをこのように連続的に変化させているのは、各フィルタアレイにおける透過中心波長を異ならせるためである。

以上のような空間分割型のバンドパスフィルタアレイを用いることによる利点は以下の通りである。

（１）同一基板上に各フィルタエレメントが形成されているので、透過波長の温度変調がある場合にこれを一元的に管理することができ、制御回路が１台で済むとともに安定度が向上する。

（２）図１０や図１２の例のようにフィルタエレメントの特性を決定する部分が同一基板上に同一の材料で形成されている場合には、透過中心波長に経年変動が生じた場合でも、各フィルタエレメントの変動幅や変動方向は同じような傾向となり、透過中心波長の絶対値が変動したとしても各波長間の相対的な関係（例えば波長間隔）はほぼ一定である。

（３）アレイ化することにより、個別にバンドパスフィルタを作成する場合と比較して、小型化、低コスト化が可能になる。

図１３は本発明の光送信システムの第２実施例を示すブロック図である。この実施例は、図８の第１実施例と対比して、各送信光源ユニット６８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の波長基準として空間分割型のバンドパス光フィルタが用いられている点で特徴付けられる。

またこの実施例では、光フィルタアレイ１８０が各送信光源ユニット用のフィルタエレメント１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の他にもう１つのフィルタエレメント１８′を有するようにし、これにより絶対波長の安定化を図っている。フィルタエレメント１８′は透過中心波長がλABS のバンドパスフィルタである。フィルタエレメント１８′の入力ポートには絶対波長基準光源１００が接続され、フィルタエレメント１８′の出力ポートには光カプラ２０′が接続される。

光カプラ２０′で分岐された光の一方は光スターカプラを介して図示しない伝送路に送出され、分岐光の他方は受光器２２′によって電気信号に変換される。変換された電気信号は増幅器２４′で増幅されて制御回路９４に供給される。

フィルタエレメント１８０にはペルチェ素子（電子冷却素子）９８が密着して設けられており、このペルチェ素子９８は駆動回路９６によって駆動される。駆動回路９６は制御回路９４から供給される信号に基づいて、ペルチェ素子９８における熱の吸収及び放出を制御し、これによりフィルタエレメント１８′の透過中心波長を絶対波長基準光源１００に対してロックすることができる。尚、制御回路９４には、各送信光源ユニット用の制御回路７２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）と同様同期検波を適用することができる。

高橋らの「イオンアシストによる狭帯域バンドパスフィルタの波長温度安定性」、１９９４年電子情報通信学会春季大会、Ｃ−２８０によれば、干渉フィルタに用いる基板材料の熱膨張係数を適切に選ぶことにより、透過波長の温度依存性を抑えることができる。従って、フィルタアレイについての厳密な温度制御を行わなくても所要の波長安定性を得ることができる。

逆に、故意に透過波長の温度依存性が大きくなるように熱膨張係数を適切に選ぶことにより、フィルタアレイの温度を変えることで透過波長の制御を行うこともできる。

例えば前述の文献によると、基板材料の線熱膨張係数をほとんど０にした場合、透過中心波長の温度依存性は０．０１５ｎｍ／°Ｃとなり、±２０°Ｃの温度変化により０．３ｎｍの波長可変が可能になる。この値は、絶対波長基準光フィルタを同調させるために十分な値である。基板材料の潜熱膨張係数をほぼ０にするためには、例えば石英（０．４×１０-7）を用いればよい。

図１４は光送信システムの第３実施例を示す図である。この実施例では、各送信光源ユニット毎の光カプラでの光分岐を省略し、光スターカプラ７０で加え合わされた各送信光源ユニットからの信号光を取り出してこれを受光器２２で電気信号に変換している。全ての信号光が合波された後で転出を行っているので、送信光源ユニット毎の個別認識を行う必要がある。この認識は、この実施例では時分割制御回路１０２により行っている。

時分割制御回路１０２は、増幅器２４で増幅された受光器２２からの電気信号を受けて、絶対波長基準の制御を行うためのペルチェ素子駆動回路９６と各送信光源ユニット用のレーザダイオード駆動回路１０４とを時分割で切り換える。

尚、時分割制御を行うのではなく、各送信光源ユニット及び絶対波長基準光源毎に同期検波用の異なる低周波信号を割り当ててもよい。

図１３の光フィルタアレイ及びその制御回路は図１５に示すように受信側にも適用可能である。図１５は光受信システムの第１実施例を示すブロック図である。

図示しない光伝送路から供給された信号光は、光ツリーカプラ１０６で分配されて、光フィルタアレイ１８０の各入力ポートに供給される。光フィルタアレイ１８０の各出力ポートには、それぞれ、λ1 ，λ2 ，・・・，λn の波長の信号光を受信する光受信機１０８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が接続される。

また、例えば図１３の絶対波長基準光源１００からの光を受けるために、フィルタエレメント１８′の出力ポートには受光器２２′が接続される。

各光受信機１０８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は、それぞれ、＃１チャネル、＃２チャネル、・・・、＃ｎチャネルのデータ及びクロックを出力する。

受光器２２′からの信号は増幅器２４′で増幅されて制御回路９４に供給され、制御回路９４の出力信号に基づいてペルチェ駆動回路９６がペルチェ素子９８を制御する。

この実施例によると、図１３の実施例におけるのと同様にして、フィルタエレメント１８′の透過中心波長を絶対波長基準光源１００（図１３参照）の波長に追従させることができるので、各チャネルについて安定な受信動作を行うことができる。尚、この実施例では、絶対波長基準光源１００に対応してフィルタエレメント１８′を用いているが、フィルタエレメント１８′を送信光源ユニットの１つに対応させてもよい。

次に、同期検波によらずに波長の安定化が可能な光送信機の実施例を説明する。この実施例では、波長の安定化を行うために空間分割型の光フィルタアレイが用いられる。

図１６は光送信機の第３実施例を示すブロック図である。送信光源ユニット６８から出力された信号光は光カプラ１１０で２分岐され、光フィルタアレイ１８０の２つの入力ポートに供給される。光フィルタアレイ１８０の２つのフィルタエレメントのうちの一方は伝送路に接続される主フィルタエレメント１１２であり、他方は制御用フィルタエレメント１１４である。

主フィルタエレメント１１２の透過中心波長は送信光源ユニット６８の設定波長λにあり、一方、制御用フィルタエレメント１１４の透過中心波長はλとはわずかにずれたλ＋Δλに設定される。

λΔは各フィルタエレメント１１２及び１１４の特性における半値半幅程度に設定される。即ち、送信光源ユニット６８からの光が主フィルタエレメント１１２を最大透過率で透過するときに、制御用フィルタエレメント１１４を透過するパワーが５０％程度になるように設定される。この様子を図１７に示す。

図１７は図１６の光フィルタアレイ１８０の特性を示す図である。縦軸は透過率を表し、横軸は波長を表している。符号１３０で表される実線は主フィルタエレメント１１２の特性を表し、符号１３２で示される破線は制御用フィルタエレメント１１４の特性を表している。

符号１３０で表される特性におけるピーク波長はλであり、符号１３２で表される特性におけるピーク波長はλ＋Δλである。

従って、制御用フィルタエレメント１１４から出力される光の強度が符号１３２で表される特性における波長λに対応する安定点ＳＰに一致するような制御を行うことによって、同期検波を行うことなしに主フィルタエレメント１１２の出力光の波長をλに安定化することができる。

このような制御を行うために、図１６の光送信機では制御回路１２０が設けられている。制御用フィルタエレメント１１４の出力光はフォトダイオード１１６で電気信号に変換され、この電気信号は増幅器１１８で増幅されて制御回路１２０に供給される。

制御回路１２０は、増幅器１１８からの信号レベルを設定基準１２４と比較する比較回路１２２と、比較回路１２２の出力信号を増幅する誤差増幅器１２６と、誤差増幅器１２６の出力レベルが０又は一定値になるように送信光源ユニット６８を駆動する光源駆動回路１２８とを含む。

図１８は本発明の光送信システムの第４実施例を示すブロック図である。この実施例は、図１６の光送信機を複数備え、各光送信機の光フィルタアレイを共通の基板上に形成している点で特徴付けられる。

各送信光源ユニット６８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）から出力された信号光は、それぞれ、光カプラ１１０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）で分岐され、分岐光の各々は光フィルタアレイ１８０の入力ポートに供給される。

光フィルタアレイ１８０は、波長λ1 ，λ2 ，・・・，λn にそれぞれ透過中心波長を有する主フィルタエレメント１１２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）と、波長λ1 ＋Δλ，λ2 ＋Δλ，・・・，λn ＋Δλにそれぞれ透過中心波長を有する制御用フィルタエレメント１１４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）とからなる。

主フィルタエレメント１１２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の出力ポートはそれぞれ光スターカプラ７０に接続され、光スターカプラの出力側には１つ又は複数の光伝送路が接続される。

また、制御用フィルタエレメント１１４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の出力ポートはそれぞれフォトダイオード１１６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）に接続される。

そして、各チャネルの送信光源ユニット６８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の波長制御を行うために、図１６の光送信機と同様に増幅機１１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）と制御回路１２０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が設けられている。

また、この実施例では、光フィルタアレイ１８０における透過中心波長を絶対的に安定化するために、波長λABS に透過中心波長を有する主フィルタエレメント１１２Ａと波長λABS ＋Δλに透過中心波長を有する制御用フィルタエレメント１１４Ａとが他のフィルタエレメントと一体的に設けられている。

そして、絶対波長基準光源１００からの光を光カプラ１１０′で分岐してそれぞれ主フィルタエレメント１１２Ａ及び制御用フィルタエレメント１１４Ａに供給し、主フィルタエレメント１１２Ａの出力光は光スターカプラを介して光伝送路に送出し、制御用フィルタエレメント１１４Ａの出力光はフォトダイオード１１６Ａに供給している。

主フィルタエレメント１１２Ａの透過中心波長を絶対波長基準光源１００の波長に一致させるために、図１４の実施例に準じて、増幅器１１８Ａ、制御回路１２０Ａ、ペルチェ素子駆動回路９６及びペルチェ素子９８が設けられている。

この実施例によると、ＷＤＭが適用される光送信システムにおいて、同期検波を用いることなしに波長の安定化を行うことができる。また、波長基準として光フィルタアレイを用いているので、前述したのと同様の効果が生じる。

図１９は本発明の光送信機の第４実施例を示すブロック図である。この実施例は、図１６の実施例と対比して、光フィルタアレイ１８０が波長λ＋Δλに透過中心波長を有する制御用フィルタエレメント１１４の他に波長λ−Δλに透過中心波長を有するもう一つの制御用フィルタエレメント１１４′を有している点で特徴付けられる。

送信光源ユニット６８の出力光は光カプラ１１０′で三分岐され、分岐光の各々は主フィルタエレメント１１２並びに制御用フィルタエレメント１１４及び１１４′に供給される。

制御用フィルタエレメント１１４の出力光はフォトダイオード１１６で電気信号に変換され、この電気信号は増幅器１１８により増幅されて演算回路１３４に入力される。また、制御用フィルタエレメント１１４′の出力光はフォトダイオード１１６′により電気信号に変換され、この電気信号は増幅器１１８′で増幅されて演算回路１３４に入力される。そして、演算回路１３４の出力信号が制御回路１２０に供給される。

図２０に図１９の光フィルタアレイの特性を示す。符号１３０は主フィルタエレメント１１２の特性を示し、符号１３２は制御用フィルタエレメント１１４の特性を示し、符号１３２′は制御用フィルタエレメント１１４′の特性を示す。また、符号ＳＰは安定点を示している。

制御用フィルタエレメント１１４及び１１４′の透過中心波長と主フィルタエレメント１１２の透過中心波長の差Δλは、例えば、各フィルタエレメントの半値半幅程度に設定される。即ち、送信光源ユニット６８からの光が主フィルタエレメント１１２を最大透過率で透過するときに、制御用フィルタエレメント１１４及び１１４′の透過率が上述の最大透過率の５０％程度になるようにされる。

今、送信光源ユニット６８の波長が長波長側にわずかに変動すると、制御用フィルタエレメント１１４の出力は上昇し、一方、制御用フィルタエレメント１１４′の出力は低下する。また、送信光源ユニット６８の波長が短波長側にわずかに変動すると、制御用フィルタエレメント１１４の出力は低下し、制御用フィルタエレメント１１４′の出力は上昇する。

このように、制御用フィルタエレメント１１４の出力と制御用フィルタエレメント１１４′の出力は相補的な関係にある。このため、このような対称性を考慮すると、制御用フィルタエレメント１１４及び１１４′の出力について引算を行い、その演算結果が０になるような制御を行えば、送信光源ユニット６８の出力光は主フィルタエレメント１１２を最大透過率で透過することになる。従って、演算回路１３４としては二入力に対して引算を実行するようなものが選ばれる。

この実施例によると、送信光源ユニット６８の光出力が変動したとしても、制御波長がその影響を受けないという利点がある。即ち、二つの制御用フィルタエレメント１１４及び１１４′に入力される光のパワーが変動したとしても、引算の結果、演算回路１３４の出力が０となる波長が一定になるのである。但し、制御系全体におけるループゲインが変動するので、ループゲインを光出力の変動に耐え得るように設定しておくことが望ましい。

図２１は本発明の光送信システムの第５実施例を示すブロック図である。ＷＤＭが適用される本実施例では、図１９の光送信機が複数用いられている。

図１８のシステムに対比した本実施例の特徴点は、図１６の光送信機に対比した図１９の光送信機の特徴点と同じであるのでその説明については省略する。

図２２は同期検波を用いない光受信機の構成例を示すブロック図である。図示しない光伝送路から供給された信号光は、光増幅器１３６で増幅された後、光カプラ１１０′で三分岐される。分岐光の各々は、図１９の光送信機と同様の光フィルタアレイ１８０の各フィルタエレメント１１２，１１４，１１４′に入力される。

主フィルタエレメント１１２の出力光はＥ／Ｏ変換回路１４０に供給され、ここで伝送データを含む電気信号に変換される。

制御用フィルタエレメント１１４の出力光は、フォトダイオード１１６で電気信号に変換され、増幅器１１８により増幅されて演算回路１３４に入力される。制御用フィルタエレメント１１４′の出力光は、フォトダイオード１１６′で電気信号に変換され、この電気信号は増幅器１１８′により増幅されて演算回路１３４に入力される。

そして、演算回路１３４の出力信号に基づいて制御回路１４２がペルチェ素子９８を制御し、これにより波長の安定化がなされる。

制御回路１４２は、演算回路１３４の出力信号を設定基準１２４からの基準信号と比較する比較回路１２２と、比較回路１２２の出力信号を増幅する誤差増幅回路１２６と、誤差増幅回路１２６の出力レベルが０又は一定になるようにペルチェ素子９８に駆動電流を与える駆動回路１３８とを含む。

図２３は光受信システムの第２実施例を示すブロック図である。この実施例では、図２２の光受信機における原理に従って光フィルタアレイ１８０について波長安定化を行い、この安定化された光フィルタアレイ１８０を用いてＷＤＭ信号光を受信するようにしている。具体的には次の通りである。

この実施例のシステムは、図１５のシステムにおける制御回路９４が同期検波を用いているのと対比して、制御回路１４２が同期検波を用いていない（図２２参照）点で特徴付けられる。即ち、波長λABS に透過中心波長を有する主フィルタエレメント１１２Ａと波長λABS ＋Δλに透過中心波長を有する制御用フィルタエレメント１１４Ａと波長λABS −Δλに透過中心波長を有する制御用フィルタエレメント１１４′Ａとを各フィルタエレメント１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）と一体に設けておき、光ツリーカプラ１０６の分岐光出力を各フィルタエレメントに供給しているのである。

主フィルタエレメント１１２Ａの出力光は絶対波長基準としてこの光受信システムで有効に用いることができる。また、制御用フィルタエレメント１１４Ａ及び１１４′Ａの出力光を用いて、同期検波を行うことなしに波長の安定化を行うことができる。

以上説明した幾つかの同期検波を用いない装置又はシステムにおいては、光フィルタアレイの構成が複雑になる反面、光源や光フィルタアレイの制御信号が受信特性に影響を与えないという特徴がある。同期検波による場合、制御信号を得るために制御対象に微小な変動を与え、与えた信号の制御対象から得られる信号の位相とを比較するようにしているので、微小変動を与える操作によって送信信号に擾乱が生じることとなり、送信信号に劣化が生じる恐れがある。これに対して、本発明の実施例のように同期検波を用いない場合には、微小変動を与える必要がないため、送信信号に劣化が生じる恐れがない。

従って、このような同期検波を用いない実施例は、光フィルタアレイの各フィルタエレメントが狭帯域バンドパスフィルタである場合に適している。

以上説明した光送信システム及び光受信システムを組み合わせて光通信システムを構築する場合において、光送信システム及び光受信システムの双方に光フィルタアレイが用いられているときには、これらの光フィルタアレイは特性のよく一致したものであることが望ましい。そのためには、例えば、図１２に示される光フィルタアレイを製造するときに、同一製造プロセスで作成された光フィルタアレイの母材を切断し、各ピースを送信側及び受信側に適用することで、フィルタアレイの特性を一致させることができる。

ところで、ＷＤＭ用の光源としては、半導体レーザ（レーザダイオード）、特に単一縦モードで発振する分布帰還型レーザダイオードが通常使用される。このレーザダイオードにおいては、素子内部に形成されたグレーティングの周期で発振波長がほぼ決まるが、製造偏差の問題で、通常、発振波長は同一ロット内で数ｎｍ程度、異なるロット間では十数ｎｍ程度ばらつく。このため、ＷＤＭに適合する複数のレーザダイオードを調達するためには選別作業が必要となり、高価なものとなる。

図２４は所望の発振波長を得るのが容易なＷＤＭ用光源の基本構成を示す図である。この例では、光フィルタアレイ１８０は、バンドリジェクション（ノッチ）特性を有する複数の光フィルタエレメント１４４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を備えている。

バンドリジェクション特性を有する光フィルタはその反射特性はバンドパス型となる。この例では、各フィルタアレイ１４４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）はそれぞれ波長λ1 ，λ2 ，・・・，λn の光を反射させる。

そして、各フィルタエレメント１４４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の入力ポートにはそれぞれ利得媒体１４６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が光学的に接続されている。利得媒体１４６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）としては、ＡＲコート（無反射被膜）を施した半導体レーザ（半導体レーザ増幅器）や希土類添加光ファイバを用いることができる。

この構成によると、各フィルタエレメントの反射ピーク波長でレーザ発振を起こすことができるので、所望の波長の光源を容易に得ることができ、波長間隔や絶対波長を一元的に管理することができるようになる。

図２５は本発明の光送信システムの第６実施例を示すブロック図である。このシステムは、図２１のシステムと対比して、各送信光源ユニット６８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）に換えて図２４のＷＤＭ用光源を用いている点で特徴付けられる。

各フィルタエレメント１４４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の出力光はそれぞれ光変調器１４８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）によって変調された後、光スターカプラ７０を介して単一又は複数の図示しない光伝送路へ送出される。

この実施例によると、絶対波長基準光源１００を用いて前述の手法により光フィルタアレイ１８０の波長安定化を行っているので、各光源について波長の管理を行うことが不要であり、光送信システムの構成を簡略化することができる。

図２６は本発明の光送信システムの第７実施例を示すブロック図である。この実施例は、図２５のシステムと対比して、バンドリジェクション特性を有するフィルタエレメントに換えてバンドパス特性を有するフィルタエレメント１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を用い、リング型共振器を構成することでレーザ発振を生じさせている点で特徴付けられる。

利得媒体１４６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の第１励振端から出力された光は、フィルタアレイ１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を透過して光カプラ１５０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）で分岐される。分岐された一方の各光は、それぞれ光アイソレータ１５２（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を通って各利得媒体１４６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）のそれぞれの第２励振端に帰還される。

そして、光カプラ１５０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）で分岐された各光の他方が光変調器１４８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）でそれぞれ変調されて光スターカプラ７０を介して図示しない光伝送路に送出される。

この実施例では、光フィルタアレイ１８０の各フィルタエレメントがすべてバンドパスフィルタであるので、光フィルタアレイ１８０の製造が容易である。

図２７は本発明の光送信システムの第８実施例を示すブロック図である。このシステムは、図２６のシステムと同様に、波長λ1 ，λ2 ，・・・，λn にそれぞれ透過中心波長を有するバンドパスフィルタアレイ１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を有している。

そして、広帯域に（白色状に）分布して発振するコヒーレント光源１５４からの光を光スターカプラ１５６でｎ分岐し、各分岐光を各フィルタエレメント１８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の入力ポートに供給している。各フィルタアレイの出力ポートから出力された光はそれぞれ光変調器１４８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）で変調された後、光スターカプラ７０を介して単一又は複数の光伝送路へ送出される。

広帯域に分布して発振する光源については、例えば、森他、「ＬＤ励起ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍを利用した超広帯域パルス光源」、１９９３年電子情報通信学会秋季大会Ｂ−９２０、に開示されている。

ところで、光増幅器を使用した伝送システムでは、信号光の波長以外の波長領域にあるＡＳＥ成分をできるだけ除去することが望ましい。余分なＡＳＥ成分が付加された状態で信号光が光増幅器に入力されると、ＡＳＥ成分も増幅され、信号光を増幅するためのポンプ光のエネルギーが無駄になり、増幅率や雑音特性が劣化する。

ＷＤＭの場合、図２８に示されるように、信号光の波長に対応する波長の光が選択的に透過する光フィルタを用いることで、ＡＳＥ成分を低減させることができる。同図において符号１５８は波長軸上に等間隔で並んだ信号光のスペクトラムを表し、符号１６０はこれらの信号光に対応して透過中心波長が等間隔に並んだ光フィルタの特性を表している。

信号光の波長が等間隔に並ぶ場合には、光フィルタとしてファブリ・ペロー干渉計を用いることができる。また、信号光の波長が不等間隔に並ぶ場合には、グレーティング型フィルタを用いることができる。

このように光フィルタを伝送路の途中等に挿入する場合、送信光源の波長が制御されていることが前提となる。送信光源の相対的な波長間隔が一定に保たれている場合には、光フィルタの透過特性を送信光源の絶対波長の変動に追従させることが望ましい。

そのためには、フィルタ出力を分岐し、その光出力が最大になるような制御を行うとよい。具体的には次の通りである。

図２９は光フィルタの追従制御のための構成例を示す図である。符号１６２は光伝送路の途中に挿入された光増幅器を表している。

光増幅器１６２の下流側にはファブリ・ペロー干渉計等からなる光フィルタ１６４が配置される。光フィルタ１６４の出力光は光カプラ１６６で分岐され、分岐光の一方は光伝送路に送出される。

分岐光の他方はフォトダイオード１６８により電気信号に変換され、この電気信号は増幅器１７０で増幅されて制御回路１７２に供給される。制御回路１７２は、供給された信号レベルが最大になるように光フィルタ１６４を制御する。

この実施例のシステムは、信号光の波長をλ1 ，λ2 ，・・・，λn の間隔が一定である場合に適用されるのが望ましい。即ち、この場合には、全信号光のトータルの光出力が常に最大になるように制御を行うことにより、光フィルタの透過中心波長を信号光の波長に一致させることができるのである。

狭帯域光フィルタアレイとして、誘電体膜干渉フィルタを用いる場合、透過波長の遮断特性はほぼローレンツ関数となる。図３０に干渉フィルタの遮断特性を示す。

この図から、光パワーが各波長で同一であることを仮定した場合、波長間隔１ｎｍ（１．５５μｍ帯で約１２５ＧＨｚ）のとき、隣接波長のクロストーク（漏れ込み）を一例として２０ｄＢ以下（２０ｄＢ以下という値は受信品質に影響を与えない所要値）にするためには、透過帯域３ｄＢ幅、０．３ｎｍの干渉フィルタ１枚では不足であり、透過帯域３ｄＢ幅、０．５ｎｍ程度の干渉フィルタを２枚以上重ねて使用すべきであることがわかる。

この光フィルタの所要クロストーク値については、前述した送信側での波長安定化のための光フィルタに当てはまり、また、受信側での波長選択光フィルタにも当てはまる。

誘電体膜を多層に積層した干渉フィルタは、特開平５−２８１４８０号公報「波長可変フィルタ及びその製造方法」に示されているように、積層する誘電体膜の厚みを変えることで透過波長を変えることができる。従って、所定の透過波長を再現性よく得るためには、誘電体膜の膜厚を正確に制御することが要求される。

３ｄＢ透過波長域が１ｎｍ程度以下の狭帯域バンドパスフィルタを得るためには、例えば２０層以上の多数の誘電体膜を形成することになり、再現性よく所望の透過波長となる狭帯域フィルタを得ることには困難性が伴う。例えば、透過波長が製造ロット毎に数ｎｍ程度ずれてしまうこともある。

ただし、同一基板上の透過波長の面内分布は比較的安定していることが知られている。このため、例えば図３１に示されるように、基板９２０上に形成された誘電体多層膜９４０の膜厚を連続的に変化させたものでは、製造ロットが異なるフィルタにおいても送信光源の波長域をカバーするような所望の透過波長となる領域が必ず存在する。

そこで、この部分を図３１の干渉フィルタの母材から切り出してこれにより図１２に示されるような光フィルタアレイを作成することにより、所望特性の光フィルタアレイを歩留りよく得ることができる。

図３２は図１２の光フィルタアレイの第１の具体例を示す図である。この例では、入力ポートとなる光ファイバ８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を互いに平行に等間隔で配置し、これらに対向して出力ポートとなる光ファイバ８６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）も互いに平行に等間隔で配置している。

図３３は図３２の光フィルタアレイの特性を示す図である。縦軸は透過中心波長、横軸は各ポートのチャネル数を表している。この例では、各光ファイバを等間隔で配置しているので、透過中心波長はチャネル毎に等間隔となる。

図３４は図１２の光フィルタアレイの第２の具体例を示す図である。この実施例は、図３２の第１の具体例と対比して、入力側の光ファイバ８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）及び出力側の光ファイバ８６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）が等間隔で配列されていない点で特徴付けられる。

こうすることにより、光フィルタアレイの透過中心波長を不等間隔にすることができるので、ＷＤＭを行うに際して四光波混合の影響を回避することができる（F.Forghieri et al, "Reduction of four-wave-mixing cross talk in WDM systems using unequally spaced channels", OFC/IOOC '93 Technical Digest FC4)。

或いは、ＷＤＭにおける信号光の波長間隔よりも十分狭い波長間隔で等間隔の光フィルタアレイを作成し、所望の透過中心波長に対応する入出力ポートのみを選んで使用することで所望の等間隔或いは不等間隔の光フィルタアレイを得ることもできる。

尚、干渉フィルタの製造技術上波長再現性が良好である場合には、図３５に示されるように入出力ポートの光ファイバを等間隔に設定し、誘電体多層膜９４′の膜厚分布を変化させることで、各フィルタエレメントについて所望の透過中心波長を与えることもできる。図３６に図３５の光フィルタアレイの特性を示す。

図３７は光フィルタアレイの第４実施例を示す図である。この実施例では、導波路基板１７６上に複数の光導波路１７８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を併設し、これらの光導波路を遮るように導波路基板１７６上に溝１７６Ａを形成しておき、この溝１７６Ａの中に透過中心波長が位置により異なる干渉フィルタ１８２を挿入している。

符号１８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は各光導波路の入力ポートに接続される光ファイバを表し、符号１８６（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は各光導波路の出力ポートに接続される出力側光ファイバを表している。また、光導波路１７８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）の干渉フィルタ１８２の下流側では分岐部が形成されており、各分岐導波路の出力端にはフォトダイオードアレイ１８４が工学的に接続されている。

図３８は光フィルタアレイの第５実施例を示す図である。この実施例では、導波路基板１８８上に複数の光導波路１９０（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を併設し、これらの途中にグレーティング型フィルタが形成される領域１９２と光スターカプラ領域１９４とを設けている。

グレーティングフィルタについて透過中心波長を正確に設定し得ない場合には、ＷＤＭに必要な数以上の数の光導波路を形成し、各光導波路のグレーティング部の格子定数を少しずつ異ならせておき、目的の波長に合った光導波路のみを選択的に使用することで、この光フィルタアレイの歩留りを向上させることができる。

この実施例では、光スターカプラ領域１９４が形成されていることにより、使用しない光導波路がある場合にその分挿入損失が大きくなるが、光増幅器を用いて損失補償を行うことにより、この問題を解決することができる。

尚、これまでの説明では、光フィルタアレイの配置が簡単のために一次元としたが、二次元的な配置をとることも当然ながら可能である。例えば、絶対波長基準として、分子或いは原子の吸収線を利用する場合、信号光の波長配置に合致しない中途半端な波長（例えば信号光波長間隔の間に来る場合等）になることも予想される。このような場合には、絶対波長基準からの光を光フィルタアレイに透過させる位置を各信号光を透過させる位置から空間的に離すことにより、所望の波長基準を用いることができる。具体的には以下の通りである。

図３９は光フィルタアレイの第６実施例を示す図である。この例では、信号光の入力ポートとなる光ファイバ８４（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を一列に配置し、これらの配列方向からずらして絶対波長基準用の入力ポートとなる光ファイバ８４′を配置している。符号Ｐ（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）は信号光のビームが光フィルタアレイに入射する位置を表しており、符号Ｐ′は絶対波長基準からの光ビームが光フィルタアレイに入射する位置を表している。

誘電体膜を用いた光フィルタアレイを作成する場合、光フィルタアレイを通過する際の光ビーム径が重要なパラメータとなる。光ファイバアレイの間隔に比べて光フィルタアレイを透過するビーム径が太いと、他信号とのクロストークの原因となる。また、透過波長分布を有する光フィルタの透過波長変化に比較してビーム径が太い場合には、３ｄＢ透過波長域が広がってしまうことになる。

例えば、図３２に示されるように、位置に対応して透過中心波長が変化する光ファイバアレイにおいては、具体例として１０ｍｍの位置変化で透過中心波長が１０ｎｍ変化するように誘電体膜が積層されている場合、透過中心波長間隔を一ｎｍとして等間隔のフィルタアレイを作成すると、１ｍｍ間隔で光ファイバを整列することが要求される。

この光フィルタの設計時において、膜厚分布が一定の場合の３ｄＢ透過幅を０５．ｎｍとすると、この特性を劣化させないためには、光ビーム径を０．５ｎｍに相当する０．５ｍｍよりも十分小さくしておくことが要求される。例えば、５０μｍ程度以下の光ビーム径が要求される。

もしビーム径が大きいと、ビームの中で透過中心波長が変化することになり、光フィルタ本体の３ｄＢ透過幅よりも広がり、透過特性や遮断特性が劣化することになる。

この問題を解決するためには、光ファイバの励振端の近傍に設けられるレンズの焦点距離を十分小さくしてビーム径を絞ることが望ましい。尚、ビーム径が５０μｍでファイバアレイの間隔が１ｍｍの場合には、ビーム径と光ファイバアレイの間隔の比率が十分に大きく、他チャネルへのクロストークの影響はほとんどない。

このような技術的課題を解決するための実施例を図４０により説明する。図４０は光フィルタアレイの第７実施例を示す図である。図４０の（Ａ）はこの光フィルタアレイの平面図、（Ｂ）は側面図である。

基板１９６上には互いに平行に複数のＶ溝が形成されており、この中に端部においてモードフィールド径を拡大した入力側光ファイバ１９８（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を端面を揃えて整列させ、これらに対向して同じく端部においてモードフィールド径を拡大した出力側光ファイバ２００（＃１，＃２，・・・，＃ｎ）を整列させている。そして、これらファイバ同士の間に光フィルタ２０２を挿入している。符号２０４は基板１９６の温度を制御するためのペルチェ素子を表している。ここで、端部においてモードフィールド径を拡大した光ファイバを用いているのは、有限な厚みを有する光フィルタ２０２の挿入損失を低減するためである。このようなファイバの製造技術については、M.Kihara et al. "Loss Characteristics of Thermally Diffused Expanded Core Fiber", IEEE Photonics Technology Letters Vol4 No.12 pp1390-1391 、中善寺他「光ファイバ集積型偏波無依存アイソレータ」、１９９２年電子情報通信学会秋季大会Ｃ−２２９、に開示されている。以下、このようなファイバをＴＥＣファイバと称する。

図４１は、一対のＴＥＣファイバを対向配置し、端面間に屈折率（ｎ）が１．５の光学媒質を充填したときの結合損失と端面間距離との関係をモードフィールド径（ＭＦＤ）をパラメータとして示したグラフである。端面間距離が１０００μｍのとき、モードフィールドを４０μｍに拡大させると、挿入損失が０．５ｄＤ程度に抑えられていることがわかる。

図４２は伝播後のモードフィールド径とファイバ端部のモードフィールド径の関係を示すグラフである。ファイバ端部でのモードフィールド径を４０μｍに拡大すると、１０００μｍ伝播してもビーム径は５０μｍ程度であり、先に示した透過幅を劣化させない条件に適合していることがわかる。

本発明は以下の付記を含む。

（付記１）通過帯域の中心波長が異なる複数のバンドパスフィルタエレメントを有する空間分割型の光フィルタアレイであって、
複数の入力ポートと、
該各入力ポートに対向して設けられた複数の出力ポートと、
該各入力ポートと該各出力ポートの間に形成される複数の光学パスと交錯するように設けられた透明基板と、
該透明基板上に積層されその厚みは上記各光学パスの配列方向に連続的に変化する干渉膜とを備えた光フィルタアレイ。

ＷＤＭ伝送システムのブロック図である。 光送信機の基本構成を示すブロック図である。 光送信機の第１実施例を示すブロック図である。 同期検波の原理を説明するための図である。 光送信機の従来例を示すブロック図である。 光送信機の第２実施例を示すブロック図である。 時分割制御のタイミングチャートである。 光送信システムの第１実施例を示すブロック図である。 空間分割型光フィルタアレイを示す図である。 光フィルタアレイの第１実施例を示す斜視図である。 光フィルタアレイの第２実施例を示す斜視図である。 光フィルタアレイの第３実施例を示す平面図である。 光送信システムの第２実施例を示すブロック図である。 光送信システムの第３実施例を示すブロック図である。 光受信システムの第１実施例を示すブロック図である。 光送信機の第３実施例を示すブロック図である。 図１６のフィルタアレイの特性を示す図である。 光送信システムの第４実施例を示すブロック図である。 光送信機の第４実施例を示すブロック図である。 図１９のフィルタアレイの特性を示す図である。 光送信システムの第５実施例を示すブロック図である。 光受信機の実施例を示すブロック図である。 光受信システムの第２実施例を示すブロック図である。 ＷＤＭ用光源の基本構成を示す図である。 光送信システムの第６実施例を示すブロック図である。 光送信システムの第７実施例を示すブロック図である。 光送信システムの第８実施例を示すブロック図である。 ＷＤＭにおける光フィルタの特性例を示す図である。 光フィルタの追従制御の構成例を示す図である。 干渉フィルタの遮断特性を示す図である。 干渉フィルタの例を示す図である。 図１２の光フィルタアレイの第１の具体例を示す図である。 図３２の光フィルタアレイの特性を示す図である。 図１２の光フィルタアレイの第２の具体例を示す図である。 図１２の光フィルタアレイの第３の具体例を示す図である。 図３５の光フィルタアレイの特性を示す図である。 光フィルタアレイの第４実施例を示す斜視図である。 光フィルタアレイの第５実施例を示す斜視図である。 光フィルタアレイの第６実施例を示す斜視図である。 光フィルタアレイの第７実施例を示す平面図（Ａ）及び側面図（Ｂ）である。 ＴＥＣファイバの結合損失と端面間距離との関係を示すグラフである。 伝播後のＭＦＤとファイバ端部のＭＦＤの関係を示すグラフである。

符号の説明

１６ 送信光源
１８ バンドパスフィルタ
２０ 光カプラ
２２ 受光器
２４ 増幅回路
２６ 制御回路

Claims (5)

1. 信号光を出力する複数の光送信機と、
   該各光送信機からの信号光を加え合わせて一つ又はそれ以上の光伝送路に送出する光マルチプレクサとを備え、
   上記各光送信機は、それぞれ、
   光源と、
   該光源からの光を通過させるバンドパスフィルタと、
   該バンドパスフィルタを通過した光を少なくとも２つの分岐光に分岐する光分岐手段と、
   該分岐光のうちの１つをその強度に応じたレベルを有する電気信号に変換する受光器と、
   該電気信号を受け、上記分岐光の強度が一定になるように上記光源の波長を制御する制御手段とを含み、
   上記分岐光のうちの他の１つが上記信号光として送出され、
   上記複数のバンドパスフィルタは同一の基板上に形成され、
   上記複数のバンドパスフィルタの温度を一定に保つための温度制御回路を備え、
   前記複数の光源の一つは基準光源であり、上記温度制御回路は、上記基板に密着して設けられたペルチェ素子を有し、上記基準光源からの光を通過させるバンドパスフィルタに対して設けられた受光器から出力される電気信号に基づいて、該バンドパスフィルタの透過波長を上記基準光源に対してロックするように上記ペルチェ素子を制御する波長分割多重伝送用光送信システム。
2. 上記各バンドパスフィルタは複数の入力ポート及び該入力ポートの数に対応した数の出力ポートを有する空間分割型の光フィルタアレイの各フィルタエレメントである請求項１に記載の光送信システム。
3. 上記光フィルタアレイは格子定数が異なる複数の導波路型回折格子を有する導波路基板を含み、
   該各導波路型回折格子の両端がそれぞれ上記各入力ポート及び各出力ポートをなす請求項２に記載の光送信システム。
4. 上記光フィルタアレイは、複数のＶ溝を有する基板と、該各Ｖ溝に着座する格子定数が異なる複数のファイバグレーティング型光フィルタとを含み、
   該各ファイバグレーティング型光フィルタの両端がそれぞれ上記各入力ポート及び各出力ポートをなす請求項２に記載の光送信システム。
5. 上記各入力ポートは互いに平行に配置された複数の入力側光ファイバからなり、
   上記各出力ポートは上記各入力側光ファイバに対向して互いに平行に配置された複数の出力側光ファイバからなり、
   該各入力側光ファイバと該各出力側光ファイバの間には複数の光学パスが形成され、
   上記光フィルタアレイは、上記各光学パスと交錯するように設けられた透明基板と、該透明基板上に積層されその厚みは上記各光学パスの配列方向に連続的に変化する干渉膜とを含む請求項２に記載の光送信システム。

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