JP4158655B2

JP4158655B2 - 波長変換装置及び方法

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Publication number: JP4158655B2
Application number: JP2003312473A
Authority: JP
Inventors: 公佐西村; 正士宇佐見
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-09-04
Also published as: US20050053385A1; JP2005084081A

Description

本発明は、波長変換装置及び方法に関し、より具体的には、２つの半導体光増幅器（ＳＯＡ）を干渉計構成で使用する波長変換装置及び、その干渉計を使用する波長変換方法に関する。

マッハツェンダ干渉計の両アーム上に半導体光増幅器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ，ＳＯＡ）を配置したマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型全光波長変換器は公知である。マッハツェンダ干渉計の一方のアーム上のＳＯＡにプローブ光とデータ光を入射し、他方のアーム上のＳＯＡにはプローブ光のみを入射する構成と、一方のアーム上のＳＯＡにプローブ光とデータ光を入射し、他方のアーム上のＳＯＡにはプローブ光と、所定時間、遅延したデータ光を入射する構成がある。前者の構成では、ＮＲＺ形式及びＲＺ形式のどちらの形式のデータ光にも対応できる。後者の構成は、いわば差動入力構成であり、ＲＺ形式のデータ光に対応できる。何れの構成でも、データ光とプローブ光を同方向に伝搬させる場合と、互いに逆方向に伝搬させる場合とがある。プローブ光は、一般的には連続（ＣＷ）レーザ光である。

この種の波長変換器は、プローブ光をデータ光により又はその逆でスイッチングする光スイッチとしても機能し得る。そのような用途の波長変換装置が、特許文献１及びこれに対応する特許文献２に記載されている。
特開平７−２０５１０号公報米国特許５５３５００１公報

ＳＯＡにデータ光とプローブ光を入射した場合、データ光の吸収によりプローブ光に対する利得が変化する所謂、相互利得変調ＸＧＭ（Cross gain modulation）と、位相が変化する所謂、相互位相変調ＸＰＭ（Cross phase modulation）が起こる。データ光とプローブ光の分離を容易にするために、通常、プローブ光の波長をデータ光の波長とは異ならせる。

両方のＳＯＡにデータ光とプローブ光を入射する差動入力構成では、ＸＰＭを利用する。即ち、ＳＯＡにデータ光とプローブ光が入射したときに、プローブ光の位相変化が概略π（ｒａｄ）であるように設定される。図６は、このケースにおけるデータ光波形５０、両ＳＯＡにおけるプローブ光に対する利得変化５２，５４と位相変化５６，５８の一例を示す。図７は、デストラクティブポート出力波形６０の例を示す。図７の実線は、ＸＧＭを無視できないときの各ポート出力波形を示し、破線は、ＸＧＭが無く、ＸＰＭのみが両ＳＯＡに誘起されると仮定した理想的な場合の各ポート出力波形を示す。

互いに所定時間、ずらして同じデータ光を両ＳＯＡに入射するので、一方のＳＯＡから出力されるプローブ光のＸＰＭによる位相変化のタイミングは、他方のＳＯＡから出力されるプローブ光のＸＰＭによる位相変化より所定時間だけ先行する。両ＳＯＡから出力されるプローブ光を合波すると、その合波光は、両ＳＯＡにおけるＸＰＭによる位相変化のずれに応じたＲｅｔｕｒｎ−ｔｏ−Ｚｅｒｏ（ＲＺ）光パルスになる。このＲＺ光パルスは、データ光により搬送されるパルス信号又はその反転信号を搬送する。図７に実線で示すように、ＸＧＭの影響を無視できないとき、合波後のプローブ光のパルス波形は、ＸＧＭによる劣化する。

片方のアーム又はＳＯＡのみにデータ光を入力する構成は、ＮＲＺ信号に対応できる。図８は、このケースでのデータ光の波形７０、両ＳＯＡにおけるプローブ光に対する利得変化７２，７４と位相変化７６，７８の一例を示す。図９は、図８に示す波形例に対するデストラクティブポート出力波形８０とコンストラクティブポート出力波形８２の例を示す。図９の実線は、ＸＧＭを無視できないときの各ポート出力波形を示し、破線は、ＸＧＭが無く、ＸＰＭのみが両ＳＯＡに誘起されると仮定した理想的な場合の各ポート出力波形を示す。

この従来構成では、データ光が入射するＳＯＡでは、ＸＰＭとＸＧＭが誘起されるが、プローブ光のみが入射するＳＯＡでは、ＸＰＭ及びＸＧＭのどちらも誘起されない。従って、両ＳＯＡから出力されるプローブ光の光強度をバランスさせることが難しい。両ＳＯＡから出力されるプローブ光の光強度のアンバランスに起因して、出力光の消光比及び／又は出力光強度が低下する。

本発明は、従来例のこのような問題点を解決し、入力データ光の形式に依存しない、良好な消光比を得られる波長変換装置及び方法を提示することを目的とする。

本発明に係る波長変換装置は、第１の半導体光増幅器を具備する第１アームと、第２の半導体光増幅器を具備する第２アームと、プローブ光を分割し、一方を当該第１アームに供給し、他方を当該第２アームに供給する第１の光分波器と、当該第１及び第２アームから出力されるプローブ光を合波する光合波器と、データ光を分割する第２の光分波器と、当該第２の光分波器の一方の出力光を当該第１アームに逆方向に入射する第１の光カップラと、当該第２の光分波器の他方の出力光を当該第２アームに順方向に入射する第２の光カップラとを具備し、当該第１及び第２の半導体光増幅器にそれぞれデータ光が実質的に同じタイミングで入射し、当該データ光のマークレベルが入射したときの当該第１の半導体光増幅器（２２ａ）における当該プローブ光の光位相変調量が、当該データ光のマークレベルが入射したときの当該第２の半導体光増幅器（２６ａ）における当該プローブ光の光位相変調量より概略π（ｒａｄ）だけ異なることを特徴とする。

本発明に係る波長変換方法は、第１の半導体光増幅器を具備する第１のアームと、第２の半導体光増幅器を具備する第２のアームと、プローブ光を分割し、一方を当該第１のアームに供給し、他方を当該第２のアームに供給する第１の光分波器と、当該第１及び第２のアームから出力されるプローブ光を合波する光合波器とを具備するマッハツェンダ干渉計を用意し、データ光のマークレベルが入射したときの当該第１の半導体光増幅器（２２ａ）における当該プローブ光の光位相変調量が、当該データ光のマークレベルが入射したときの当該第２の半導体光増幅器（２６ａ）における当該プローブ光の光位相変調量より概略π（ｒａｄ）だけ異なるように設定し、当該データ光を２分割し、分割された一方のデータ光を当該第１の半導体光増幅器にプローブ光とは逆方向に入射し、分割された他方のデータ光を当該第２の半導体光増幅器にプローブ光とは同方向に入射し、当該第１及び第２の半導体光増幅器にそれぞれデータ光が実質的に同じタイミングで入射することを特徴とする。

このような構成により、本発明では、第１の半導体光増幅器から出力されるプローブ光と、第２の半導体光増幅器から出力されるプローブ光は、相対的に一定の光位相差を具備する、光強度変化がほぼ同じ波形になる。これにより、ＮＲＺ形式のデータ光で搬送されるデータをＣＷプローブ光に移管でき、良好な消光比の出力光を得ることができる。

好ましくは、第１のアーム上に、第１のアームを伝搬する光の位相を調整する第１の位相調整器を配置する。第２のアーム上に、第２のアームを伝搬する光の位相を調整する第２の位相調整器を配置する。

本発明によれば、入力データ光の形式に依存しない、より安定した出力が得られる全光波長変換器を実現できる。また、パターン効果を大幅に低減できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。なお、本出願の発明者は、ＳＯＡにデータ光とプローブ光を同方向に入射した場合と、互いに反対方向に入射した場合とでは、ＸＧＭ量及び利得回復時間に大きな相違は無いが、ＸＰＭ量に大きな相違があることを発見した。本実施例は、この発見をＳＯＡ−ＭＺＩ型全光波長変換装置に適用するものである。

図１は、本発明の一実施例の概略構成ブロック図を示す。入力端子１０には、波長１５５５ｎｍ（λｐ）の連続（CW）プローブ光１２が入力する。入力端子１４には、４０Ｇｂ／ｓ，波長１５４５ｎｍ（λｄ）のデータ光１６が入力する。光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）１８は、その中心透過波長がプローブ波長λｐに設定されており、プローブ光１２を透過する。光カップラ２０は、ＯＢＰＦ１８を透過したプローブ光１２を２つに分割し、一方をマッハツェンダ干渉計の第１アーム２２に、他方を、光カップラ２４を介してマッハツェンダ干渉計の第２アーム２６に供給する。第１アーム２２上には、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２ａ及び位相調整用ヒータ２２ｂが配置される。第２アーム２６上には、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２６ａ及び位相調整用ヒータ２６ｂが配置される。光カップラ２０の分割比及び光カップラ２４の透過率は、概略１／２又は５０％に設定される。

他方、入力端子１４に入力したデータ光１６は、光分波器２８で分割され、その一方が、光カップラ３０を介して第１アーム２２に、プローブ光とは逆方向に伝搬するように供給され、他方が、光カップラ２４を介して第２アーム２６に、プローブ光と同方向で伝搬するように供給される。光分波器２８から光カップラ３０及びヒータ２２ｂを介してＳＯＡ２２ａに到達する光路の光路長と、光分波器２８から光カップラ２４を介してＳＯＡ２６ａに到達する光路の光路長は、ＳＯＡ２２ａ，２６ａに同じタイミングでデータ光が入力するように、調整される。また、光分波器２８及び光カップラ２４，３０のデータ光の分割比及び透過率は、概略１／２又は５０％に設定される。

本実施例では、この構成により、ＳＯＡ２２ａでは、プローブ光とデータ光が互いに逆方向に伝搬し、ＳＯＡ２６ａでは、プローブ光とデータ光が同方向に伝搬する。先に説明したように、プローブ光とデータ光が互いに逆方向に伝搬する場合と、プローブ光とデータ光が同方向に伝搬する場合とでは、ＸＧＭ量はほとんど同じであるが、ＸＰＭ量が大きく異なる。即ち、図２に示すように、同方向入射の場合のＸＰＭ量は、逆方向入射の場合のＸＰＭ量のほぼ２倍になる。図２で、横軸は、ＳＯＡの活性層の光閉じ込め係数を示し、縦軸は、ＸＰＭによる初期位相変化Δφ（ｒａｄ）を示す。本実施例では、データ光がＳＯＡ，２２ａ，２６ａに入射するとき、即ち、データ光のマークレベルに対して、ＳＯＡ２２ａのＸＰＭ量が、ＳＯＡ２６ａのＸＰＭ量より概略π（ｒａｄ）だけ大きくなるように、ＳＯＡ２２ａ，２６ａの構造、寸法及び注入電流等が設定される。従って、データ光のマークレベルに対して、ＳＯＡ２２ａ，２６ａから出力されるプローブ光の光強度は、時間に関してほとんど同じ変化を示すが、光位相が概略π（ｒａｄ）だけ異なる。図３は、データ光１６の波形４０と、ＳＯＡ２２ａ，２６ａから出力されるプローブ光の光強度波形４２の一例を示す。横軸は時間を示し、縦軸は光強度を示す。

ＳＯＡ２２ａから出力されるプローブ光は、ヒータ２２ｂ及び光カップラ３０を介して光カップラ３２に入射する。光カップラ３０は、入射するプローブ光の一部を光カップラ２８に転送するが、このプローブ光成分は、利用されない。また、ＳＯＡ２６ａから出力されるプローブ光は、ヒータ２６ｂを介して光カップラ３２に入射する。アーム２２，２６の僅かな光路長差（位相差）は、ヒータ２６ｂにより調整される。データ光がＳＯＡ，２２ａ，２６ａに入射するとき、光カップラ３２には、概略π（ｒａｄ）の光位相差の、ほぼ同じ強度のプローブ光が入射する。光カップラ３２は、入力する２つのプローブ光を合波し、相互に干渉させる。光バンドパスフィルタ３４は、その中心波長がプローブ波長λｐに設定されており、光カップラ３２で合波されたプローブ光を透過する。光バンドパスフィルタ３４の出力光は、出力端子３６から外部に出力される。

図４は、光カップラ３２から出力されるコンストラクティブ干渉光の波形例を示す。横軸は時間を示し、縦軸は光強度を示す。参考までに、一方のＳＯＡのみにデータ光を入射する従来構成の場合の、コンストラクティブ干渉出力波形を図５に示す。横軸は時間を示し、縦軸は光強度を示す。なお、本明細書では、データ光が無いとき、即ち、スペースレベルに対して、プローブ光の出力が得られる場合を「コンストラクティブ」と表記し、データ光が無いときにプローブ光が出力されない場合を「デストラクティブ」と表記する。

ＳＯＡは、有限の利得回復時間を有するので、データ光の波形が”１”（マーク）レベルから”０”（スペース）レベルに遷移するとき、利得が緩やかに回復する。これが、出力パルス波形の劣化要因となる。本実施例では、両ＳＯＡ２２ａ，２６ａでプローブ光に対する利得が同様に変化するので、光位相の回復の相違のみがレベル遷移の間の波形に関与する。従来の方法では、光強度と光位相の回復が共に出力波形に影響し、光パルスが緩やかに立ち上がるのに対し、本実施例では、光位相の回復のみが出力波形に影響するので、より急峻な立ち上がりが得られる。

従来例には、パターン効果の問題がある。すなわち、入力データ光でマークレベルが短い間隔で繰り返されたとき、時間をずらしたデータ光を２つのＳＯＡに入力する従来例では、両アーム間の光強度差及び光位相差が共にパターン依存性を持つので、出力波形でスペースレベルの変動が大きくなる。これに対し、本実施例では、データ光のマークレベルに対して、両アーム間に光強度の差がなく、予め設定されたＸＰＭによる光位相差、即ち概略π（ｒａｄ）のみが存在するので、ＸＰＭのパターン効果による残留位相差の影響を除いた、ほぼ一定強度の出力スペースレベルが得られる。本実施例では、両アーム間の位相変調の差分を利用するので、入力データ光の光パワーに対する位相変調効率が、従来例より低下する。しかし、本実施例の上述のメリットは、このデメリットを十分上回る。

本実施例では、出力光パルスがｓｉｎ関数の非線形性により早く立ち上がるが、従来例では、出力光パルスが指数関数に従い、より緩やかに立ち上がる。また、スペースレベルでは、上述の通り、本実施例では、光強度変化がデータパターンによらず安定するが、従来例では、光強度変化がデータパターンに従い変動する。即ち、本実施例では、パルス立ち上がりが改善され、スペースレベルでのいわゆるパターン効果が低減される。

ＳＯＡ２２ａで吸収されなかったデータ光は、光カップラ２０を介して光バンドパスフィルタ１８に入射する。光バンドパスフィルタ１８はデータ光を吸収するので、ＳＯＡ２２ａで吸収されなかったデータ光は入力端子１０に到達できない。光バンドパスフィルタ１８に代えて、プローブ光を透過する方向の光アイソレータを配置しても良い。

データ光の波長及びプローブ光の波長は一例である。データ光の波長は、ＳＯＡ２２ａ，２６ａの利得波長帯に属する波長であればよい。プローブ光の波長は、ＳＯＡ２２ａ，２６ａにおけるＸＰＭを受け得る波長であればよい。

データ光で搬送されるデータを別の波長（プローブ波長λｐ）に変換する動作を説明したが、本実施例は、プローブ光をＲＺ形式のパルス光とし、データ光をスイッチ制御光とすることで、光スイッチとしても動作させることができる。また、プローブ光が別のデータを搬送する信号光である場合、本発明は、データ光で搬送されるデータとプローブ光で搬送されるデータを光のままで演算する光演算装置としても利用可能である。

特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例の概略構成ブロック図である。同方向入射と逆方向入射のＸＰＭ量の測定例である。データ光１６の波形４０と、ＳＯＡ２２ａ，２６ａから出力されるプローブ光の光強度波形４２の一例である。光カップラ３２から出力されるコンストラクティブ干渉光の波形例である。一方のＳＯＡのみにデータ光を入射する従来構成の場合の、コンストラクティブ干渉出力波形の例である。差動入力構成の従来例での、データ光波形、及び両ＳＯＡにおけるプローブ光に対する利得変化と位相変化の一例である。図６に示す例に対するデストラクティブポート出力波形の例である。片方のアーム又はＳＯＡのみにデータ光を入力する従来例での、データ光波形、及び、両ＳＯＡにおけるプローブ光に対する利得変化と位相変化の一例である。図８に示す例に対するデストラクティブポート出力波形とコンストラクティブポート出力波形の例である。

符号の説明

１０：入力端子
１２：プローブ光
１４：入力端子
１６：データ光
１８：光バンドパスフィルタ（ＯＢＰＦ）
２０：光カップラ
２２：ＭＺＩのアーム
２２ａ：半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２２ｂ：位相調整用ヒータ
２４：光カップラ
２６：ＭＺＩのアーム
２６ａ：半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２６ｂ：位相調整用ヒータ
２８：光分波器
３０：光カップラ
３２：光カップラ
３４：光バンドパスフィルタ
３６：出力端子

Claims

第１の半導体光増幅器（２２ａ）を具備する第１アーム（２２）と、
第２の半導体光増幅器（２６ａ）を具備する第２アーム（２６）と、
プローブ光（１２）を分割し、一方を当該第１アーム（２２）に供給し、他方を当該第２アーム（２６）に供給する第１の光分波器（２０）と、
当該第１及び第２アーム（２２，２６）から出力されるプローブ光を合波する光合波器（３２）と、
データ光（１６）を分割する第２の光分波器（２８）と、
当該第２の光分波器（２８）の一方の出力光を当該第１アーム（２２）に逆方向に入射する第１の光カップラ（３０）と、
当該第２の光分波器（２８）の他方の出力光を当該第２アーム（２６）に順方向に入射する第２の光カップラ（２４）
とを具備し、
当該第１及び第２の半導体光増幅器（２２ａ，２６ａ）にそれぞれデータ光が実質的に同じタイミングで入射し、
当該データ光のマークレベルが入射したときの当該第１の半導体光増幅器（２２ａ）における当該プローブ光の光位相変調量が、当該データ光のマークレベルが入射したときの当該第２の半導体光増幅器（２６ａ）における当該プローブ光の光位相変調量より概略π（ｒａｄ）だけ異なる
ことを特徴とする波長変換装置。
当該第１アーム（２２）が第１の位相調整器（２２ｂ）を具備する請求項１に記載の波長変換装置。
当該第２アーム（２６）が第２の位相調整器（２６ｂ）を具備する請求項１又は２に記載の波長変換装置。
第１の半導体光増幅器（２２ａ）を具備する第１のアーム（２２）と、第２の半導体光増幅器（２６ａ）を具備する第２のアーム（２６）と、プローブ光（１２）を分割し、一方を当該第１のアーム（２２）に供給し、他方を当該第２のアーム（２６）に供給する第１の光分波器（２０）と、当該第１及び第２のアーム（２２，２６）から出力されるプローブ光を合波する光合波器（３２）とを具備するマッハツェンダ干渉計を用意し、
データ光のマークレベルが入射したときの当該第１の半導体光増幅器（２２ａ）における当該プローブ光の光位相変調量が、当該データ光のマークレベルが入射したときの当該第２の半導体光増幅器（２６ａ）における当該プローブ光の光位相変調量より概略π（ｒａｄ）だけ異なるように設定し、
当該データ光を２分割し、
分割された一方のデータ光を当該第１の半導体光増幅器（２２ａ）にプローブ光とは逆方向に入射し、
分割された他方のデータ光を当該第２の半導体光増幅器（２６ａ）にプローブ光とは同方向に入射し、
当該第１及び第２の半導体光増幅器（２２ａ，２６ａ）にそれぞれデータ光が実質的に同じタイミングで入射する
ことを特徴とする波長変換方法。
当該第１のアーム（２２）上に配置される第１の位相調整器（２２ｂ）により、当該第１のアーム（２２）を伝搬する光の位相を調整する請求項４に記載の波長変換方法。
当該第２のアーム（２６）上に配置される第２の位相調整器（２６ｂ）により、当該第２のアーム（２６）を伝搬する光の位相を調整する請求項４又は５に記載の波長変換方法。