JP4699422B2 - 光信号発生器および光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、時間とともに波長が変化する光信号を出力する光信号発生器、および、この光信号発生器を利用してデータを並列伝送する光通信システムに関する。

複数波長の変調光信号を伝送する光通信システムにおいて、光送信部で広帯域なパルス光源を用いる方法が提案されている（非特許文献１参照）。

一例として、図１２、図１３に、パルス光源を利用した従来の並列伝送の光通信システムを示す。図１２は、従来の並列伝送の光通信システムの光送信部の構成例と、構成例の９ａ，９ｃ,９ｄにおける信号と、分散媒質の遅延特性を示している。光送信部においては、パルス光源９１で、所定の繰り返し周波数のパルス光信号（９ａ）を発生させ、９ｂに示す遅延特性を有する分散媒質９２に入力することで、上述の繰り返し周波数で波長が変化する波長掃引光信号（９ｃ）を発生させる。この波長掃引光信号は、光変調器９３を用いて各波長チャネルのデータを時間軸で多重した（ＴＤＭ）ベースバンド信号で変調され、複数波長光信号（９ｄ）とされた後、光受信部に送信される。

ここで、光変調器９３の入力光信号は、９ｃに示すように、時間に応じて波長軸に拡がりを有するため、上述のようにＴＤＭベースバンド信号により変調することで、波長フィルタや複数の光変調器を用いることなく単一の光変調器で、各波長チャネルがそれぞれ対応したデータで変調された複数波長光信号（９ｄ）を生成することができる。

図１３は、従来の並列伝送の光通信システムの光受信部の構成例と、構成例の９ｄ，９ｅにおける信号を示している。光受信部においては、受信した複数波長光信号（９ｄ）を波長分離フィルタ９４により各波長チャネルの光信号（９ｅ）に分割して、受光素子アレイ９５のそれぞれ受光素子で検波する。受光素子の出力は、必要に応じてパラレル／シリアル変換することで、光送信部から送信されたベースバンド信号を再生することができる。

このように、送信データを複数波長を用いて並列伝送する光通信システムにおいて、光送信部で波長チャネル数に対応した多数の光源、光変調器を用いることなく、単一の光源、光変調器により複数チャネルの光信号を一括して発生させることが可能である。この構成においては、波長チャネル数を増大させてシステムの総伝送レートを増大させる際に、パルス光源と光変調器の広帯域化が必要ではあるが、光送信部を構成する部品点数は変わらないため拡張性に優れる。

上述のように、送信データを複数波長チャネルに分割して並列伝送する光通信システムの例を示したが、波長に応じてユーザ多重／サービス多重するＷＤＭ光通信システムに適用しても、同様の効果が得られる。
M.C.NuSS,W.H.Knox and U.koren,"Scalable 32 channel chirped-pulse WDM source,"Electronics Letters,vol.32,No.14,pp.1311-1312,(1996) A.Shimura,Y.Sugawara,S.Haruyama,M.Nakagawa,H.Suzuki,A.Kondo,T.Ishigure and Y.Koike,"Train Communication System using Graded-Index Leaky Plastic Optical Fiber",2004IEEE International Conference on Industrial Technology(ICIT),pp.78-83,(2004)

上述した光通信システムにおいて、総伝送レートを向上させるには、繰り返し周波数が高く、かつ波長範囲が広いパルス光源を用いる必要がある。しかし、例えば１０ｎｍ程度の波長帯域を確保するためには、パルス幅が１００ｆｓ程度のフェムト秒パルスを発生させる必要があり、構成が非常に複雑で高価になる。

また、図１６に示すような外部共振器型の波長可変光源において、グレーティング素子の角度を機械的に制御することで、図１２の９ｃに示すような波長スイープ光信号を発生させることができる。図１６に示す構成では、１０ｎｍ以上の波長範囲を確保できるが、繰り返し周波数が機械的特性で制限されるため、伝送レートの高速化が困難である。

一方、図１４、図１５に示すような簡素な構成でも、図１２の９ｃに示すような波長がスイープした光信号を発生させることが可能である。図１４に示す構成では、レーザに入力する駆動電流により出力波長を制御する直接周波数変調動作を用いており、駆動電流としてランプ波状の信号を入力することで、繰り返し周波数がＧＨｚオーダーの高速波長スイープ光信号を得られる。また、図１５に示すように、レーザ出力に接続された位相変調器にパラボラ波状の信号で電圧印加しても同様の波長スイープ光信号を得られる。しかし、これらの方法では、変化させられる周波数範囲は数ＧＨｚ〜数１０ＧＨｚであるため、例えば通信用波長として用いられることが多い１．５μｍ帯では、波長スイープ範囲が１ｎｍ以下であり、波長チャネル数が制限される。

本発明は、このような背景に行われたものであって、簡易な構成で、高い繰り返し周波数で広帯域な波長スイープ光信号の発生が可能な光信号発生器、ならびに本光信号発生器を用いてデータを並列伝送する光通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、広い波長帯域を有する光信号を出力する光信号発生器であって、所定の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに増大させる、正の波長掃引を行う第１の波長掃引型光源と、前記繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに減少させる、負の波長掃引を行う第２の波長掃引型光源と、前記第１および第２の波長掃引型光源の出力光信号を、偏波面を同一に調整した状態で合波する光合波器と、前記光合波器の出力光信号に対して非線形作用を及ぼす媒質と、前記媒質の出力光信号のうち所定の波長帯域の光信号を抽出する波長フィルタと、を備え、前記第１および第２の波長掃引型光源の波長掃引範囲を逓倍した光信号を出力することを特徴とする。
第１の発明によれば、非線形過程により、第１および第２の波長掃引型光源の出力光信号の波長掃引範囲を逓倍できるため、単一の光源の性能に制限されず、広い波長帯域を有する光信号を発生させることができる。また、第１および第２の波長掃引型光源に、図１４、図１５に示すような高速な波長掃引が可能な構成を用いることで、高速性と広帯域性を兼ね備える波長スイープ光信号を発生させることが可能である。

第２の発明は、第１の発明の光信号発生器において、第１および第２の波長掃引型光源が、掃引する波長範囲と周期のいずれか一方もしくは両方について、一定の値に固定せず、動的に所望の値に設定できることを特徴とする。
第２の発明によれば、第１の発明と同様、基となる波長掃引光信号の波長掃引範囲を逓倍できるが、さらに、生成される波長掃引光信号の波長掃引範囲と周期について、一定の値ではなく、動的に変化させることが可能である。これにより、例えば、周期毎に波長掃引範囲が変化するような波長掃引光信号や、周期が不規則に変化する波長掃引光信号を発生させることができる。

第３の発明は、光送信部から、ベースバンド信号で変調された複数波長の変調光信号を出力し、光伝送路を介して光受信部に送信し、光受信部において前記変調光信号を受信し、前記ベースバンド信号を復調する光通信システムであって、光送信部が、第１または第２の発明の光信号発生器と、該光信号発生器の出力光信号をベースバンド信号で変調する光変調器を備え、光受信部が、前記光送信部から受信した光信号を各チャネルの波長毎に分離する波長分離フィルタと、該波長分離フィルタの各出力を並列受信する受光素子アレイを備えることを特徴とする。
第３の発明によれば、第１および第２の発明の光信号発生器を用いて光通信システムを構成し、光送信部の光部品点数が少ないため、波長チャネル数を増大して光通信システムを大容量化する際のスケーラビリティに優れる。また、光信号発生器から高い繰り返し周波数で、かつ広い波長範囲の波長掃引光信号が得られるため、伝送レートの高速化が容易に実現できる。

第４の発明は、光送信部から、ベースバンド信号で変調された複数波長の変調光信号を出力し、光伝送路を介して光受信部に送信し、光受信部において前記変調光信号を受信し、前記ベースバンド信号を復調する光通信システムであって、１つの光送信部と複数の光受信部を備え、前記光送信部が、第１または第２の発明の光信号発生器と、該光信号発生器の出力光信号をベースバンド信号で変調する光変調器を備え、前記光受信部が、前記光送信部から受信した光信号を各チャネルの波長毎に分離する波長分離フィルタと、該波長分離フィルタの各出力を並列受信する受光素子アレイを備え、前記光伝送路中において、前記光送信部から送信された複数波長光信号を、所定の波長間隔で分離し、複数の光受信部にそれぞれ入力する波長分離光分波器を備えることを特徴とする。
第４の発明によれば、第１および第２の発明の光信号発生器を用いて、複数の波長チャネルにそれぞれ異なるユーザを割り当て、ＷＤＭによりユーザ多重する光通信システムを実現でき、第３の発明と同様に、拡張性、高速性に優れる。

第５の発明は、第３または第４の発明の光通信システムにおいて、前記光伝送路が、空間伝搬路または漏洩光伝送路であることを特徴とする。
第５の発明によれば、有線の光導波路媒体を用いて光送信部と光受信部を接続する必要がなく、通信機器の設置の柔軟性に優れる。

以上説明したように、本発明の光信号発生器は、２波の波長スイープ光信号の非線形過程により、基となる光信号のスイープ光周波数範囲を逓倍できるため、単一の光源の波長範囲に制限されずに、広い波長範囲を確保することができる。さらに、上述の基となる光信号を発生させる光源として、直接変調型レーザのように高い繰り返し周波数で出力波長をスイープできる光源を用いることで、高速性と広帯域性を兼ね備える波長スイープ光信号を発生させることが可能である。

また、この光信号発生器を基に、ベースバンド信号で変調された多波長の光信号を発生させ、波長多重（ＷＤＭ）伝送することで、拡張性に優れた並列伝送光通信システムを提供することが可能である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（光信号発生器の第１の実施形態）
図１は、本発明の光信号発生器の第１の実施形態に係る構成例と、構成例の１ａ，１ｂ,１ｃ，１ｄ、１ｅにおける信号を示している。光信号発生器は、所定の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに増大させる、正の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）１１と、上述の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに減少させる、負の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）１２と、スイープ光源１１およびスイープ光源１２の出力光信号を、偏波面を同一に調整した状態で合波する光合波器１３と、光合波器１３の出力光信号に対して非線形作用を及ぼす非線形媒質１４と、非線形媒質１４の出力光信号のうち所定の波長帯域の光信号を抽出する波長フィルタ１５を備える。

第１の実施形態では、図１の１ａ，１ｂに示すような所定の周期で出力光信号の波長が掃引する２つのスイープ光源１１，１２が設置される。それぞれの出力光信号（１ａ，１ｂ）は、波長が逆方向に掃引されている。これらの光信号の偏波面を一致させた状態で、光合波器１３で合波し、合波した出力光信号（１ｃ）を、必要に応じて光増幅器を用いて十分なパワーを確保した後、非線形媒質１４に入力する。
この非線形媒質内における非線形過程により、１ｄに示すように、入力光信号の近傍に高次の成分（３次，５次，・・・）が発生するが、これらの光信号のうち所望の波長帯域を波長フィルタ１５で抽出することで、光信号（１ｅ）を得る。

ここで、上記の波長スイープ範囲の逓倍の過程について、数式で示す。
まず、２つのスイープ光源の出力光信号を、時刻ｔについて、０≦ｔ≦Ｔ（Ｔ：繰り返し周期）の範囲でそれぞれ下記のように表す。

上式において、Ｅ_１ａ（ｔ），Ｅ_１ｂ（ｔ）はそれぞれ光信号（１ａ，１ｂ）の電界、ｆ_１ａ，ｆ_１ｂは時刻ｔ＝０における光信号（１ａ，１ｂ）の光周波数、ｆは光周波数の掃引範囲を表すこととする。

ここで、光周波数ｆ_１ａ，ｆ_１ｂの２波の光信号の非線形過程を想定した場合、３次の成分としては、

の光周波数を持つ成分が発生するが、上述の（１）（２）式で表される２波の光信号を非線形媒質１４に入力し、非線形媒質１４の後段の波長フィルタ１５を用いて、（３）式において、２ｆ_１−ｆ_２で表される光周波数の３次成分を抽出する場合、光信号（１ｅ）の電界は下記の式で表すことができる。

（４）式は、光信号（１ｅ）が時刻ｔ＝０において光周波数が２ｆ_１ａ−ｆ_２ｂであり、周期Ｔにおいて３ｆの光周波数が掃引されることを表しており、基の光信号（１ａ，１ｂ）における光周波数掃引範囲が３倍になっていることが分かる。

ここで、光信号（１ａ）の光周波数スイープ範囲ｆに対応する波長スイープ範囲をＢ（図１参照）とすると、基となる光信号（１ａ，１ｂ）において光周波数成分ｆ_１ａ，ｆ_２ｂに比べてスイープ範囲ｆが十分に小さければ、光信号（１ｂ）の波長スイープ範囲もＢと近似でき、さらに、波長フィルタ１５から出力される光信号（１ｅ）の波長スイープ範囲は３Ｂと近似できる。

以上説明したように、非線形過程で発生する３次成分を抽出することで、基の光信号の波長（光周波数）スイープ範囲を３倍に拡大できることを示した。同様に、より高次のｎ次成分を抽出することで、スイープ範囲はｎ倍に拡大できる。このように、本発明の光信号発生器では、波長スイープ範囲の逓倍を実現できるため、単一の光源の性能に制限されず、広い波長帯域を有する光信号を発生させることができる。

（光信号発生器の第２の実施形態）
図２は、本発明の光信号発生器の第２の実施形態に係る構成例と、構成例の２ａ，２ｂ,２ｃ，２ｄ、２ｅにおける信号を示している。光信号発生器は、所定の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに増大させる、正の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）２１と、上述の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに減少させる、負の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）２２と、スイープ光源２１およびスイープ光源２２の出力光信号を、偏波面を同一に調整した状態で合波する光合波器２３と、光合波器２３の出力光信号に対して非線形作用を及ぼす高調波発生媒質２４と、高調波発生媒質２４の出力光信号のうち所定の波長帯域の光信号を抽出する波長フィルタ２５を備える。
第２の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の構成であるが、非線形媒質として、基となる光信号（２ａ，２ｂ）の高調波成分を効率よく発生させるよう設計された高調波発生媒質２４を用いることが特徴である。

ここで、光周波数ｆ_１，ｆ_２の２波の光信号の非線形過程を想定した場合、２次の成分としては、ｆ_２−ｆ_１，２ｆ_２，ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_１の光周波数を持つ成分が発生し、４次の成分としては、ｆ_２−ｆ_１，２ｆ_２−２ｆ_１，３ｆ_１−ｆ_２，２ｆ_１，ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_２，３ｆ_２−ｆ_１，４ｆ_１，３ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_１＋２ｆ_２，３ｆ_２＋ｆ_１，４ｆ_２の光周波数を持つ成分が発生するが、このうち２次の高調波帯（２ｆ_１，２ｆ_２の近傍）に発生するのは下記の光周波数成分である。

まず、（５）式のＡ群に注目すると、基の光信号（２ａ，２ｂ）として（１）（２）式で表される光信号を想定すると、例えば（５）式において光周波数２ｆ_１に相当する成分の電界は、下記の数式で表すことができる。

（６）式は、時刻ｔ＝０のおいて光周波数が２ｆ_２ａであり、周期Ｔにおいて２ｆの光周波数が掃引されることを表している。

ここで、光周波数掃引範囲と波長掃引範囲の関係について考える。ｔ＝０の光周波数をｆ_０、波長をλ_０、光周波数掃引範囲をΔｆ、波長掃引範囲をΔλとすると、光周波数と波長の積が光速ｃに一致することから、下記（７）式が成り立つ。

（７）式から、下記（８）式を得る。

（８）式は、ある光周波数掃引範囲Δｆを想定した場合、波長掃引範囲Δλがｔ＝０の波長λ_０の２乗に比例することを表している。

ここで、（６）式に注目すると、基の光信号（２ａ，２ｂ）における光周波数掃引範囲が２倍になってはいるが、２次の高調波帯の光信号では波長が光信号の１／２であるため、波長スイープ範囲はＢ／２に近似される。

次に、（５）式のＢ群に注目すると、例えば光周波数３ｆ_１−ｆ_２に相当する成分の電界は、下記の数式で表すことができる。

（９）式は、時刻ｔ＝０において光周波数が３ｆ_２ａ−ｆ_２ｂであり、周期Ｔにおいて４ｆの光周波数が掃引されることを表しており、基の光信号（２ａ，２ｂ）における光周波数掃引範囲が４倍になっている。よって、２次の高調波帯における波長スイープ範囲はＢに近似され、（６）式で表される光信号に対して波長スイープ範囲が２倍に拡大されていることが分かる。同様に、より高次の成分を抽出することで、スイープ範囲を逓倍できる。
以上説明したように、高調波帯においても、波長スイープ範囲の逓倍効果を得ることができる。

（光信号発生器の第３の実施形態）
図３は、本発明の光信号発生器の第３の実施形態に係る構成例と、構成例の３ａ，３ｂ,３ｃにおける信号を示している。光信号発生器は、所定の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに増大させる、正の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）３１と、上述の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに減少させる、負の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）３２と、スイープ光源３１およびスイープ光源３２の出力光信号を、偏波面を同一に調整した状態で合波する光合波器３３と、光合波器３３の出力光信号に対して非線形作用を及ぼす非線形媒質／高調波発生媒質３４と、非線形媒質／高調波発生媒質３４の出力光信号のうち所定の波長帯域の光信号を抽出する波長フィルタ３５を備える。

第３の実施形態では、第１および第２の実施形態と同様の構成であるが、２つのスイープ光源の出力光信号の波長スイープ特性に特徴がある。すなわち、スイープ光源３１およびスイープ光源３２は、スイープ（掃引）する波長範囲について、一定の値に固定せず、動的に所望の値に設定できる。

第１および第２の実施形態においては、いずれも、基となる光信号（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）の波長スイープ範囲は一定の値Ｂであったが、本実施形態においては、図３の３ａ、３ｂに示すように、周期毎に異なる波長範囲Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３をスイープしている。
このような光信号は、例えば、図１４に示すスイープ光源の構成例において、変調信号として用いるランプ波信号の振幅を変化させることで容易に得ることができる。

上記のような波長スイープ光信号（３ａ，３ｂ）を基に、第１および第２の実施形態と同様に、非線形媒質もしくは高調波発生媒質により非線形過程を与えることで、３ｃに示すように、それぞれの周期において波長スイープ範囲が逓倍された光信号を得ることができる。
従来例に示すパルス光信号を用いた方法では、波長帯域はパルス光信号のパルス幅に依存するが、通常、パルス光信号のパルス幅は一定で、周期毎に変化させることは容易ではないため、３ｃに示すような波長スイープ光信号の発生は困難である。

（光信号発生器の第４の実施形態）
図４は、本発明の光信号発生器の第４の実施形態に係る構成例と、構成例の４ａ，４ｂ,４ｃにおける信号を示している。光信号発生器は、所定の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに増大させる、正の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）４１と、上述の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに減少させる、負の波長掃引を行うスイープ光源（波長掃引型光源）４２と、スイープ光源４１およびスイープ光源４２の出力光信号を、偏波面を同一に調整した状態で合波する光合波器４３と、光合波器４３の出力光信号に対して非線形作用を及ぼす非線形媒質／高調波発生媒質４４と、非線形媒質／高調波発生媒質４４の出力光信号のうち所定の波長帯域の光信号を抽出する波長フィルタ４５を備える。

第４の実施形態では、第１および第２の実施形態と同様の構成であるが、２つのスイープ光源の出力光信号の繰り返し周波数に特徴がある。すなわち、スイープ光源４１およびスイープ光源４２は、波長スイープ（波長掃引）する周期について、一定の値に固定せず、動的に所望の値に設定できる。

第１および第２の実施形態においては、いずれも、基となる光信号（１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ）における波長スイープの周期は一定の値Ｔであったが、本実施形態においては、図４の４ａ、４ｂに示すように、異なる時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３で波長スイープしている。
このような光信号は、例えば、図１４に示すスイープ光源の構成例において、変調信号として用いるランプ波信号の周期を変化させることで容易に得ることができる。

上記のような波長スイープ光信号（４ａ，４ｂ）を基に、第１および第２の実施形態と同様に、非線形媒質もしくは高調波発生媒質により非線形過程を与えることで、４ｃに示すように、それぞれ異なる時間で波長スイープ範囲が逓倍された光信号を得ることができる。
従来例に示すパルス光信号を用いた方法では、通常、パルス光信号の繰り返し周波数は一定で、周期毎に変化させることは容易ではないため、４ｃに示すような波長スイープ光信号の発生は困難である。

（光信号発生器の第５の実施形態）
以上、光信号発生器の第３の実施形態として、基となる２波の波長スイープ光信号の特性について、図３の３ａ、３ｂに示すように、スイープ波長範囲が変動する形態について説明し、第４の実施形態として、基となる２波の波長スイープ光信号の特性について、図４の４ａ、４ｂに示すように、繰り返し周波数が変動する形態について説明したが、当然に、基となる波長スイープ光信号において、スイープ波長範囲と繰り返し周波数が同時に変動する形態も実施できる。光信号発生器の第５の実施形態は、基となる２波の波長スイープ光信号について、スイープ波長範囲と繰り返し周波数が同時に変動するものである。

第３〜第５の実施形態にかかる光信号発生器は、後述する光通信システムの第２の実施形態において有効である。第１および第２の実施形態にかかる光信号発生器を光送信部に用いると、波長範囲、周期が一定であるため、それぞれの光受信部には絶えず一定の周期、波長が送信され、通信速度も固定化される。これに対し、第３〜第５の実施形態にかかる光信号発生器を光送信部に用いると、必要に応じて、波長範囲、周期を調整することにより、それぞれの光受信部の通信速度を変化させられるため、より柔軟な光通信システムを実現することができる。

なお、以上の実施形態の説明においては、基となる２波の光信号について、図１４に示すようなランプ波信号および図１５に示すようなパラボラ波信号を用いる構成で、時間に比例して出力光信号の波長が変化する波長スイープ光信号を想定して図１〜図４を示したが、図５に示すように、正弦波信号を用いて発生させた波長スイープ光信号を用いることもできる。
図５は、正弦波信号を用いて波長スイープ光信号を発生する第１の構成例と、構成例の５ａ，５ｂ−１,５ｂ−２，５ｃ−１，５ｃ−２，５ｄ−１，５ｄ−２における信号を示している。この構成例では、電気発振器５１から出力される正弦波信号（５ａ）を基に、２波の波長スイープ光信号を生成する。ここで、この正弦波信号（５ａ）の周期は、所望の波長スイープ光信号の周期Ｔの２倍に等しい。正弦波信号（５ａ）は、図示するように周期Ｔで出力先を切り替える時間切替スイッチ５２を用いて、半周期毎に抽出された電気信号（５ｂ−１，５ｂ−２）に分割される。これらの電気信号は、さらに分波器５３，５４により２つの出力に分波された後、遅延線５５，５６により一方の出力にのみ時間Ｔの遅延を与え、合波器５７，５８で合波することで、振幅が周期Ｔで単調増加もしくは単調減少する電気信号（５ｃ−１，５ｃ−２）に変換される。この電気信号（５ｃ−１，５ｃ−２）に適宜バイアスを印加した後、それぞれ周波数変調光源５９，６０の駆動信号として入力することで、周期Ｔで波長が増大する方向にスイープする光信号（５ｄ−１）と、減少する方向にスイープする光信号（５ｄ−２）を生成することができる。

また、図６は、正弦波信号を用いて波長スイープ光信号を発生する第２の構成例と、構成例の６ａ，６ｂ，６ｃ−１，６ｃ−２，６ｄ−１，６ｄ−２における信号を示している。図６に示す構成例は、電気発振器６１と、周波数変調光源６２と、時間切替光スイッチ６３と、光分波器６４，６５と、光遅延線６６，６７と、光合波器６８，６９により構成され、この構成例でも、同様の２波の波長スイープ光信号を発生させることができる。

上述した光信号発生器の第１〜第５の実施形態では、時間に比例して出力光信号の波長が変化する鋸歯状のスイープ光を想定しているが、実際にはこのような鋸歯状の信号は広帯域のスペクトルを有するため、生成は容易ではない。これに対し、正弦波信号であれば発振器を用いて容易に生成できるので、図５および図６の構成例は、実現性の面で優れているといえる。

ここで、非線形過程による高次成分発生の効率について、具体的な数値例として、図１７に示す実験系で測定した結果を示す。
この実験系では、２波の無変調の光搬送波信号を基に発生する、高次の成分の光強度を評価した。２波の光搬送波信号の波長は、それぞれ１５５０．０ｎｍ、１５５０．８ｎｍとし、等しい偏波状態で合波した後、２波の合計光強度が＋２３ｄＢｍ（それぞれ＋２０ｄＢｍ）になるよう増幅し、非線形ファイバに入力した。この非線形ファイバは、ファイバ長が５１０ｍ、３次の非線形係数が３０Ｗ^−１・ｋｍ^−１であった。また、図１７に示すように、非線形ファイバと光スペクトルアナライザの間において、コネクタ損失等を含めて５ｄＢ以上の損失があった。

図には、光スペクトルアナライザで測定した光信号のスペクトルを示しているが、この測定結果から、上記の非線形ファイバ後段の損失を考慮すると、非線形ファイバの出力の時点では５次の成分においても−１０ｄＢｍ以上の光強度が得られることが分かる。
このように、大きな逓倍効果が得られる高い次数の成分を、十分な光強度で抽出することが可能である。

さらに、スイープ光源として直接変調レーザを用いた場合の強度変調成分（ＩＭ成分）について考える。図７は、スイープ光源として直接変調レーザを用いた場合の光信号発生器の構成例と、構成例の４ａ，４ｂ,４ｃにおける信号を示している。図７に示す光信号発生器は、直接変調レーザ７１，７２と、光合波器７３と、非線形媒質７４と、波長フィルタ７５により構成される。

スイープ光源として、図１４に示すように、レーザの出力光信号の波長が駆動電流に依存することを利用して、ランプ波形の信号を印加して直接周波数変調する簡易な構成例が考えられる。しかし、この構成例の場合、出力光信号の波長（光周波数）だけでなく、強度も駆動電流に依存するため、図７に示すように強度がランプ波状に変調された光信号（７ａ，７ｂ）が発生することになる。

この２つの出力光信号の強度Ｐ_１（ｔ）、Ｐ_２（ｔ）を、時刻ｔについて、０≦ｔ≦Ｔ（Ｔ：繰り返し周期）の範囲でそれぞれ下記のように表す。

ここで、Ｐ_１、Ｐ_２はそれぞれの光信号のｔ＝０における光強度、ΔＰ_１、ΔＰ_２はｔ＝０を基準とした光強度の変化率を表すこととする。

上述した光信号発生器の第１の実施形態の説明と同様に、（３）式において、２ｆ_１−ｆ_２で表される光周波数の３次成分を抽出することを想定すると、この３次成分の光信号（７ｄ）の光強度Ｐ_{２ｆ１−ｆ２}は下記のように表すことができる。

光強度の変化率が小さい、すなわち、ΔＰ_１、ΔＰ_２＜＜１の場合、光強度の変化率の２次以上の項を無視して、（１１）式は下記のようにＰ’_{２ｆ１−ｆ２}に近似できる。

ここで、基の２波の光信号の強度の変化率が等しい場合（ΔＰ_１＝ΔＰ_２）を考えると、（１２）式から、３次成分の光信号（７ｄ）の強度は、下記のように表される。

よって、（３）式において２ｆ_１−ｆ_２で表される光周波数を持つ３次成分では、（４）式で示したように、光周波数スイープは３倍（３ｆ）になっているが、ｔ＝０を基準とする光強度の変化率は、基の光信号の変化率に等しいことが分かる。

一方、（３）式において、３ｆ_１で表される光周波数の３次成分を抽出することを想定すると、この３次成分の光信号の光強度Ｐ_３ｆ１は、下記のように表すことができる。

この３次成分の光信号においては、光周波数スイープ範囲は明らかに基の光信号（７ａ，７ｂ）の光周波数スイープ範囲の３倍の３ｆであるが、光強度の変化率も３倍になっていることが分かる。

このように、（３）式に示した３次成分のうち、アイドラ成分である２ｆ_１−ｆ_２の光周波数の成分を抽出することで、高調波成分３ｆ_１，３ｆ_２を抽出する場合に比べて、光周波数（波長）スイープ範囲を逓倍する際のＩＭ成分を低減できることが分かる。このＩＭ成分低減効果は、他のアイドラ成分２ｆ_２−ｆ_１，２ｆ_１＋ｆ_２，２ｆ_２＋ｆ_１においても得られ、また、より高次の成分についても、アイドラ成分を抽出することで同様の効果が得られる。

また、以上の説明は、基の２波の光信号の光強度の変化率ΔＰ_１,ΔＰ_２が等しい場合について述べたが、同様の構成の光信号発生器において、２つのレーザに印加する駆動電流の振幅範囲をそれぞれ調整する、もしくは、印加する電流に対する周波数変調効率ならびに強度変調効率が異なる２つのレーザを用いることで、２波の光信号強度の変化率の関係が２ΔＰ_１＝ΔＰ_２を満たすように設定する場合には、（１２）式は、

と展開でき、抽出する光信号のＩＭ成分をはぼ抑圧できることが分かる。

このように、非線形媒質もしくは高調波発生媒質の出力において抽出するアイドラ成分に応じて、基の２波の光信号のＩＭ成分を調整することで、光周波数（波長）スイープ範囲を逓倍する際のＩＭ成分を抑圧することもできる。

（光通信システムの第１の実施形態）
図８は、本発明の光通信システムの第１の実施形態に係る構成例と、構成例の８ａ，８ｂにおける信号を示している。図８に示す光通信システムは、ベースバンド信号で変調された複数波長の変調光信号を出力する光送信部と、光伝送路を介して変調光信号を受信し、ベースバンド信号を復調する光受信部とにより構成され、光送信部は、第１〜第５の実施形態の光信号発生器と、光信号発生器の出力光信号をベースバンド信号で変調する光変調器とを備え、光受信部は、光送信部から受信した光信号を各チャネルの波長毎に分離する波長分離フィルタ（図示せず）と、波長分離フィルタの各出力を並列受信する受光素子アレイ（図示せず）とを備える。

光送信部においては、上述した第１〜第５のいずれかの実施形態の光信号発生器により、波長範囲が逓倍された波長スイープ光信号（８ａ）を生成し、光変調器によりベースバンド信号で変調した後、光伝送路を介して光受信部に送信する。ここで、光変調器に入力するベースバンド信号として、各波長チャネルに対応したベースバンド信号を時間軸で多重した（ＴＤＭ）信号で変調することで、８ｂに示すような多波長変調光信号を一括で生成することができる。

光受信部では、図１３に例示する構成で、受信した光信号を波長分離フィルタで各波長チャネルの光信号に分離した後、それぞれ受光素子で検波する。これらの受光素子の出力は、必要に応じてパラレル／シリアル変換することで、光送信部から送信されたベースバンド信号を再生することができる。

以上説明したように本実施形態では、光送信部において第１〜第５のいずれかの実施形態の光信号発生器を用いて、広い波長帯域と高い繰り返し周波数を兼ね備える波長スイープ光信号が得られるため、ベースバンド信号を複数の波長チャネルで並列伝送する光通信システムにおいて、伝送レートの高速化を容易に実現できる。特に、第３〜第５のいずれかの実施形態の光信号発生器によれば、必要に応じて波長スイープ光信号（８ａ）の波長範囲、周期を調整することで、様々な光伝送路特性や、受信部の波長分離フィルタ、受光素子の特性に動的に対応できるため、柔軟な光通信システムを実現できる。
また、本実施形態は、上述の並列伝送に限らず、複数のサービスのデータをそれぞれ異なる波長チャネルに割り当てて伝送する、いわゆるＷＤＭによるサービス多重を用いた光通信システムにおいても有効である。

（光通信システムの第２の実施形態）
上述した光通信システムの第１の実施形態では、高速のベースバンド信号を複数の波長チャネルで並列伝送する光通信システム、もしくは複数の波長チャネルに異なるサービスのデータを割り当ててサービス多重する光通信システムについて本発明の有効性を示したが、図９に示すように、１つの光送信部と複数の光受信部を接続する光伝送路中に、波長分離フィルタを設置する光通信システムにおいても有効である。このような光通信システムとしては、光送信部で発生する複数の波長チャネルを固定的もしくは動的に複数のユーザに割り当て、１つの光送信部で複数のユーザの光受信部を収容する、いわゆるＷＤＭによるユーザ多重を用いた光通信システムが想定される。

特に、第３〜第５のいずれかの実施形態の光信号発生器によれば、必要に応じて波長スイープ光信号（図８の８ａ）の波長範囲、周期を調整することで、各ユーザが持つ光受信部の様々な波長分離フィルタ、受光素子の特性に動的に対応できるため、柔軟な光通信システムを実現できる。

（光通信システムの第３の実施形態）
以上、第１および第２の実施形態においては、光伝送路として、ガラスを材料としたシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）、マルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）や、プラスチックを材料とした光ファイバ（ＰＯＦ）等のような有線の光導波路媒体を想定していたが、光伝送路が空間伝搬路であっても良い。

このような空間伝搬による光伝送路を想定した光通信システムとしては、まず、図１０に示すような、アクセスポイント型のシステムが想定される。このシステムでは、図８に構成例を示す光送信部が例えば天井などに設置され、空間に向けて光信号（図８の８ｂ）が放射される。光受信部は第１および第２の実施形態と同様に図１３に示す構成であり、上述の光送信部から放射された光信号を受信し、ベースバンド信号の全体もしくは一部を再生する。この光通信システムでは、無線ＬＡＮシステムと同様に、アクセスポイントである光送信部の周囲に光受信部が設置され、光送信部からの放射光がある一定の光パワー以上で受信できる範囲内であれば、光受信部でベースバンド信号を再生することができるため、第１および第２の実施形態のような有線の光導波路媒体を用いる必要がなく、通信機器の設置の柔軟性に優れる。

一方、図１１に示すように、光導波路媒体からの漏洩光を用いた光通信システムも想定される。このシステムでは、図８に構成例を示す光送信部が漏洩光伝送路に接続され、この漏洩型光伝送路の周囲に光受信部が設置される。このような漏洩光伝送路は、例えば、上述の有線の光導波路媒体の内部に光を多重散乱させる微粒子を添加することで実現できる（非特許文献２参照）。

この光通信システムでは、漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）を用いた無線通信システムと同様に、漏洩光伝送路からの漏洩光がある一定の光パワー以上で受信できる範囲内であれば、光受信部でベースバンド信号を再生することができるため、第１および第２の実施形態のように有線の光導波路媒体を用いて光送信部と光受信部を接続する必要がなく、通信機器の設置の柔軟性に優れる。

本発明の光信号発生器の第１の実施形態を示す図である。 本発明の光信号発生器の第２の実施形態を示す図である。 本発明の光信号発生器の第３の実施形態を示す図である。 本発明の光信号発生器の第４の実施形態を示す図である。 正弦波を用いたスイープ光源の第１の構成例を示す図である。 正弦波を用いたスイープ光源の第２の構成例を示す図である。 本発明の光信号発生器の強度変調成分を説明する図である。 本発明の光通信システムの第１の実施形態を示す図である。 本発明の光通信システムの第２の実施形態を示す図である。 本発明の光通信システムの第３の実施形態（空間伝搬路）を示す図である。 本発明の光通信システムの第３の実施形態（漏洩光伝送路）を示す図である。 従来例の光通信システムの光送信部を示す図である。 従来例の光通信システムの光受信部を示す図である。 スイープ光源の第１の構成例を示す図である。 スイープ光源の第２の構成例を示す図である。 スイープ光源の第３の構成例を示す図である。 非線形ファイバを用いた実験の測定結果を示す図である。

符号の説明

１１，１２，２１，２２，１，３２，４１，４２ スイープ光源
１３，２３，３３，４３，６８，６９，７３ 光合波器
１４，７４ 非線形媒質
１５，２５，３５，４５，７５ 波長フィルタ
２４ 高調波発生媒質
３４,４４ 非線形媒質／高調波発生媒質
５１，６１ 電気発振器
５２ 時間切替スイッチ
５３，５４ 分波器
５５，５６ 遅延線
５７，５８ 合波器
５９，６０，６２ 周波数変調光源
６３ 時間切替光スイッチ
６４，６５ 光分波器
６６，６７ 光遅延線
７１，７２ 直接変調レーザ
９１ パルス光源
９２ 分散媒質
９３ 光変調器
９４ 波長分離フィルタ
９５ 受光素子アレイ

Claims (5)

1. 広い波長帯域を有する光信号を出力する光信号発生器であって、
   所定の繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに増大させる、正の波長掃引を行う第１の波長掃引型光源と、
   前記繰り返し周波数で、出力光信号の波長を時間とともに減少させる、負の波長掃引を行う第２の波長掃引型光源と、
   前記第１および第２の波長掃引型光源の出力光信号を、偏波面を同一に調整した状態で合波する光合波器と、
   前記光合波器の出力光信号に対して非線形作用を及ぼす媒質と、
   前記媒質の出力光信号のうち所定の波長帯域の光信号を抽出する波長フィルタと、
   を備え、前記第１および第２の波長掃引型光源の波長掃引範囲を逓倍した光信号を出力することを特徴とする光信号発生器。
2. 請求項１に記載の光信号発生器において、
   第１および第２の波長掃引型光源は、掃引する波長範囲と周期のいずれか一方もしくは両方について、一定の値に固定せず、動的に所望の値に設定できる
   ことを特徴とする光信号発生器。
3. 光送信部から、ベースバンド信号で変調された複数波長の変調光信号を出力し、光伝送路を介して光受信部に送信し、光受信部において前記変調光信号を受信し、前記ベースバンド信号を復調する光通信システムであって、
   前記光送信部は、
   請求項１または２に記載の光信号発生器と、
   該光信号発生器の出力光信号をベースバンド信号で変調する光変調器を備え、
   前記光受信部は、
   前記光送信部から受信した光信号を各チャネルの波長毎に分離する波長分離フィルタと、
   該波長分離フィルタの各出力を並列受信する受光素子アレイを備える
   ことを特徴とする光通信システム。
4. 光送信部から、ベースバンド信号で変調された複数波長の変調光信号を出力し、光伝送路を介して光受信部に送信し、光受信部において前記変調光信号を受信し、前記ベースバンド信号を復調する光通信システムであって、
   １つの光送信部と複数の光受信部を備え、
   前記光送信部は、
   請求項１または２に記載の光信号発生器と、
   該光信号発生器の出力光信号をベースバンド信号で変調する光変調器を備え、
   前記光受信部は、
   前記光送信部から受信した光信号を各チャネルの波長毎に分離する波長分離フィルタと、
   該波長分離フィルタの各出力を並列受信する受光素子アレイを備え、
   前記光伝送路中において、
   前記光送信部から送信された複数波長光信号を、所定の波長間隔で分離し、複数の光受信部にそれぞれ入力する波長分離光分波器を備える
   ことを特徴とする光通信システム。
5. 請求項３または４に記載の光通信システムにおいて、
   前記光伝送路は、空間伝搬路または漏洩光伝送路である
   ことを特徴とする光通信システム。

Images