JP4550187B2 - 光ファイバ型波長変換方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、特に波長分割多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)通信において、ネットワークを形成する際に主要なデバイスとなる光ファイバ型波長変換方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光ファイバ中の三次の非線形分極に起因する四光波混合(FWM:Four Wave Mixing) により、周波数f1、f2、f3の3つの光からそれらとは異なる周波数f4の光を発生させる事が可能である。この場合、周波数f4は周波数f1、f2、f3の3つの周波数により決まり、f4+f1 =f2+f3 の関係が成立する。ここでf2=f3の場合は特に縮退四光波混合(DFWM:Degenerated Four wave Mixing) と呼ばれ、発生した周波数f4の光はアイドラ(idler) 光と呼ばれる。
【0003】
前記FWM、DFWMは波長変換や位相共役光による分散補償等へ応用されている。例えば、波長λs(=c/fs)の信号光が伝搬されている光ファイバに波長λp(=c/fp)のポンプ光を結合器を用いて結合させると、当該光ファイバの出口ではDFWMによって前記信号光とポンプ光の他にアイドラ光が発生する。前記λp(=c/fp)におけるc は真空中の光の速さである。このアイドラ光は信号光に対して波長が異なることと、位相共役の性質を持つ以外は全く同じコピーであるため、フィルタを用いるなどして当該光ファイバの出力光からポンプ光と信号光を除去してアイドラ光のみを取り出せば、信号光の波長変換が可能である。
【0004】
現在、WDM通信においては、従来のエルビウム添加光ファイバ型増幅器(EDFA:Erbium Doped Fiber Amplifier)の帯域(bandwidth)である波長1530nm〜1560nm:C-band)から、更に帯域を拡げることが試みられている。その一つとして波長を1570nm〜1610nmの長波長帯域(L-band)とする光ファイバ増幅器や、ラマン増幅器を用いた帯域の拡張などが試みられている。このため異なる帯域を有するWDM伝送路間を結んで光ネットワークを構築する必要があるが、そのためには、より広帯域の波長変換装置が必要となる。これまでに、光ファイバ型の波長変換装置としてDFWMを利用してポンプ光の波長と光ファイバの零分散波長を一致させる事で、最大で36nmの半値半幅を有する広帯域且つ高変換効率の波長変換装置が報告されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
DFWMを利用した光ファイバ型波長変換装置の帯域は、理論的には光ファイバの零分散波長とポンプ光波長を一致させた際に無限大になることが知られている。しかしその条件で波長変換を行っても実際の波長変換帯域は有限になる(制限される)。DFWMを利用して波長変換帯域を拡げる際に帯域が制限される要因としては次のことが考えられる。
【0006】
第1の要因は、DFWMを発生させる媒質である光ファイバの長手方向の波長分散のばらつきである。広帯域波長変換を実現するためには光ファイバの波長分散、即ち、零分散波長を光ファイバの長手方向に揃える必要があり、そうしなければ有効なアイドラ光の発生は望めない。従って、DFWMを発生させる媒質である光ファイバの長手方向に分散のばらつきがある場合は光ファイバによって帯域を拡げることは不可能となる。
【0007】
第2の要因は、光ファイバの有する偏波モード分散(PMD: Polarization Mode Dispersion )により、光ファイバを伝搬中に生ずるポンプ光と信号光の間の偏光状態が不一致になることである。光ファイバ中のFWMによりアイドラ光を効率よく発生させるためには、信号光とポンプ光の偏光状態が一致している(差が無い)方が良いことが知られている。また信号光とポンプ光の偏光状態が異なる場合、特に直交している場合はアイドラ光の発生効率が0になる事も知られている。しかし信号光とポンプ光の偏光状態を一致させることは次の理由から困難である。光ファイバに信号光とポンプ光を入射する際に注意深く両光の偏光状態を揃えても、光ファイバに偏波保持光ファイバ(PMF: Polarization maintaining Fiber )を使用し、それに偏光の主軸に沿った直線偏光を入射しない限り、入射した各々の光の位相は伝搬するうちに変化する。一般的に光ファイバにはPMD、即ち複屈折が存在するため光の偏光状態は保存されない。また、複屈折は小さく且つ長手方向にわたって非一様に分布しているため偏光を保持するような主軸は存在しない。主偏光状態(Principal State of Polarization )のように一般化された固有偏光状態を選んだとしても、複屈折の大きさ自体が小さくて温度的に不安定であるため安定した動作は保証できない。光の位相が変化するということは一般には、伝搬時や出射時の偏光状態が入射時と異なることを意味する。信号光とポンプ光の間の波長差をΔλとすると、長さLの光ファイバを伝搬するうちに生じる位相差(偏光状態の差を示す指標)Δφは出射時には次のようになる。
【0008】
ここで、Δnは光ファイバ中で光に作用する複屈折、即ち等価屈折率、λp はポンプ光の波長である。
【0009】
前記式(3)から分かるように、位相差Δφは波長差Δλと光ファイバ長Lに比例して大きくなる。従って波長差Δλを広くしようとすればするほど偏光の変化の影響を受け易くなり、伝搬中の光の位相変化を回避することは困難である。
この問題を解決するためにPMFの高非線形光ファイバを用いたり、光ファイバ長Lを極端に短くして前記式(3)のLの寄与を小さくすることでポンプ光と信号光の間の位相差を小さくすることが試みられているのが実情である。
【0010】
第3の要因は、ポンプ光の波長と零分散波長を厳密に一致させることができないことである。変換帯域が無限になるのはあくまでもポンプ光の波長を光ファイバの零分散波長に完全一致させた場合であり、僅かでもずれた場合は無限大の変換帯域は実現されない。しかし、ポンプ光の波長を光ファイバの零分散波長に完全一致させることは殆ど不可能である。
【0011】
第4の要因は、前記第3の要因により生じる伝搬定数の4次微分の効果(分散の高次の効果)がある。一般的にDFWMを有効に引き起こす際には光の周波数と伝搬定数βの両方において下記の位相整合条件が満たされる必要がある。
ここでωは角周波数を表し、周波数fとはω=2πfの関係がある。
【0012】
一般に、光ファイバ中のDFWMを考える場合は周波数の位相整合と伝搬定数の位相整合の両立を考える必要がある。この場合、周波数の位相整合は容易に成り立つため伝搬定数の位相整合を合わせるために努力が払われる。DFWMによる広帯域波長変換を考える際には、ポンプ光周波数のまわりでテーラー展開をすることで、伝搬定数βの位相不整合Δβを以下のように表現する。
【0013】
【0014】
ここで、周波数の間隔Δωは次の通りである。
【0015】
この様に伝搬定数βの位相不整合Δβは、伝搬定数βの偶数次の微分項からなり、通常は伝搬定数βの2回微分の項が支配的になる。この項はポンプ光の波長における波長分散を表す。このため、ポンプ光の波長とファイバの零分散波長を一致させる事でDFWMを効率よく発生できる。またポンプ光と信号光の偏光が一致すれば波長変換の帯域は理論的に無限に広くなる。しかし、前記3の要因として記載したように、実際にはポンプ光の波長を光ファイバの零分散波長に完全に一致させることは不可能であり、ポンプ光波長が僅かに零分散波長からずれただけで帯域は制限される。このときは前記式(4)におけるm=2、即ち4次の微分の効果が帯域の劣化に寄与することも考えられる。
【0016】
波長変換の帯域を制限する第5の要因として考えられるのは、コヒーレント長の概念である。即ち、信号光とポンプ光の間のコヒーレンスが失われることによる帯域の劣化である。一般に光ファイバ中で有効なDFWMを引き起こすためには次式(8)で定義されるコヒーレント長よりも光ファイバ長Lを短くする必要がある。
【0017】
【0018】
前記関係と、前記式(6)から最も支配的な2次の項のみを取り出した関係式より、次式(9)の関係が得られ、この関係式により波長変換の帯域は制限される。
【0019】
【0020】
前記5つの要因により広帯域波長変換は制限される。図1に高非線形分散シフト光ファイバを用いて実際に波長変換の実験を行った結果と、同光ファイバのパラメータを用いて数値計算を行った結果をグラフで示す。実験結果を図1に●点線(a)で示し、数値計算の結果(理論値)を図1に実線(b)で示した。図1の縦軸は変換効率を示し、横軸は波長変換光の波長(λc )とポンプ光の波長(λp )との差(λc −λp )を示す。実験ではポンプ光波長を光ファイバの零分散波長に合わせた。最大変換効率は−14.8dBあり、3dB帯域は22.7nmである。数値計算は直線偏光だけを考えて、非線形分極をスカラー量と見なすことで得られるDFWMの基礎方程式を数値的に積分する事で行った。この様にスカラー方程式は信号光とポンプ光の間の偏光状態の食い違いが理論の中に含まれていない。この事は二つの光の偏光状態が常に一致している事を意味する。この場合、スカラー方程式の解はポンプ光を零分散波長に立てた際には、変換効率は平坦でかつ無限の帯域を有するはずであり、図1のグラフの実線(b)は横軸に平行となっている。しかし、図1のグラフ(a)から明らかな様に実際の実験結果はそのようにはならない。即ち、変換効率の波長帯域は有限幅に収まり、帯域を増すに連れて変換効率は劣化している。これは、前記5つの帯域劣化の要因のいずれか1つ若しくは複数の組み合わせに起因すると考えられる。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本件発明者らは前記課題を解決し、変換波長帯域を広げると共に広帯域にわたって平坦化するために、光パラメトリック増幅に着目した。DFWMによる光パラメトリック増幅を行った際の変換効率の計算結果を図2に示す。図2の縦軸は変換効率を示し、横軸は波長変換光の波長(λc )とポンプ光の波長(λp )との差(λc −λp )を示す。図2は典型的な例であり、この図より変換効率の波長依存性に次の性質が見られる。▲1▼ポンプ光と信号光の波長間隔が広がるに連れて対応するアイドラ光の変換効率は次第に大きくなっていく。▲2▼一度、ポンプ光と信号光の波長間隔がある値をとるところで変換効率が最大になると、それ以後は波長間隔を拡げても急速に変換効率は小さくなっていく。▲3▼変換効率が最大になる帯域までは帯域が増加するに連れて変換光の利得がなだらかに増加する。この▲3▼の特性は図1(a)に示した実験結果(高非線形分散シフト光ファイバを用いた波長変換の実験結果)とは逆の特性を示している。本件発明者らは光ファイバ型波長変換装置において、前記5つの要因によって生ずる波長変換帯域の制限(劣化)を、光パラメトリック増幅の前記▲3▼の特性で補正することにより、広帯域にわたって平坦に変換可能ではないかと予想した。
【0022】
そこで本件発明者らは実験を行ってこれを確認した。その実験結果を図3に示す。図3の縦軸は変換効率を示し、横軸は波長変換光の波長(λc )とポンプ光の波長(λp )との差(λc −λp )を示す。図3にグラフで示す実験結果は、図1に示した実験で用いたのとは異なる光ファイバを用い、ポンプ光強度を一定にし、ポンプ光波長を変えて波長変換を行った場合の結果である。図3の○点線(a)はポンプ光波長を光ファイバの零分散波長に一致させて測定した変換効率を示し、●点線(b)はポンプ光波長を最も変換効率が平坦になるように異常分散側に少しづつずらしながら測定した変換効率を示す。図3のグラフから、予想通り、前記5つの要因により生ずる波長変換帯域の制限(劣化)が、光パラメトリック増幅により補正されていることが確認された。この実験ではポンプ光波長を図3に示す以上に異常分散側にシフトさせると、光パラメトリック増幅の効果が強くなり波長平坦性は失われることが確認された。
【0023】
本件発明者らはさらに研究を進めて、光パラメトリック増幅によりポンプ光の波長を光ファイバの異常分散領域に設置することで、光パラメトリック増幅時の変換効率の特性とこれまでに述べた帯域制限の特性とを相殺させることができ、しかも従来のポンプ光の波長を零分散波長に一致させてDFWMを引き起こす波長変換方法よりも広い変換帯域を持った光ファイバ型波長変換方法(本件発明)を開発するに至った。
【0024】
図4に長さ100mの高非線形光ファイバを用いた実験結果を示す。図4の縦軸は変換効率を示し、横軸は波長変換光の波長(λc )とポンプ光の波長(λp )との差(λc −λp )を示す。実験に用いた高非線形光ファイバの零分散波長は1564.2nmである。また、ポンプ光の平均強度は24.1dBm(257 mW)である。ポンプ光は誘導ブリユアン散乱の影響を回避するために、位相変調及び強度変調を行っている。図4において○点で示した結果はポンプ光波長と光ファイバの零分散波長を一致させた場合の結果である。この場合は既に述べた原因により帯域を広げていくに連れて、即ちλc ―λp の値が大きくなるに連れて変換効率が下がっていく。図4において×点で示されるのはλc ―λp =30nmにおいて最も変換効率が大きくなるようにポンプ光波長を異常分散領域に設定した結果である。この際のポンプ光波長は1565.2nmであった。明らかに×点で示された場合の方が○点で示される場合よりもλc ―λp の値が大きい領域で大きな変換効率を得られる。しかし、変換効率の波長依存性は同程度に大きい。これはパラメトリック増幅の効果が出過ぎたためである。そこで、波長平坦性を考慮するためにλc ―λp =40nmにおいて最も変換効率が大きくなるようにポンプ光波長を選択した。この際のポンプ光波長は1564.9nmであった。このポンプ光波長の下で行った実験結果を図4のグラフに●点で示す。明らかに○点や×点で示される実験結果に比べて広帯域で平坦性の良い結果が得られた。以上の実験結果から、ほどよくパラメトリック増幅を引き起こすことによって帯域を平坦化できることが確認できる。また、図4に示す点線a及び実線bは前記夫々の実験結果を3次の多項式でフィッティングしたものであり、このフィッティング曲線から判断するに30nmの帯域で0.5 dBの変化しかない。
【0025】
次に本件発明の原理を説明する。光パラメトリック増幅を引き起こすためには異常分散領域にポンプ光の波長を立て、且つポンプ光強度を所定のしきい値以上にする必要があり、この場合に高効率の波長変換が実現される。特に信号光波長とポンプ光波長の間に所定の位相整合条件が満たされている場合は変換効率が最大になる。通常のDFWMでの位相整合条件は、
【0026】
である。
これは光パラメトリック増幅を考える過程では次式(11)に置き換わる。
【0027】
ここでc は真空中の光速度、D は波長分散係数の値、Δfは信号光の周波数とポンプ光の周波数との差である。γは非線形係数(nonlinear coefficient) である。また、DFWMでの変換効率GC は次式(12)のようになる。
【0028】
ここでgはパラメトリック利得であり、それは次式(13)のようになる。
【0029】
前記の式(12)と式(13)から、gが実数の場合に変換効率は指数関数的に増加する。このためパラメトリック利得を得るには、次式(14)でなくてはならない。
【0030】
かつ
【0031】
式(14)はパラメトリック増幅を引き起こすためには、ポンプ光波長における波長分散が異常分散領域にあることと、ポンプ光強度が次式(15)でなければならないことを意味している。
【0032】
【0033】
式(15)の右辺はポンプ光強度のしきい値と呼ばれる。式(13)より式(11)の位相整合条件を満たす場合に変換効率Gcが最大になる事が分かる。
【0034】
以上より、光パラメトリック増幅を引き起こすためには、異常分散領域にポンプ光を立て、式(13)を満足する強度のポンプ光強度にする必要がある。この場合に高効率の波長変換が実現される。特に、信号光波長とポンプ光波長の間に式(11)の実効的な位相整合条件が満たされている場合に波長変換効率が最大になる。これら理論に基づいて、パラメトリック増幅が前記の帯域劣化を補償できることを以下に説明する。
【0035】
所定のしきい値以上の強度を有するポンプ光波長を、零分散波長から長波長側(異常分散側)に少しずつずらしながら、波長変換による変換効率の計算を行った結果を図5に示す。図5の縦軸は変換効率を示し、横軸は波長変換光の波長(λc)とポンプ光の波長(λp)との差(λc−λp)を示す。また、この計算においては光ファイバの零分散波長を1559.3nmとし、分散スロープを0.07ps/nm2/km としたため、零分散領域よりも長波長側が異常分散領域になる。ポンプ光強度Ppは27dBに固定した。図5のグラフより変換効率の波長依存性は次のようになっている。異常分散領域で光ファイバの零分散波長よりも長波長側にポンプ光を立てた場合は、λc−λp=0近傍における変換効率の波長依存性は、λpの値を長波長側にずらすほど傾きが大きくなる。また、このλc−λp=0近傍の傾きは常にλc の値が大きくなるに連れて増加した後に減少する。図5で右肩上がりになる。この右肩上がりの分が図1に示したPMD(光ファイバの有する偏波モード分散)の影響や、ポンプ光波長を正常分散側に設定したために生じる右肩下がりの部分と互いに相殺し合うようにすれば、広い帯域にわたって波長平坦性を備えた光ファイバ型波長変換方法を実現することが可能になる。
【0036】
次に、光パラメトリック増幅におけるポンプ光強度の役割を考える。前記の式(12)と式(13)に示される様に、図5に示した変換効率の利得はポンプ光パワーにも依存する。この事を確認するために図5に示す計算で用いた光ファイバのパラメータをそのまま使い、ポンプ光波長を1565.0nmに固定してポンプ光強度を変えながら計算を行った。その結果を図6に示す。図6の縦軸は変換効率を示し、横軸は波長変換光の波長(λc )とポンプ光の波長(λp )との差を示す。
【0037】
図6に示すグラフより、ポンプ光強度が小さい場合、例えばポンプ光強度が17dBmの場合と20dBmの場合の様に、変換効率の波長依存性はポンプ光強度とともに相似形で上にシフトする。しかし、ポンプ光強度が十分大きくなるとパラメトリック増幅が起きて、図5の右肩上がりの特性になる。従って、例えば光ファイバが先に与えられた場合、変換効率の大きさに依らずに波長平坦性だけを追求したければ、この様にポンプ光強度を変えることで最適な設定を決定することができる。ただし、この際もポンプ光の波長は光ファイバの異常分散領域になくてはならない。尚、縮退四光波混合がポンプ光を中心にして、信号光とアイドラ光の対称性を有するのでλc <λp では図6のグラフは左肩上がりになる。これら原理に基づく本件出願の請求項1から請求項7記載の発明は次の通りである。
【0038】
請求項1記載の光ファイバ型波長変換方法は、ポンプ光源と、光カプラと、波長変換用光ファイバを備え、信号光とポンプ光源からのポンプ光が合波されて前記波長変換ファイバに入射されると、その波長変換ファイバにおいて縮退四光波混合(DFWM)より波長変換される光ファイバ型波長変換方法であって、前記ポンプ光波長を前記波長変換用ファイバの異常分散領域に固定し、且つポンプ光強度Ppを、Δβが伝搬定数βの位相不整合、γが非線形定数であるときに、
で表わされる前記波長変換可能なしきい値以上にして、ポンプ光と信号光の波長間隔が広がるに連れてアイドラ光の変換効率が次第に大きくなるようにDFWMによるパラメトリック増幅を発生させることにより、前記ポンプ光と信号光の波長間隔が広がるにつれて低下する前記DFWMによる波長変換で発生するアイドラ光の変換効率を補正して、DFWMによる波長変換効率を平坦化したものである。
【0039】
請求項2記載の光ファイバ型波長変換方法は、請求項1記載の光ファイバ型波長変換方法において、ポンプ光が位相変調及び強度変調されたものである。
【0043】
請求項3記載の光ファイバ型波長変換方法は、請求項1又は請求項2記載の光ファイバ型波長変換方法において、DFWMの媒質である波長変換用光ファイバの長さを200mよりも短くしたものでる。
【0050】
【発明の実施の形態】
本発明の光ファイバ型長変換方法は、図7に示す様に入射された信号光と、ポンプ光源1から出力されるポンプ光とが光カプラ2により合波されて、波長変換用光ファイバ3に送り込まれ、その光ファイバ3内でDFWMを引き起こして波長変換光を生成する。波長変換用光ファイバ3の出射端にある光フィルタ4は変換光のみを取り出し、出射端から波長変換された光が出るようにしてある。
【0051】
図7のポンプ光源1から出力されるポンプ光の強度を27dBm(500 mW)とし、システム設計上、信号光と波長変換光に関して帯域が1530nmから1560nmであるC-band と呼ばれる帯域のWDM信号光を一括して波長帯域1570nmから1561mの範囲のWDM信号に変換することを考える。この制限により前記式(2)または式(4)よりポンプ光波長は1565nmにある事が要求される。本発明記載の光パラメトリック増幅を用いた波長変換を考える。ポンプ光強度が27dBmであるとき、波長変換用光ファイバ3の零分散波長よりも2nm長波長側にポンプ光を立てた場合にポンプ光が異常分散領域にあり、しかもパラメトリック増幅の特性が同光ファイバ3の帯域劣化の原因と上手く相殺し合って帯域を拡大することが実験的または理論的に分かっているものとする。この特性はその他の光ファイバのパラメータである分散スロープ、非線形屈折率、有効コア断面積、ファイバ長にも依存する。このとき、上記の波長変換の要望に合わせて帯域を拡大することを実験的または理論的に調べた波長変換用光ファイバ3と同じ分散スロープ、非線形屈折率、有効コア断面積を有して零分散波長が1563nmにある波長変換用光ファイバを設計・製造し、製造された波長変換用光ファイバに対して同じく27dBmの強度で波長1565nmのポンプ光を用いることで、所望の広帯域一括波長変換が実現される。
【0052】
ここで、零分散波長が1563nmにあり、ポンプ光強度が27dBmのときに、零分散波長よりも2nm離れた波長1565nmにポンプ光を設定すれば、ポンプ光波長は波長変換用光ファイバ3の異常分散領域にあり、しかもパラメトリック増幅の特性が同光ファイバ3の帯域劣化の原因と上手く相殺し合って帯域を拡大することが実験的または理論的に分かっているものとする。このとき、上記の波長変換用光ファイバ3の特性に合わせて波長1565nmで発振してピークパワーが2dBmのポンプ光源1を設計・製造することにより、広帯域一括波長変換を実現できる。
【0053】
今、零分散波長が1563nmにあり、ポンプ光強度が27dBmのときに、零分散波長よりも4nm離れた波長1567nmにポンプ光を設定すれば、ポンプ光波長は波長変換用光ファイバ3の異常分散領域にあり、しかもパラメトリック増幅の特性がファイバの帯域劣化の原因と上手く相殺し合って帯域を拡大することが実験的または理論的に分かっているものとする。このとき、上記光ファイバ3の特性に合わせて波長1567nmで発振してピークパワーが27dBmの光源を設計・製造してポンプ光源1とすることで、広帯域一括波長変換を実現できる。しかし、波長1565nmで発振するポンプ光源しか用意できなかったとする。すでに図6の説明で述べたが、ポンプ光が異常分散領域にさえあれば、ポンプ光強度を調整することにより波長平坦性を実現可能な強度に最適化することができる。変換効率の絶対値は波長1567nmで発振して、ピークパワーが27dBmのポンプ光源を用いた場合とは異なるが、波長1565nmのポンプ光源でも広い帯域で波長依存性のない広帯域波長変換が可能である。この様にしてポンプ光源の強度調整で広帯域一括波長変換を実現することができる。
【0054】
この実施形態において、然るべき波長変換用光ファイバが与えられたときに、広帯域波長変換を実現するためのポンプ光波長の決定方法の実施例を示す。ポンプ光を一定の強度にして、ポンプ光波長を光ファイバの零分散波長から異常分散側に変化させていく。このとき、ポンプ光波長の設定を変える度に図3に示すように波長変換の帯域特性を測定していく。このようにして最も所望の帯域特性に相応しいポンプ光波長を決定する。
【0055】
この実施形態において、然るべき波長変換用光ファイバが与えられたときに、広帯域波長変換を実現するためのポンプ光波長の決定方法の他の実施例を示す。
信号光波長の値を所望する変換帯域と同じだけポンプ光からずらして、その間隔を常に一定にするように注意を払いながらポンプ光波長を少しずつ変えていき、変換効率の測定を行う。変換効率が最大になるところがポンプ光波長の最適値である。この実施形態を図8に示す。帯域40nmの波長変換を行う際に、信号光λs1とポンプ光λP1を波長間隔Δλ=40nmだけ離して、間隔を一定に保ったままでポンプ光の位置を少しずつ変えていく。このとき発生するアイドラ光の強度から変換効率を求める。前記実施形態で示したように、ポンプ光が光ファイバの異常分散領域にある場合はパラメトリック増幅を引き起こすので、ポンプ光強度とポンプ光波長に依存して変換効率の特性が変化する。この様に、変換効率を支配するパラメータが二つあると最適な条件を決定する事が困難になる。このため、ポンプ光強度を一定に保ったままで上記操作を行い、ポンプ光波長だけを変えることで最適化を行なうことができる。
【0056】
既に、図5に示したように、パラメトリック増幅が生じた場合は、前記5つの要因による帯域劣化を無視することができる。その場合は信号光とポンプ光の間隔が広がるに連れて変換効率は徐々に増加していき、信号光とポンプ光の間隔がある値になった時に最大値となる。最大値となる帯域を越えて更に帯域を拡げると急速に変換効率は劣化する。この様になると前記▲1▼〜▲5▼の5つの要因のうち▲1▼〜▲4▼の4つの要因による帯域劣化を補正できなくなる。従って、必要な帯域で変換効率の平坦化を行うときは、その帯域間隔で信号光とポンプ光の間隔を固定して、最も変換効率が大きくなるポンプ光波長を探すことで、一括広帯域波長変換に対するポンプ光波長の位置を決定することができる。この方法を用い、信号光とポンプ光を波長間隔Δλ=20nm、ポンプ光強度20dBmとして実際に実験を行って得られた結果を図9に示す。図9の縦軸は変換効率を示し、横軸はポンプ光の波長を示す。
【0057】
波長変換用光ファイバの長さが長い場合には、前記5つの要因による帯域劣化により帯域が制限される。特に長尺の波長変換用光ファイバを用いた場合は前記▲1▼〜▲5▼の5つの要因による劣化の改善効果が非常に大きい。更に、長尺の波長変換用光ファイバでは誘導ブリユアン散乱(SBS: Stimulated Brillouin Scattering)の影響が避けられないため、光パラメトリック増幅を発生させるのに十分なポンプ光強度を光ファイバ内に入力させることはできない。図10に図3の実験に用いた光ファイバと同じ母材から作成された長さ24.5Kmの光ファイバにおけるSBSしきい値の測定結果を示す。図10の縦軸は測定光強度(dBm)を示し、横軸は入射光強度(dBm)を示す。SBSしきい値は7.6 dBmであり、図10の透過光の結果から9dBm近傍ですでに入射光強度は制限されている。これでは光パラメトリック増幅に必要な光パワーを光ファイバに入射することは不可能である。
【0058】
次に、図11にコヒーレント長の理論的な評価結果の計算例を示す。計算においては以下に示すように図10の実験を行った光ファイバのパラメータを用いた。即ち、零分散波長1564.0nm、分散スロープ0.03ps/nm2/km 、損失0.61dB/Km、非線形係数15.17 W-1Km-1である。ポンプ光波長を1566,3nmの異常分散領域に設置し、てポンプ光強度を27.1dBmにした場合、位相整合条件は前記式(11)になるので、コヒーレント長(Lcoh )もそれに対応して前記式(8)から次式(16)の様になる。
図11はこの結果を示したものである。図11の横軸はコヒーレント長を示し、横軸は信号光の波長(λs )とポンプ光の波長(λp )との差(λs −λp )を示す。
【0059】
ファイバ長がコヒーレント長よりも短くなくては有効なDFWMは生じないことが知られている。経験的にはファイバ長が200 m以上であれば、30nm以上離れた信号光とポンプ光の波長間隔では有効なDFWMは生じない。C-band の帯域が30nmであるため、パラメトリック増幅を利用した30nm以上の広帯域波長変換を実現するためにはファイバ長は200 m以下でなくてはならない。長さが短くなればSBSのしきい値も大きくなるのでその影響も回避できる。そのため長さ200 nm以下の短尺光ファイバを用いて波長変換を実現するのが望ましい。同様の議論から帯域が40nmの場合には約100 m以下の光ファイバを用いればよく、更に大きな帯域の場合も上記議論が適用できる。
【0060】
本発明で使用する波長変換用光ファイバとしては、前記光ファイバ型広帯域波長変換方法において、ポンプ光波長が波長変換用光ファイバの異常分散領域に設定され、且つポンプ光強度が所定のしきい値以上に設定されたときに、縮退四光波混合(DFWM)により広帯域で平坦化できる波長変換可能なものを使用する。
【0061】
【発明の効果】
本発明の光ファイバ型波長変換方法は、ポンプ光波長を零分散波長よりも長波長側にシフトすることにより、PMDによる変換効率の劣化をパラメトリック増幅で相殺するようにして、ポンプ光と波長変換光の間隔が広がっても変換効率が劣化せず、波長平坦性が十分な広帯域波長変換(装置)を実現することができる。この様な光波長変換方法では波長変換を利用した全光操作によるスイッチングにおいて、光信号の変換先の波長範囲を拡大できることになり、将来の波長多重伝送ネットワークに有用なものになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 光ファイバ中の波長変換実験結果を示す図。
【図2】 光ファイバ中のパラメトリック増幅による波長変換数値計算結果を示す図。
【図3】 波長変換実験結果を示す図。
【図4】 縮退四光波混合による波長変換特性と光パラメトリック増幅の効果とを相殺されば広帯域で十分に平坦化された波長変換が可能であることを確認するために行った実験結果を示す図。
【図5】 変換効率の波長特性を示すものであり、ポンプ光の波長を零分散波長から少しずつずらしながら計算を行った結果を示す図。
【図6】 変換効率のポンプ光強度特性を示すものであり、ポンプ光の強度を20dBmから少しずつずらしながら計算を行った結果を示す図。
【図7】 本発明の光ファイバ型広帯域長変換方法の一例を示す構成図。
【図8】 最適なポンプ光波長を決定する方法を示す説明図。
【図9】 ポンプ光の強度を20dBmの場合の最適ポンプ光波長を決定するために行った実験結果を示す図。
【図10】 波長変換用光ファイバ(24.5km)のSBSしきい値測定結果を示す図。
【図11】 DFWMにおける信号光とポンプ光の差とコヒーレント長の関係についての計算結果を示す図。
【符号の説明】
1 ポンプ光源
2 光カプラ
3 波長変換用光ファイバ
4 光フィルタ
Claims (3)
- ポンプ光源と、光カプラと、波長変換用光ファイバを備え、信号光とポンプ光源からのポンプ光が合波されて前記波長変換ファイバに入射されると、その波長変換ファイバにおいて縮退四光波混合(DFWM)より波長変換される光ファイバ型波長変換方法であって、
前記ポンプ光波長を前記波長変換用ファイバの異常分散領域に固定し、且つポンプ光強度Ppを、Δβが伝搬定数βの位相不整合、γが非線形定数であるときに、
で表わされる前記波長変換可能なしきい値以上にして、ポンプ光と信号光の波長間隔が広がるに連れてアイドラ光の変換効率が次第に大きくなるようにDFWMによるパラメトリック増幅を発生させることにより、前記ポンプ光と信号光の波長間隔が広がるにつれて低下する前記DFWMによる波長変換で発生するアイドラ光の変換効率を補正して、DFWMによる波長変換効率を平坦化することを特徴とする光ファイバ型波長変換方法。 - ポンプ光は、位相変調及び強度変調を行うことを特徴とする、請求項1に記載の光ファイバ型波長変換方法。
- 請求項1又は請求項2記載の光ファイバ型波長変換方法において、DFWMの媒質である波長変換用光ファイバの長さが200mよりも短いことを特徴とする光ファイバ型波長変換方法。
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